毫米波雷達(dá)在智慧橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

為了驗(yàn)證毫米波雷達(dá)在橋梁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用可靠性，文章基于毫米波雷達(dá)技術(shù)，以一座跨徑為80 m的系桿拱橋?yàn)槔?，?duì)其運(yùn)營(yíng)期間的動(dòng)撓度和基頻實(shí)施了智慧化的在線監(jiān)測(cè)分析，并通過(guò)對(duì)毫米波雷達(dá)與光電撓度儀在動(dòng)撓度測(cè)試方面的對(duì)比，證實(shí)了毫米波雷達(dá)在監(jiān)測(cè)橋梁動(dòng)撓度和基頻方面的結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。研究成果可為同類工程提供參考。

智慧橋梁；毫米波雷達(dá)；動(dòng)撓度；基頻監(jiān)測(cè)

U446.2A481522

作者簡(jiǎn)介：

方志江（1970—），碩士，主要從事高速公路養(yǎng)護(hù)營(yíng)運(yùn)管理、企業(yè)經(jīng)營(yíng)、國(guó)企改革等方面工作。

0" 引言

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，橋梁作為交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其安全性和穩(wěn)定性日益受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注［1］。傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測(cè)方法雖然在一定程度上能夠保障橋梁的安全，但受限于技術(shù)條件，往往存在監(jiān)測(cè)精度不高、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)等問(wèn)題［2］。在此背景下，探索和應(yīng)用新技術(shù)以提高橋梁監(jiān)測(cè)的智能化水平顯得尤為重要。毫米波雷達(dá)技術(shù)以其高精度、高分辨率和強(qiáng)實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，近年來(lái)在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)了出色的應(yīng)用效果。在智慧橋梁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，毫米波雷達(dá)技術(shù)的引入無(wú)疑為橋梁安全監(jiān)測(cè)帶來(lái)了新的突破點(diǎn)［3］。該技術(shù)能夠通過(guò)發(fā)射和接收毫米波信號(hào)，對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。本研究旨在深入探討毫米波雷達(dá)在智慧橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，通過(guò)詳細(xì)分析毫米波雷達(dá)的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)和在橋梁監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用案例，期望能夠全面評(píng)估其在實(shí)際工程中的性能表現(xiàn)，為該技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)，為保障橋梁安全、提升交通基礎(chǔ)設(shè)施管理水平貢獻(xiàn)力量。

1" 毫米波雷達(dá)技術(shù)概述

毫米波雷達(dá)在智慧橋梁動(dòng)態(tài)撓度監(jiān)測(cè)中扮演著至關(guān)重要的角色。隨著橋梁結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜和交通流量的不斷增長(zhǎng)，對(duì)橋梁的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。毫米波雷達(dá)技術(shù)以其高精度、高分辨率以及實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，成為智慧橋梁動(dòng)態(tài)撓度監(jiān)測(cè)的理想選擇［4］。

毫米波雷達(dá)通過(guò)發(fā)射和接收毫米波信號(hào)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)橋梁在各種荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其工作原理是：雷達(dá)發(fā)射的毫米波信號(hào)遇到橋梁結(jié)構(gòu)后產(chǎn)生回波，通過(guò)接收并分析這些回波信號(hào)，可以精確地獲取橋梁的動(dòng)態(tài)撓度信息。這種非接觸式的測(cè)量方法不僅避免了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法中需要在橋梁上安裝大量傳感器的繁瑣過(guò)程，還大大提高了監(jiān)測(cè)的效率和精度。

在智慧橋梁動(dòng)態(tài)撓度監(jiān)測(cè)中，毫米波雷達(dá)技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)橋梁的振動(dòng)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁的異常情況，如

振幅過(guò)大、頻率異常等。這些數(shù)據(jù)不僅可以用于評(píng)估橋梁的安全性能，還可以為橋梁的維護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)［5］。此外，毫米波雷達(dá)還可以與其他傳感器技術(shù)相結(jié)合，形成一個(gè)完整的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為橋梁的安全運(yùn)營(yíng)提供全方位的保障。

總之，毫米波雷達(dá)在智慧橋梁動(dòng)態(tài)撓度監(jiān)測(cè)中具有顯著的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，毫米波雷達(dá)將在未來(lái)橋梁安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為保障橋梁的安全運(yùn)營(yíng)提供有力的技術(shù)支持。

2" 工程概況

本文以一座跨徑為80 m的系桿拱橋?yàn)榫唧w案例（詳見下頁(yè)圖1），全面深入地探討毫米波雷達(dá)在橋梁智慧化在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。該橋梁不僅具有顯著的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還承載著重要的交通功能，因此對(duì)其安全性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

為了提升橋梁監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度和實(shí)時(shí)性，引入了毫米波雷達(dá)技術(shù)。毫米波雷達(dá)以其高精度、長(zhǎng)距離、非接觸式的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，在橋梁健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。在本次研究中，采用毫米波雷達(dá)對(duì)該系桿拱橋進(jìn)行動(dòng)撓度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［6］。這一技術(shù)的應(yīng)用，不僅克服了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法中的諸多限制，更實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁動(dòng)態(tài)性能的連續(xù)、高精度捕捉。除了動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)外，本研究還進(jìn)一步利用毫米波雷達(dá)采集到的高頻動(dòng)撓度數(shù)據(jù)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)基頻的計(jì)算與分析。結(jié)構(gòu)基頻是評(píng)估橋梁動(dòng)力特性的重要參數(shù)，它直接反映了橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度和質(zhì)量分布。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的深入挖掘和分析，能夠更加準(zhǔn)確地掌握橋梁的實(shí)時(shí)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，為橋梁的維護(hù)和管理提供科學(xué)決策依據(jù)。

基于此，本文通過(guò)實(shí)例研究，充分展示了毫米波雷達(dá)在橋梁智慧化在線監(jiān)測(cè)中的卓越性能和廣闊應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，毫米波雷達(dá)將在未來(lái)橋梁安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

毫米波雷達(dá)在智慧橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究/方志江

3" 基于豎向位移的毫米波雷達(dá)測(cè)量原理

以本研究案例為基礎(chǔ)，毫米波雷達(dá)在本案例地段利用毫米波段的電磁波進(jìn)行工作（詳見圖2）。毫米波雷達(dá)豎向位移測(cè)量原理主要是基于雷達(dá)發(fā)射與接收的電磁波信號(hào)進(jìn)行高精度測(cè)量。毫米波雷達(dá)通過(guò)射頻前端發(fā)射特定頻率的毫米波，當(dāng)這些波遇到目標(biāo)物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生回波。雷達(dá)系統(tǒng)接收并分析這些回波信號(hào)，通過(guò)對(duì)比發(fā)射波與回波的相位差異，可以精確計(jì)算出目標(biāo)物體在豎直方向上的位移變化［7］。這種測(cè)量方法具有高精度、高分辨率的特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)物體的微小位移，因此在橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。毫米波雷達(dá)豎向位移測(cè)量技術(shù)為結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)提供了一種新的有效手段，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，保障公共基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行。

4" 監(jiān)測(cè)橋梁動(dòng)態(tài)撓度

4.1" 設(shè)置測(cè)點(diǎn)

本文案例所研究的系桿拱橋的設(shè)計(jì)獨(dú)具特色，其計(jì)算跨徑達(dá)到了80 m，而橋面的寬度也有23 m，充分展示了現(xiàn)代橋梁工程的壯觀與精巧。橋梁的上部結(jié)構(gòu)選用了下承式鋼筋混凝土系梁拱橋設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)不僅堅(jiān)固耐用，還能有效分散橋面上的荷載。拱肋、系梁和承重的橫梁、吊桿及橋面，每一部分都經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，共同構(gòu)成了這座宏偉的橋梁。

為了準(zhǔn)確評(píng)估橋梁在車輛荷載作用下的性能，本研究采用Midas Civil軟件進(jìn)行建模計(jì)算。經(jīng)過(guò)精密的分析，發(fā)現(xiàn)橋梁在車輛荷載的作用下，其最大位移會(huì)出現(xiàn)在橋跨的四分點(diǎn)處（詳見圖3）。這一發(fā)現(xiàn)為橋梁的安全運(yùn)營(yíng)提供了重要依據(jù)，同時(shí)也為后續(xù)的維護(hù)和加固工作指明了方向。

4.2" 有限元測(cè)試結(jié)果分析

在本案例的實(shí)際測(cè)試中，在某一特定時(shí)間段，選取了

一輛重車通過(guò)橋梁的時(shí)刻進(jìn)行動(dòng)撓度測(cè)試。為了驗(yàn)證毫米波雷達(dá)的準(zhǔn)確性，同時(shí)使用了光電撓度儀進(jìn)行測(cè)試對(duì)比（詳見圖4、圖5）。

對(duì)于A號(hào)測(cè)點(diǎn)，毫米波雷達(dá)的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，動(dòng)撓度的峰值為1.47 mm。與此同時(shí)，光電撓度儀在同一測(cè)點(diǎn)的測(cè)試峰值則為1.54 mm?？梢钥闯?，兩者的測(cè)試結(jié)果非常接近，僅在毫米級(jí)別上略有差異。

對(duì)于B號(hào)測(cè)點(diǎn)，毫米波雷達(dá)的測(cè)試峰值達(dá)到了1.49 mm，而光電撓度儀的測(cè)試峰值則是1.43 mm。這兩個(gè)數(shù)值之間的微小差異再次證明了毫米波雷達(dá)在動(dòng)撓度測(cè)試中的高精度和可靠性。

通過(guò)對(duì)比兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)能夠清晰看到，毫米波雷達(dá)與光電撓度儀在動(dòng)撓度測(cè)試中的一致性，這進(jìn)一步驗(yàn)證了毫米波雷達(dá)在橋梁監(jiān)測(cè)中的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

4.3" 測(cè)試小結(jié)

本次案例針對(duì)測(cè)試毫米波雷達(dá)和光電撓度儀進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比分析（詳見后頁(yè)表1）。由表1可以看出，兩種測(cè)試結(jié)果在AB點(diǎn)的數(shù)值基本相差不大，其誤差最大為5%，由此可以看出，毫米波雷達(dá)的撓度測(cè)試具有一定的準(zhǔn)確性。

5" 結(jié)語(yǔ)

利用毫米波雷達(dá)對(duì)實(shí)際工程案例橋進(jìn)行了動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)及有限元分析后，本研究深入分析了所得數(shù)據(jù)，并與其他非在線測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的比對(duì)和分析，得出以下結(jié)論：

（1）毫米波雷達(dá)在監(jiān)測(cè)橋梁動(dòng)撓度與結(jié)構(gòu)基頻方面表現(xiàn)出色。與現(xiàn)有的其他非在線測(cè)量技術(shù)相比，毫米波雷達(dá)提供的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可靠的，這無(wú)疑為橋梁安全評(píng)估提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

（2）毫米波雷達(dá)具有多測(cè)點(diǎn)同時(shí)采集與傳輸?shù)膬?yōu)越能力。這一特點(diǎn)使其在大型橋梁的多個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)成為可能。同時(shí)，毫米波雷達(dá)的安裝過(guò)程簡(jiǎn)便快捷，大大降低了監(jiān)測(cè)工作的復(fù)雜性和成本，預(yù)示著其在橋梁智慧化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景。

（3）毫米波雷達(dá)在環(huán)境適應(yīng)性方面也展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。無(wú)論是光線變化、灰塵積累，還是煙霧等惡劣環(huán)境，毫米波雷達(dá)都能保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全天候監(jiān)測(cè)，這一點(diǎn)對(duì)于確保橋梁在各種天氣條件下的安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。

［1］劉" 越，龍金喜，莢瑞馨，等.移動(dòng)荷載作用下簡(jiǎn)支梁橋撓度沖擊系數(shù)的數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證［J/OL］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2286.t.20240604.1629.004.html，2024-06-05.

［2］周青松，秦明霞.毫米波雷達(dá)在橋梁智慧化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.智能建筑與智慧城市，2024（4）：163-165.

［3］朱尚清.基于撓度影響線的橋梁快速荷載試驗(yàn)方法研究［C］.第四屆全國(guó)在役橋梁安全運(yùn)營(yíng)保障技術(shù)大會(huì)論文集，2023.

［4］叢波日，馬乃軒，王鵬軍，等.基于毫米波雷達(dá)的橋梁索桿振動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)控制［J］.機(jī)械與電子，2023，41（5）：33-36.

［5］顧思思，常世新，韓明敏，等.毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的橋梁撓度預(yù)測(cè)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2023，23（11）：4 874-4 880.

［6］張佰林，馬" 駿.基于優(yōu)化函數(shù)的橋梁撓度監(jiān)測(cè)方法研究［J］.低溫建筑技術(shù)，2022，44（12）：142-146.

［7］蔡長(zhǎng)霖.基于毫米波雷達(dá)的車輛分類識(shí)別與跟蹤技術(shù)研究［D］.太原：中北大學(xué)，2022.

20240407