基于地基雷达的高铁桥梁运营动态形变监测
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摘 要：我国高铁线路中，大量以桥代路，桥梁结构占比极大。为保证动车组的安全运行，需对高铁桥梁运营进行安全形变监测。针对传统接触式监测方法的不足，文章提出了基于地基雷达技术的高铁桥梁运营形变监测方法。利用FastGBSAR系统对安定镇段京沪高铁31.5m简支梁桥进行监测实验，对监测结果进行了分析，结果表明地基雷达技术能有效应用于高铁桥梁的动态形变监测。
关键词：地基雷达;高铁桥梁;动态形变;监测
中图分类号：U446 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）17-0033-03
Abstract： In China's high-speed railway lines， a large number of bridges take the place of roads， and the bridge structure accounts for a large proportion. In order to ensure the safe operation of EMUs， it is necessary to monitor the safety deformation of high-speed railway bridge operation. In view of the shortcomings of the traditional contact monitoring method， this paper proposes a deformation monitoring method of high-speed railway bridge operation based on ground-based radar technology. The FastGBSAR system is used to monitor the 31.5m simply supported beam bridge of Beijing-Shanghai high-speed railway in Anding town. The results show that the ground-based radar technology can be effectively applied to the dynamic deformation monitoring of high-speed railway bridge.
Keywords： ground-based radar; high-speed railway bridge; dynamic deformation; monitoring
1 概述
随着我国高速铁路建设的快速发展，如何保障运营高铁的安全已成为首要问题。我国高铁建设中大量以桥代路，以京沪高铁为例，其正线全长的86.5%是桥梁，如何监测这些桥梁运营安全更是重中之重。目前高铁桥梁运营动态形变监测主要利用传感器进行[1-4]，这些传统形变监测方法技术成熟，但对于高架的高鐵桥梁，传统接触式测量方式存在数据采集设备安装困难，不易固定，数据传输不稳定，工作效率低等问题。难以满足我国快速发展的高速铁路桥梁运营性能检定的需求。针对传统高铁桥梁运营形变监测方法的不足，本文探索基于地基雷达技术的非接触高铁桥梁运营动态形变监测方法。
2 地基雷达测量原理
FastGBSAR是荷兰Metasensing公司研制的一款基于全新调频连续波技术（FMCW）地基雷达测量系统，该系统是一种主动式微波遥感，通过距离向采样和方位向采样生成影像的空间信息。每个像素点都提供一个复杂的存储单元，振幅与散射信号的能量直接相关，从中可以获得监测目标回波信号的相位信息与振幅信息。振幅表示目标的反射率，相位取决于目标和雷达距离以及大气扰动等。通过计算两幅相位差得到干涉相位：
式中，φdisp为物体相对雷达移动造成的相位差，φatm为大气扰动引起的相位差，φnoise为噪声引起的相位差，n为整周模糊度。
通过加权圆周中值滤波去除噪声相位[5]，相位解缠得到整周模糊度n，短时间近距离监测时，在忽略大气扰动相位情况下通过相位差解算得到视线向位移，进而获得观测对象的形变信息。
3 高铁桥梁动态形变监测数据的获取
本次选址北京市安定镇的一段京沪高铁31.5m简支箱梁作为实验观测对象。该桥梁远离市区和交通要道，避免了测量时外界震动因素的干扰。同时，动车组经过此地时，处于高速行驶状态。
因高铁大桥的形变本身就很微小，测量精度直接决定监测方案的可行性。FastGBSAR是一种在Ku波段工作的干涉雷达系统，实际测量精度可以达到0.01mm[6]。为减少观测误差，将仪器安置于三脚架上，固定于观测桥梁正下方，保证观测过程中仪器自身的稳定。由于监测时间短，故认为系统频率能够保持稳定，系统存在频率偏移也极其微小，可忽略不计。距离测量目标最远不超过10m，在此短距离内，大气干扰也可以忽略不计。
观测过程中，仪器对准目标是桥跨中央（如图1），监测动车组通过时桥梁跨中竖向形变信息。因FastGBSAR系统只能监测到雷达视线向的位移，梁体竖向振动需通过几何计算得到。图2即为视线向位移与梁体垂直向形变关系图。系统传感器仰角α约为42度，传感器距离桥梁底部高度h为3.5m，传感器距离梁体跨中距离D为5.2m。由式（3）即可计算出梁体荷载作用下竖向形变量。
本次试验从早上8点至下午16点，历时近8个小时，共采集到26列动车组列车经过时桥梁竖向振动观测数据，其中包括一对对向同时通过的列车。 4 数据处理与形变分析
4.1 数据处理
试验数据利用ViMon软件进行处理。数据处理中，设置10%采样数据弃置率，去除不需要的信号后进行数据聚焦。依据传感器的姿态和与观测梁体目标位置进行设置，通过SNR（信噪比）选定观测目标区域内的稳定点（PS点）进行分析（图3）。当PS点被选择以后，为检查所选PS点信号质量，可以通过PS点极化图在时间序列上对数据进行质量评定。极化图由振幅和相位组成，其中径向分量表示振幅，角度向代表相位。一个最佳时间序列具有恒定幅度，意味着位移或振动在图中呈现出圆形或者扇形分布于圆心附近。图4显示所选PS点的时间序列较好，噪声小，表明观测数据质量较好。
4.2 形变分析
图5为FastGBSAR实测得到的单次动车组高速运行下梁体跨4个PS点的竖向振动形变曲线。图中可以清晰的看出16节动车组每节列车通过时跨中4个PS点竖向位移变化。动车组在62.5s抵达桥梁跨中监测点，桥梁在冲击作用下产生了最大约0.74mm的竖向位移。因16节动车的持续冲击，桥梁产生了约0.2mm的竖向振幅。动车组在67.2s离开，桥梁逐渐恢复平静。动车组行驶时间约4.6s。已知编组16辆的高速动车组CRH380车长约400m，可知运行时速约310km/h。
图6为实测得到上下行动车组同时通过桥梁时4个PS点的竖向振动形变曲线。在15.4s时，上行动车组抵达桥梁监测点，桥梁跨中最大产生了约0.70mm的竖向形变。上行动车组运行了第五节的时候，下行动车组进入测量桥梁，形变瞬间增加0.62mm，最大达到为1.38mm。当上行动车组离开后，最大竖向形变量恢复到约0.66mm，在约22.2s时，下行动车组离开，桥梁形变恢复正常。图中可以看出，单次动车组冲击下，桥梁竖向振幅约0.2mm，在上下行列车组同时冲击下，桥梁竖向振幅约0.3mm。
为验证形变监测结合的有效性，利用地基雷达实测动车组通过时桥梁跨中形变时程曲線，获得桥梁跨中动挠度平均值，再依据运营车辆荷载换算至ZK静活载的换算系数[7]，实际计算得到的挠跨比与传统研究结果相吻合[1-2]。
5结束语
地基雷达作为一种高精度、高频率的桥梁运营动态形变监测技术，相比传统的桥梁变形监测方法，无需在桥梁上安装任何装置，且设站灵活，大大提高了监测效率，节约了成本。为我国高铁桥梁运营性能检测参数提供了一种新的测量方法。
参考文献：
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[7]孟鑫，刘鹏辉，姚京川，等.高速铁路32m简支箱梁动力特性试验分析[J].铁道建筑，2016（1）：10-15.
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