浅谈高层建筑动态监测中微波干涉测量的使用

甘其利

摘要：微波干涉测量技术可以进行整体监测,而且精度高、采样的频率快、采用非接触式测量法,优点众多,目前被广泛应用于高层建筑的动态特性监测中。本文就高层建筑动态监测的微波干涉测量的使用做简要的探讨,以期对该事业做出一些贡献。

关键词：动态监测；高层建筑；微波干涉测量；

1引言

随着时代的发展,社会的进步,建筑物的高度也日渐增加,随着高度增加而带来的安全性问题也越来越被社会所关注。现在我国高层建筑越来越多,建筑的结构也较之以前更加复杂,也更加的高,高层建筑的安全性也愈加受到重视。高层建筑的结构较易受到天气的影响,雪荷载、风荷载、地震等的自然问题是较容易使高层建筑出现变形现象的,这种情况不单单是对高层建筑的使用功能有直接的影响,更有可能令高层建筑的结构性能留下潜在的安全隐患。因此,动态的监测高层建筑的振幅、振动频率等等动态特性是势在必行的,这样可以更加及时的发现建筑结构的受损部位,保证高层建筑可以稳定、安全的工作运行。

2微波干涉测量

微波干涉测量技术也称为ISBS-S技术,它是一类目前应用比较广泛的远程监测系统,将干涉测量技术和步进频率连续波技术两种技术集成于一体。微波干涉测量技术是意大利IDS公司和意大利佛罗伦萨大学共同努力,耗时六年研究出的成果,它的动态监测标称精度达0.01mm,测量的距离最大能够实现1000m,另外,它还有达到50cm的距离分辨率。微波干涉测量技术具有易于人工操作、控制能力强、处理能力强、易于安装、不易被天气影响、可以24h全程实时监测的特点,应用较为广泛。

2.1干涉测量技术

干涉测量技术工作原理:目标位移的变化情况是通过测量接收的电磁波和发射的电磁波两者之间的相位差来确定的,然后与相位差Ф对照,就可以得到目标径向变形量d;列公式,如下:

微波干涉测量技术可以大范围的、远距离的、24h实时监测目标区域,还能够完成高精度监测的任务。除此之外,该技术还能够在不安装传感器或是光学目标于目标附近的前提下,实现远距离观测的目的。

2.2步进频率连续波技术

SF-CW技术即步进频率连续波技术,该技术系统可在同一时间向外射出n个电磁波,其发射的步进频率也不尽相同。步进频率连续波技术可以长距离的传输电磁波,还可以使距离向分辨率Δr达到最高值,如公式所示:

B即系统带宽;c代表光速。一般来说,B为GHz的时候,它的距离分辨率Δr=0.5m。

2.3微波干涉测量技术测量精度

2.3.1理论精度

此技术能够测量的最小的变形量dmin=-λ/4π(Ф2-Ф1),λ是波长;Ф2-Ф1是微波干涉测量技术的可以分辨的最小相位差。

我们从计算公式中算得该技术可测得的最小变形量是0.000068mm。在实际应用中还会出现许多干扰因素,所以在动态时,该技术的标称精度为0.01mm。静态时是0.1mm。

2.3.2实际精度

把微波干涉测量技术系统安装在试验地点,在系统的附近20m设置一个待监测的目标,对目标开始模拟变形。同一时间,目标的变形量使用0.02mm精度的游标卡尺实现精确调节,然后对比微波干涉测量技术的测量变形值和调节的数值。每一次的测试重复2~5次,以保证试验的准确性。表1就是试验测量得出的结果。

表1精度测试的结果

3案例分析

某高层建筑由悬臂、裙楼以及两个塔楼组成,其高度234m,该高层建筑主体结构是钢结构,主要的建材为钢材,总共12万t的用钢量。其两个塔楼的地上层数是49和52层,6°的双向倾斜角度,向外悬挑的那个楼层都是第37层,形成的悬臂有14层高,一号塔楼的悬臂部分的外伸67.165m长,二号塔楼悬臂部分外伸75.165m长。

试验应用环境激励法,该高层建筑的变形量作为输出响应,多种的环境影响作为输入信号,然后,经过分析其建筑物的结构频谱来得到振动特性。这样的试验方法(环境激励法)不会对该建筑物的正常施工产生影响,也不用额外的准备过多的设备。但由于这种方法激发的只是低阶的振型,对于该建筑物的高阶振型极难能获取到。为了取得该高层建筑更为准确的原始振动信号,采样频率一般为4~5倍的最高自振频率,因为采取的环境激励法只能采集到低阶振型的振动特性,实验人员为了更好更准确的采集数据,应把微波干涉测量系统的采样频率定在40Hz。因为该建筑物的悬臂是空悬的,对它的安全性能评估是必不可少的,该测量系统要安装在悬臂的正下方向,必须要瞄准好悬臂,借此设置了监测点。最后,能够得到微波干涉测量系统获取的干涉图,因该系统固定在地面上,它的基线和地平面是一致的,因此可设置成0,所得的干涉图上的相位信息并不含有该高层建筑的形状信息,能得到的只是误差以及变形信息。公式如下:

与该系统配套的SW软件可做后续的数据处理,可算出悬臂吊的速度、加速度以及变形的数据。图1~3分别是微波干涉测量系统在监测点收集到的变形、速度和加速度的数据曲线。

图1收集的变形曲线

图2速度曲线

图3加速度曲线

根据以上的曲线我们可以发现,这次试验所得出的最大变形值是0.39mm,它的标准差是0.08mm,这主要是因为选用的环境激励法的输入信号是多种环境因素影响,它们造成的输入信号较小,使得输出信号的数值也较小。因此,这次的试验是准确、有效的,能够达到高质量的检测结果。频谱分析主要是为了经傅里叶变换把本来比较复杂的信号变为多个都是单一向的谐波分量,然后得到信号的相位、频率以及谐波的信息,图4就是监测到的频谱图。

图4频谱图

根据图四频谱图可以知道,该监测点的最小频率是0.2Hz,最大频率达1.2Hz,达到的最高振型为第三阶振型,其振动的频率达赫兹。然后是第二阶振型的振动频率是0.322Hz。最后第一阶振型则是0.239Hz的振动频率。

4结束语

随着时代的进步,社会的发展以及土地资源的紧缺,高层建筑已是未来的主流。目前,我国的高层建筑越来越多,越来越高,高层建筑的安全性问题也是备受关注的问题。高层建筑较容易被环境因素所影响其使用功能以及内部结构的稳定性,一种合适的实时的监测方法有助于问题的解决。因此,微波干涉测量技术动态监测高层建筑系统便应运而生。微波干涉测量技术精度高、不接触式监测,24h实时监测等等特点使得它能够胜任这项严峻的工作,有了该技术的实时监测不仅使得对高层建筑的安全性、稳定性信息有了及时逇掌握,也令得人们更加的放心,更加的安全。

参考文献

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[2]俞一彪,孙兵.数字信号处理:理论与应用[M].南京:东南大学出版社,2005.