无接触式微波测量方法的研究与应用

方显华

安徽省高速公路路政支队，安徽 合肥 230022

斜拉索是矮塔斜拉桥的重要组成构件，可以协助墩柱等下部结构承载荷载。矮塔斜拉桥在建设过程中由于施工方法不恰当、张拉设备不精确等问题，导致索力不合格问题时有发生，索力未张拉到设计值和超张拉均会导致结构构件受力不合理，最终影响结构寿命。因此，施工过程中斜拉索的实时监控变得尤为重要。斜拉索索力的测量属于工程界的一个难题，逐渐成为研究热点。目前索力监测的测定方法主要有压力传感器法、压力表法、磁通量法、振动频率法等。其中，压力传感器法测量索力值在一定范围内具有局限性，该方法所测得的是索头张力，不能代表整索的实际索力；压力表法虽简单易行，但无法进行高频次的检测；磁通量法使用不方便，必须在拉索中事先安好磁通量传感器后，才能进行拉索索力测试；振动频率测定法是目前国内最常用的方法，其原理是在拉索的底端位置处固定加速度计，通过一定的技术手段将拉索振动的加速度换算为振动频率，该方法也存在一定的局限性，如效率低下、测量值不准确、受温度等外界环境的影响较大。基于此，文章依托实际工程项目，探索无接触式微波测索力技术，并研究其在索力测量中的应用，具有一定的现实意义。

1 项目概况

S327临泉泉河大桥及接线工程由南向北延伸，从临泉县城关镇程湾村于谢湾村中间穿过，跨越泉河大桥后于界首市砖集镇荣庄村东部穿过，终点衔接S237界首段，实施路段全长2.14km。S327临泉泉河大桥接线道路按一级公路建设，设计速度采用80km/h标准建设。主桥为跨径170m的双塔单索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，一共采用44根平行钢绞线斜拉索，斜拉索锚固在梁上，穿过桥塔而不锚固在桥塔上，桥宽32m，双向六车道，桥涵设计荷载采用公路-I级。

2 测量方法工作原理

无接触式微波测量方法主要依赖干涉测量技术和调频连续波技术两项核心技术，融合相位干涉测量、基频提取、宽带信号脉冲压缩和目标检测等技术，实现了远程遥感测量索力，并具有测试数据稳定、抗干扰能力强等优点。

微变形雷达为该测量方法的核心部分，主要包括脚架、计算机控制单元和雷达控制单元三大组成部分。具体工作原理如下：将雷达控制单元安装固定在脚架上，通过脚架上的3D旋转头实现全方位雷达监测，同时雷达控制单元配有2根喇叭天线，分别用于传输与接收电磁波信号。使用时与测量对象保持一个固定距离，先发射微波信号，通过接收反射后的微波信号，计算相位差，以相邻2次微波信号相位差测量拉索或吊杆的振动位移。利用上述方法测得拉索一段时间内的振动位移后，绘制相应的振动位移时程曲线，通过傅里叶变换对振动位移时程曲线处理得出该拉索的振动频率，利用拉索的振动频率即可测定索力。在一定距离范围内，雷达发射的微波呈扇形分布，因此在扇形区域内可以实现多个测点同时测量多根拉索的索力。

综合上述非接触微波索力测量原理可以发现，拉索约束条件与确定索力的方法等有关。但是，短索频率测试相对困难，因为其受边界条件及安装在拉索上的阻尼器的影响。传统的振动测试方法则需要预先进行锤击激励后，方可测试拉索的振动频率，而无接触式微波索力测量法中放射的微波则可以透过PE护套，在传递至钢拉索后反射回接收器，测量结果相对比较准确、可靠。

3 无接触式微波测量方法的应用实例

采用非接触式微波测量方法对临泉S237大桥中跨和边跨靠近桥塔的8根斜拉索在施工阶段进行了索力测量。具体测量数据如表1所示。

表1 桥梁的斜拉索索力数据

测量结果显示，实测索力比设计索力小5%～20%，且中跨与边跨的索力不均匀，中跨索力比边跨索力大，索力张拉不满足设计要求。针对以上调研结果，从人、机、料、法、环、测六个方面分析了问题的原因。

（1）人为原因。现场技术人员在张拉平行钢绞线斜拉索时采用等值张拉法，随着每股钢绞线的张拉，桥梁结构均产生变形。主梁产生上挠、索塔产生压缩，斜拉索梁端锚点与塔端锚点的相对距离不断缩短，而后已张拉钢绞线的工作长度同步缩短，最终导致已张拉钢绞线所持索力不断变小；现场技术人员在最初一批平行钢绞线斜拉索施工时对斜拉索中的钢绞线仅进行了平均张拉，即每根钢绞线张拉力相等，未对钢绞线采用逐次超张拉的方法，造成钢绞线松弛，导致平行钢绞线斜拉索索力变小，且不均匀。

（2）机械设备原因。施工单位使用的机械设备过于老旧，在张拉钢绞线的过程中未对索力进行实时监测，使张拉力与设计索力不符。

（3）材料原因。收缩徐变是混凝土材料固有的时变特性，混凝土结构在钢绞线过程中势必存在收缩和徐变，从而对钢绞线索力值产生影响。

（4）工法原因。没有采用等值张拉法，导致后张拉的索影响了已经张拉的索，预拉值不够。

（5）环境影响。在施工过程中，由于温度的变化，主梁、主塔、斜拉索在不匀温度荷载下的变形量不一致，对钢绞线索力值产生了一定的影响。

（6）测试原因。测试设备的系统误差和偶然误差导致测量结果不准确；测试人员没有按照规定章程操作导致测量误差。

通过调查统计、观察、测量等方法对钢绞线斜拉索索力不均匀的原因进行分析和筛选，发现主要问题集中在测量方法方面。原有的测量采用的是传统的振动法测量，测量频率低，测量结果误差大，施工班组张拉完拉索之后未及时得到反馈数据进行补张拉就进行下一阶段的张拉，导致索力不合格。参考等值张拉基本理论，单根钢绞线张拉力主要由单根钢绞线设计索力和超张拉索力两部分组成。在平行钢绞线斜拉索等值张拉时，随着每股钢绞线的张拉，桥梁结构均产生变形。主梁产生上挠、索塔产生压缩，斜拉索梁端锚点与塔端锚点的相对距离不断缩短，已张拉钢绞线的工作长度同步缩短，导致已张拉钢绞线的所持索力不断变小。超张拉索力值是影响钢绞线最终张拉力的主要因素，也是张拉力计算的关键，更是保证斜拉索每股钢绞线所持索力的均匀性及张拉完成后总索力满足要求的原因之一。

为了解决索力测量不准确的问题，采用基于无接触微波测量方法的索拉张拉检测提升技术。对斜拉索进行高频监测，一方面可以及时了解索力损失大小，另一方面可以及时让工人补张拉索力。此外，施工单位应组织施工人员加强技术交底，提高现场作业能力，进行专业知识的培训考核，对施工中存在的问题及时发现、及时改正，以免影响后续施工。同时，实行奖惩制度，每月进行月度评比，对质量、责任意识强的人员进行奖励，对责任心不强的人员进行通报、批评。

在上述一系列措施的保障下，项目全部44根斜拉索张拉全部张拉到位，满足设计要求，提高了矮塔斜拉桥斜拉索张拉质量，降低了复工率，增加了企业的经济和社会效益。

4 结束语

文章针对施工过程中泉河大桥索力张拉不到位问题展开了调研分析，提出了基于无接触式微波索力测量方法的高频监测手段，实时反馈索力信息，及时提醒施工班组补张拉索力以达到设计标准值，为泉河大桥的结构安全和耐久性提供了保障。