無(wú)接觸式微波測(cè)量方法的研究與應(yīng)用

方顯華

安徽省高速公路路政支隊(duì)，安徽 合肥 230022

斜拉索是矮塔斜拉橋的重要組成構(gòu)件，可以協(xié)助墩柱等下部結(jié)構(gòu)承載荷載。矮塔斜拉橋在建設(shè)過(guò)程中由于施工方法不恰當(dāng)、張拉設(shè)備不精確等問(wèn)題，導(dǎo)致索力不合格問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，索力未張拉到設(shè)計(jì)值和超張拉均會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力不合理，最終影響結(jié)構(gòu)壽命。因此，施工過(guò)程中斜拉索的實(shí)時(shí)監(jiān)控變得尤為重要。斜拉索索力的測(cè)量屬于工程界的一個(gè)難題，逐漸成為研究熱點(diǎn)。目前索力監(jiān)測(cè)的測(cè)定方法主要有壓力傳感器法、壓力表法、磁通量法、振動(dòng)頻率法等。其中，壓力傳感器法測(cè)量索力值在一定范圍內(nèi)具有局限性，該方法所測(cè)得的是索頭張力，不能代表整索的實(shí)際索力；壓力表法雖簡(jiǎn)單易行，但無(wú)法進(jìn)行高頻次的檢測(cè)；磁通量法使用不方便，必須在拉索中事先安好磁通量傳感器后，才能進(jìn)行拉索索力測(cè)試；振動(dòng)頻率測(cè)定法是目前國(guó)內(nèi)最常用的方法，其原理是在拉索的底端位置處固定加速度計(jì)，通過(guò)一定的技術(shù)手段將拉索振動(dòng)的加速度換算為振動(dòng)頻率，該方法也存在一定的局限性，如效率低下、測(cè)量值不準(zhǔn)確、受溫度等外界環(huán)境的影響較大?；诖耍恼乱劳袑?shí)際工程項(xiàng)目，探索無(wú)接觸式微波測(cè)索力技術(shù)，并研究其在索力測(cè)量中的應(yīng)用，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 項(xiàng)目概況

S327臨泉泉河大橋及接線(xiàn)工程由南向北延伸，從臨泉縣城關(guān)鎮(zhèn)程灣村于謝灣村中間穿過(guò)，跨越泉河大橋后于界首市磚集鎮(zhèn)榮莊村東部穿過(guò)，終點(diǎn)銜接S237界首段，實(shí)施路段全長(zhǎng)2.14km。S327臨泉泉河大橋接線(xiàn)道路按一級(jí)公路建設(shè)，設(shè)計(jì)速度采用80km/h標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。主橋?yàn)榭鐝?70m的雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，一共采用44根平行鋼絞線(xiàn)斜拉索，斜拉索錨固在梁上，穿過(guò)橋塔而不錨固在橋塔上，橋?qū)?2m，雙向六車(chē)道，橋涵設(shè)計(jì)荷載采用公路-I級(jí)。

2 測(cè)量方法工作原理

無(wú)接觸式微波測(cè)量方法主要依賴(lài)干涉測(cè)量技術(shù)和調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)兩項(xiàng)核心技術(shù)，融合相位干涉測(cè)量、基頻提取、寬帶信號(hào)脈沖壓縮和目標(biāo)檢測(cè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程遙感測(cè)量索力，并具有測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

微變形雷達(dá)為該測(cè)量方法的核心部分，主要包括腳架、計(jì)算機(jī)控制單元和雷達(dá)控制單元三大組成部分。具體工作原理如下：將雷達(dá)控制單元安裝固定在腳架上，通過(guò)腳架上的3D旋轉(zhuǎn)頭實(shí)現(xiàn)全方位雷達(dá)監(jiān)測(cè)，同時(shí)雷達(dá)控制單元配有2根喇叭天線(xiàn)，分別用于傳輸與接收電磁波信號(hào)。使用時(shí)與測(cè)量對(duì)象保持一個(gè)固定距離，先發(fā)射微波信號(hào)，通過(guò)接收反射后的微波信號(hào)，計(jì)算相位差，以相鄰2次微波信號(hào)相位差測(cè)量拉索或吊桿的振動(dòng)位移。利用上述方法測(cè)得拉索一段時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)位移后，繪制相應(yīng)的振動(dòng)位移時(shí)程曲線(xiàn)，通過(guò)傅里葉變換對(duì)振動(dòng)位移時(shí)程曲線(xiàn)處理得出該拉索的振動(dòng)頻率，利用拉索的振動(dòng)頻率即可測(cè)定索力。在一定距離范圍內(nèi)，雷達(dá)發(fā)射的微波呈扇形分布，因此在扇形區(qū)域內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)測(cè)量多根拉索的索力。

綜合上述非接觸微波索力測(cè)量原理可以發(fā)現(xiàn)，拉索約束條件與確定索力的方法等有關(guān)。但是，短索頻率測(cè)試相對(duì)困難，因?yàn)槠涫苓吔鐥l件及安裝在拉索上的阻尼器的影響。傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試方法則需要預(yù)先進(jìn)行錘擊激勵(lì)后，方可測(cè)試?yán)鞯恼駝?dòng)頻率，而無(wú)接觸式微波索力測(cè)量法中放射的微波則可以透過(guò)PE護(hù)套，在傳遞至鋼拉索后反射回接收器，測(cè)量結(jié)果相對(duì)比較準(zhǔn)確、可靠。

3 無(wú)接觸式微波測(cè)量方法的應(yīng)用實(shí)例

采用非接觸式微波測(cè)量方法對(duì)臨泉S237大橋中跨和邊跨靠近橋塔的8根斜拉索在施工階段進(jìn)行了索力測(cè)量。具體測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 橋梁的斜拉索索力數(shù)據(jù)

測(cè)量結(jié)果顯示，實(shí)測(cè)索力比設(shè)計(jì)索力小5%～20%，且中跨與邊跨的索力不均勻，中跨索力比邊跨索力大，索力張拉不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)以上調(diào)研結(jié)果，從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)六個(gè)方面分析了問(wèn)題的原因。

（1）人為原因?，F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員在張拉平行鋼絞線(xiàn)斜拉索時(shí)采用等值張拉法，隨著每股鋼絞線(xiàn)的張拉，橋梁結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生變形。主梁產(chǎn)生上撓、索塔產(chǎn)生壓縮，斜拉索梁端錨點(diǎn)與塔端錨點(diǎn)的相對(duì)距離不斷縮短，而后已張拉鋼絞線(xiàn)的工作長(zhǎng)度同步縮短，最終導(dǎo)致已張拉鋼絞線(xiàn)所持索力不斷變??；現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員在最初一批平行鋼絞線(xiàn)斜拉索施工時(shí)對(duì)斜拉索中的鋼絞線(xiàn)僅進(jìn)行了平均張拉，即每根鋼絞線(xiàn)張拉力相等，未對(duì)鋼絞線(xiàn)采用逐次超張拉的方法，造成鋼絞線(xiàn)松弛，導(dǎo)致平行鋼絞線(xiàn)斜拉索索力變小，且不均勻。

（2）機(jī)械設(shè)備原因。施工單位使用的機(jī)械設(shè)備過(guò)于老舊，在張拉鋼絞線(xiàn)的過(guò)程中未對(duì)索力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使張拉力與設(shè)計(jì)索力不符。

（3）材料原因。收縮徐變是混凝土材料固有的時(shí)變特性，混凝土結(jié)構(gòu)在鋼絞線(xiàn)過(guò)程中勢(shì)必存在收縮和徐變，從而對(duì)鋼絞線(xiàn)索力值產(chǎn)生影響。

（4）工法原因。沒(méi)有采用等值張拉法，導(dǎo)致后張拉的索影響了已經(jīng)張拉的索，預(yù)拉值不夠。

（5）環(huán)境影響。在施工過(guò)程中，由于溫度的變化，主梁、主塔、斜拉索在不勻溫度荷載下的變形量不一致，對(duì)鋼絞線(xiàn)索力值產(chǎn)生了一定的影響。

（6）測(cè)試原因。測(cè)試設(shè)備的系統(tǒng)誤差和偶然誤差導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確；測(cè)試人員沒(méi)有按照規(guī)定章程操作導(dǎo)致測(cè)量誤差。

通過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)、觀(guān)察、測(cè)量等方法對(duì)鋼絞線(xiàn)斜拉索索力不均勻的原因進(jìn)行分析和篩選，發(fā)現(xiàn)主要問(wèn)題集中在測(cè)量方法方面。原有的測(cè)量采用的是傳統(tǒng)的振動(dòng)法測(cè)量，測(cè)量頻率低，測(cè)量結(jié)果誤差大，施工班組張拉完拉索之后未及時(shí)得到反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)張拉就進(jìn)行下一階段的張拉，導(dǎo)致索力不合格。參考等值張拉基本理論，單根鋼絞線(xiàn)張拉力主要由單根鋼絞線(xiàn)設(shè)計(jì)索力和超張拉索力兩部分組成。在平行鋼絞線(xiàn)斜拉索等值張拉時(shí)，隨著每股鋼絞線(xiàn)的張拉，橋梁結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生變形。主梁產(chǎn)生上撓、索塔產(chǎn)生壓縮，斜拉索梁端錨點(diǎn)與塔端錨點(diǎn)的相對(duì)距離不斷縮短，已張拉鋼絞線(xiàn)的工作長(zhǎng)度同步縮短，導(dǎo)致已張拉鋼絞線(xiàn)的所持索力不斷變小。超張拉索力值是影響鋼絞線(xiàn)最終張拉力的主要因素，也是張拉力計(jì)算的關(guān)鍵，更是保證斜拉索每股鋼絞線(xiàn)所持索力的均勻性及張拉完成后總索力滿(mǎn)足要求的原因之一。

為了解決索力測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題，采用基于無(wú)接觸微波測(cè)量方法的索拉張拉檢測(cè)提升技術(shù)。對(duì)斜拉索進(jìn)行高頻監(jiān)測(cè)，一方面可以及時(shí)了解索力損失大小，另一方面可以及時(shí)讓工人補(bǔ)張拉索力。此外，施工單位應(yīng)組織施工人員加強(qiáng)技術(shù)交底，提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)能力，進(jìn)行專(zhuān)業(yè)知識(shí)的培訓(xùn)考核，對(duì)施工中存在的問(wèn)題及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)改正，以免影響后續(xù)施工。同時(shí)，實(shí)行獎(jiǎng)懲制度，每月進(jìn)行月度評(píng)比，對(duì)質(zhì)量、責(zé)任意識(shí)強(qiáng)的人員進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)責(zé)任心不強(qiáng)的人員進(jìn)行通報(bào)、批評(píng)。

在上述一系列措施的保障下，項(xiàng)目全部44根斜拉索張拉全部張拉到位，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，提高了矮塔斜拉橋斜拉索張拉質(zhì)量，降低了復(fù)工率，增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)施工過(guò)程中泉河大橋索力張拉不到位問(wèn)題展開(kāi)了調(diào)研分析，提出了基于無(wú)接觸式微波索力測(cè)量方法的高頻監(jiān)測(cè)手段，實(shí)時(shí)反饋索力信息，及時(shí)提醒施工班組補(bǔ)張拉索力以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，為泉河大橋的結(jié)構(gòu)安全和耐久性提供了保障。