2019创新项目推广
目录
主要技术特点描述
1.1国内外技术发展现状∶
轨道交通设施检测技术是一门正在发展的新兴学科，它融试验检测技术基本理论和基本技能以及桥梁、隧道、路基、轨道等相关学科知识于与一体，同时涉及自动化技术、计算机技术等，可为工程设计、工程质量控制、竣工验收评定、管理维护、养护管理决策提供重要的技术保证。轨道交通设施包括普通铁路、高速铁路、城市地铁、轻轨及其它有轨交通设施。
桥梁荷载试验是轨道交通设施检测内容的一个重要方面，主要包括自振频率、位移形变、静载试验（含偏载）、动载试验（含救援）等方面。荷载试验最基本的目的是了解桥梁结构的实际工作状态，检验桥梁结构整体的施工质量与受力性能，对桥梁结构的正常使用性能、强度、刚度、裂缝等各项指标做出全面的评价，并对桥梁结构的实际承载能力做出科学的评估，为桥梁交（竣）工验收提供重要的科学依据以及为桥梁的管养维护提供合理的建议。
桥梁荷载试验的必要性主要分为以下几种情况：
对于新建桥梁，通过荷载试验检验桥跨结构的设计与施工质量，确定工程的可靠性，为桥梁顺利的投入运营提供可靠依据，同时为桥梁的长期监测提供完整的初始指纹数据，也为同类型桥梁设计与施工积累实测试验资料。
对于采用新结构、新材料、新技术、新工艺等修建的桥梁，尚有许多需要检验与校正（诸如结构的材料性能、力学响应等）以及尚未明朗或模糊的地方（如计算模型与实际结构之间的差距等），通过桥梁荷载试验可以直接测得理论分析与计算所需的相关参数，建立准确的力学模式，掌握桥梁结构在荷载作用下的实际受力和工作状况，探索桥梁结构的受力特点，为充实、完善和发展桥梁设计计算理论和施工工艺积累科学的实践资料。
对于大跨度、复杂结构的桥梁，桥梁荷载试验还是对新建桥梁，特别是大跨度、复杂结构的桥梁交（竣）工验收和质量评定的重要手段。通过荷载试验可以检验桥梁的施工质量与结构受力性能，确定桥梁的实际运营状况和使用条件，为竣工验收、投入运营使用提供科学的依据。
对于既有桥梁，特别是修建时间较长、已无法查找到原设计、施工和竣工资料的桥梁，通过荷载试验可以评估桥梁实际的使用性能和承载能力，为既有桥梁的继续安全使用、养护、加固、改建或限载提供科学的依据。
传统的桥梁长期健康检测/监测技术手段主要包括位移挠度计、全站仪、光电挠度仪、差分GPS和光纤应变计等，这些传统的检测手段存在组建成本高、全天候全天时适应性差、多点连续测量能力低等应用局限性。随着日益增长的应用需求，形变检测技术也向着精细化、自动化、智能化的方向发展，而基于差分干涉雷达技术的远程桥梁形变检测雷达正是近年来出现的新型形变检测技术手段。
自2005年来，国外有许多研究机构开展了远程桥梁形变检测雷达技术及应用方面的研究，包括欧盟综合研究中心、意大利佛罗伦萨大学、西班牙卡特伦亚大学、荷兰代尔夫特大学、英国的谢菲尔德大学等，但这些研究机构的主要是基础理论的研究，除了一些原理验证试验平台，并未向产品转化。
国外主要的形变雷达产品有意大利IDS（Ingegneria Dei Sistemi SpA）公司的IBIS-FS雷达。雷达采用步进频率信号和线性调频信号，具有较大的信号带宽，可以获得高的距离分分辨率，通过相位差分测量可获得0.1mm的形变测量精度。通过大量的实地试验，证明该技术无论在性能上还是使用上，在与压力计、振动计、全站仪等传统设备的测量结果对比中，都表现出了显著优势。但是也应该看到，由于进口设备价格昂贵、用户使用体验还不理想，在产品的使用性、改进性方面受到极大的限制，不能很好满足我国桥梁管理养护部门的实际应用。
国内，多所高等院校、科研机构、及企业单位都开展了差分干涉测量雷达方面的研究。但目前研究力量主要集中于边坡、大坝等面目标的形变监测，其中北京城建勘测设计研究院有限责任公司和北京捷奥斯地质勘查有限公司除了上述雷达的研究外，还针对桥梁、高层建筑等线目标形变监测开展了研究，在雷达设备、软件系统等方面做了大量的技术攻关，并结合实际桥梁进行了丰富的试验工作，取得了显著的成果。需要指出的是，面目标形变监测的难度是大场景下极缓慢形变（往往小于若干毫米/年）的测量，而线目标形变监测的难度主要是快速高动态形变（振动频率可能高达10Hz以上）的测量，因此其指标要求、难点和关键技术完全不同，目前北京捷奥斯地质勘查有限公司推出的桥梁微波形变雷达技术填补了国内这方面的空白。
关键技术内容及技术路线
2.1 形变雷达原理
微波形变雷达检测系统是一种基于微波干涉技术的创新雷达，微波形变雷达不需要与观测目标区域有直接接触，受云雾阴雨等气象条件、恶劣环境的影响较小，并且在时域和空域均具有较高的采样率。相对于其它桥梁测量手段的主要优势之一为测量效率高，能够同时对桥上的多个观测点进行测量，实现多点测量要求雷达发射超宽带微波信号并采用脉冲压缩技术实现对桥梁多个散射点进行空间区分。
雷达常用的宽带信号波形包括：相位编码信号、线性调频信号、调频步进信号和步进频率信号等，这些信号均具有较长的持续时间，需要通过距离压缩技术将其处理成窄脉冲形式，从而实现更优的目标分辨能力。系统根据功耗、尺寸和作用距离，本系统优选线性调频连续波信号（LFMCW）作为发射波形，其脉冲压缩原理：
雷达频率随时间线性变化的信号波形，雷达接收到信号后进行混频、滤波和采样处理，提取每一个频率点上回波的振幅和相位，相当于雷达在频域上提取了目标的幅频响应，最后通过逆傅里叶变换即可重构出了目标的响应，可以发现原本持续时间较长的波形已经被压缩成一个很窄的脉冲，因此能够较好地分辨相隔很近的目标。
相位干涉测量方法使用两幅或多幅合成孔径雷达图像，这些图像对应于不同时刻对相同检测区域的重复观测，根据雷达接收到的回波的相位差反演生成目标形变图，该形变图表示了目标在雷达视线方向的位移大小，信息处理软件可以根据目标的相对视角和先验信息估计出目标的真实形变（位移）大小。利用干涉相位反演目标位移的原理如图2所示。
2.2 形变雷达桥梁荷载试验过程
桥梁荷载试验的基本原理，按照评价荷载效应对结构施加荷载，同时量测结构控制界面的位移、应变（应力）和约束力、振动频率等力学性能，将实测值与计算值及规范限制进行比较，来判断承载能力是否满足评价荷载，是一种直观的可靠方法。
荷载试验方案一般包括测试测试截面、试验工况、测试内容、试验荷载、测点布置、试验过程控制和试验数据分析等内容，其中测试截面的选择时，通常根据桥梁结构的内力包络图，并考虑应力分布，按照最不利受力原则选定截面，然后拟定相应的试验工况。
以上的步骤简要概述如下：
a) 根据桥梁试验工况，确定角反射器的安装位置，并进行安装；
b) 在保证通视的情况下，在桥梁周边选定一个位置通过三脚架架设形变雷达设备，并调整好雷达的仰角；
c) 根据角反射器在雷达上面的回波，确定测点，并把测点设置到雷达中，便于雷达锁定；
d) 根据静态荷载和动态荷载的不同作业模式，进行数据测量；
e) 根据接收到的数据，进行各项数据处理，得到需要的指标数据。
现场试验示意图如下：
2.3 形变雷达桥梁索力试验过程
桥梁索力试验的基本原理，在一定条件下索股拉力与索的振动频率存在对应的关系，在已知索的长度、分布质量及抗弯强度时，可通过索股的振动频率计算索的拉力。
索力测试时采用随机环境激励的测量方法，采集索在环境激励下的振动信号，当测试系统不够灵敏时，可采用人工激励的方式，频谱分析一般采用自谱分析方法，在分析中应该判断自振评率的阶次及漏频，可根据实测的多节自振频率中相邻阶的频率差值来判断，如果各相邻的频率差值近似相等，且和测得的第1阶频率接近时，不存在漏频现象，这时的频率差值或者频率差值的均值就是计算所需的基频，然后根据基于基频的索力计算方法计算索力。
基于形变雷达的桥梁索力试验流程由于无需部署角反射器，整个作业流程较为简洁，以上的步骤简要概述如下：
a) 在保证能够通视每根索的地方架设形变雷达（位置不限，桥上桥侧都可以）；
b) 进行桥梁索的雷达回波预览，根据波峰选定每根索，并把信息设置进雷达中；
c) 开启5分钟的自动测量；
d) 软件自动根据索的振动位移数据（时域数据），进行傅里叶变化得到振动频率，从而得到振动基频；
e) 根据每根索的索长、索抗弯刚度、索线密度，结合索力计算公式，得到索力。
现场试验示意图如下：
2.4主要技术特点和创新点
功能全面：涵盖轨道交通桥梁的静载、动载、形变位移、振动频率、索力、振幅等方面的试验检测；
精度高：数据更新率高、测量灵敏度高；
快捷方便：非接触、部署时间短、使用成本低，不影响轨道交通的正常运营；
效率高：可一次性对桥梁多点或多跨进行测量、软硬件操作简单方便；
环境适应性：不受雨、雪、雾等天气和白天、黑夜等光照条件影响，可全天时、全天候工作；
性价比高：具有完全的自主知识产权，售价约为国外产品的1/4~1/3左右。
2.5本项目可行性分析
基于微波形变雷达的桥梁测试分析系统经过几年的技术研发和积累，在技术上已经相当成熟，并且根据测试目的、检测、监测的不同要求，产品实现了系列化。
具有完全的自主知识产权，避免了国外类似设备价格昂贵、技术支持不及时，不能有效的进行系统的二次开发的弊端。
在铁路桥梁、公路桥梁、高铁高架桥方面进行了大量的试验，和传统各项桥梁检测、监测设备和仪器做了丰富的比对试验，保证了测量结果的准确性和精确性。
2.6 相关规程规范
（1）《城市轨道交通桥梁设计规范》(GB/T 51234-2017)；
（2）《铁路桥梁检定规范》(铁运函[2004] 120号)；
（3）《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1-2005)；
（4）《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)；
（5）《城市桥梁检测与评定技术规范》(CJJ/T 233-2015)；
在以上公路桥梁、铁路桥梁、城市桥梁、轨道交通桥梁的规范规程中，对桥梁的静载、动载、位移形变都有明确的规定，但目前还没有专门针对轨道交通桥梁荷载的试验规程，所以目前的试验规程主要参考铁路桥梁和公路桥梁的相关试验规程。
在环保、节能、创新方面的指标
本技术为非接触式试验、监测技术，创新性的将先进雷达遥感技术应用于桥梁工程测量和健康监测领域，为桥梁的健康监测提供了有别于传统监测技术的技术路线。部署安装简单灵活、现场作业工作量小、安全性好，维护成本低，在大规模应用时，可有效降低作业的强度，节省大量的人力物力和资金成本。能够很方便实现“多桥一系统”的管理方式，实时掌控每座桥梁的健康状况，进行历史数据的对比分析。
主要技术特点和创新点
本项目主要技术特点和创新点如下所示：
1) 创新性的将先进雷达遥感技术应用于桥梁工程测量和健康监测领域，为桥梁的健康监测提供了有别于传统监测技术的技术路线。
2) 与现有常规技术手段相比，具有测量精度高、全天时工作、不受雨雪雾等气候影响，同时部署安装简单灵活、现场作业工作量小、安全性好，维护成本低，在大规模应用时，可有效降低作业的强度，节省大量的人力物力和资金成本。
3) 建立起一套完整的基于微波形变雷达的桥梁健康监测系统，包括传感器、数据通讯模块、工作软件及监测平台，实现从数据采集、数据传输到数据分析处理完整的一个流程。
4) 可进行多项桥梁试验检测，包括位移实时检测、静挠度测试、动挠度测试、索力测试、桥梁结构基频测试等，具有精度高、作业简便、使用成本低等优点。
技术成果评价、取得专利、是否编制技术规范标准等情况说明
本项目目前已申请多项专利和软件著作权，在公路桥梁方面，已着手参与编制相应的技术规范。
成果应用情况说明
6.1使用效果评价
目前已经在北京、湖南、湖北、浙江、海南、广西、安徽等多个省会的公路桥梁、铁路桥梁、高铁高架桥等开展试验应用。具体部分应用如下（其中的部分试验内容还包括位移、振幅和振动频率）：
浙江舟山富翅门大桥斜拉桥——拉索
安徽望东长江大桥试验——拉索
北京市上地斜拉桥试验——拉索
沪昆高铁长沙联络段斜拉桥试验——拉索、动载
海南岛环岛高铁试验——动载
长沙洪山公路桥拉索试验——拉索
长沙磁悬浮线浏阳河大桥试验——动载、静载
长沙沙河大桥比对试验——动载、静载
广西省柳州市象州二桥试验——动载、静载
武汉市月湖桥（江汉四桥）试验——拉索
武汉长江二桥试验——拉索
武汉二七长江大桥试验——拉索
武汉天兴洲长江大桥试验——拉索
武汉白沙洲长江大桥试验——拉索
湖北省十堰市郧阳汉江大桥试验——拉索
湖北省仙桃市仙桃汉江大桥试验——拉索
通过这些应用反映出微波形变雷达在桥梁健康检测中具有许多突出优点，如精度高，数据更新率高，因此测量灵敏度极高；通常无需在被测体上部署标靶，使用快捷方便，部署时间短，使用成本低；可一次性对桥梁多点或多跨进行测量，测量效率更高，数据相关性更好；环境适应性好，不受雨、雪、雾等天气和白天、黑夜等光照条件影响，可全天时、全天候工作；可直接获得实时位移数据等。
6.2 市场需求分析
截至2018年年底，我国(不含港澳台)共有35个城市开通城市轨道交通运营线路185条，运营线路总长度5761.4公里。拥有4条及以上运营线路，且换乘站3座及以上，实现网络化运营的城市有16个。地铁运营线路4354.3公里，其他制式城轨交通运营线路1407.1公里。当年新增运营线路长度728.7公里。“十三五”以来，累计新增运营线路长度2143.4公里。
其中，轻轨、单轨、地铁高架线具不完全统计，运营里程接近950公里。目前已运营的城市轨道交通高架线并没有像公路、铁路桥梁那样形成定期检测振幅和振动频率。随着社会发展和进步，城市轨道交通高架线开展定期检测是大势所趋，预计未来5年内市场检测规模将高达100亿元。
6.3 与国内外同类产品或技术的竞争力分析，成果产业化前景分析
国外，同类型的形变测量雷达仅有意大利IDS公司的IBIS-FS，于2010年研发成功，2012年进入中国市场，已经在欧盟、美国、澳大利亚等多个桥梁测量中获得成功应用，技术指标较先进，但在国内售价高达数百万元，且不支持二次开发，制约了该技术在国内的应用。
国内，多所高等院校、科研机构、及企业单位都开展了差分干涉测量雷达方面的研究。但目前研究力量主要集中于边坡、大坝等面目标的形变监测，其中北京捷奥斯地质勘查有限公司除了上述雷达的研究外，还针对桥梁、高层建筑等线目标形变监测开展了研究，在雷达设备、软件系统等方面做了大量的技术攻关，并结合实际桥梁进行了丰富的试验工作，取得了显著的成果。需要指出的是，面目标形变监测的难度是大场景下极缓慢形变（往往小于若干毫米/年）的测量，而线目标形变监测的难度主要是快速高动态形变（振动频率可能高达10Hz以上）的测量，因此其指标要求、难点和关键技术完全不同，目前北京捷奥斯地质勘查有限公司推出的桥梁微波形变雷达技术填补了国内这方面的空白。
桥梁微波形变雷达相对传统的技术手段具有相当大的优势，具有极强的竞争力，具体比对效果如下
桥梁形变雷达具有以下突出功能：
桥梁索力测试
桥梁位移形变实时监测
桥梁静挠度测试
桥梁动挠度测试
桥梁振幅、自振频率监测
桥梁形变雷达大幅优于现有主要技术手段的优点如下：
精度高：数据更新率高，因此测量灵敏度极高；
快捷方便：无需进行繁琐的前期准备，部署时间短，使用成本低；
效率高：可一次性对桥梁多点或多跨进行测量，软硬件操作简单方便；
环境适应性好：不受雨、雪、雾等天气和白天、黑夜等光照条件影响，可全天时、全天候工作；
性价比高：本产品售价约为国外产品的1/4~1/3左右（意大利IDS公司的同类产品售价高达240万元/套）。
随着改革开放以来经济的快速发展，国内的交通网络在不断的丰富、完善，桥梁建设迎来了建设的黄金时代。桥梁不仅在公路交通运输中发挥着至关重要的作用，而且在轨道交通架设过程中具有不可替代的地位。因为国内桥梁现代化建设起步时间较晚，因而大部分桥梁结构强度仍处在合理的范围内，尚未出现结构疲劳，然而随着时间的迁移，桥梁结构的健康问题将会凸显出来。如何做到结构隐患早发现，早排除，这不仅关系到人民群众的生命财产安全，而且还能为业主挽回巨大的财产损失。因此，对于桥梁形变雷达这一新型的桥梁检测/监测技术手段是一个巨大的市场机遇，具有广阔的市场前景。
经济效益和社会效益评价
本项目自主研究了国产形变雷达，并进行了一系列应用与验证，取得了良好效果。国产雷达相对于国外雷达具有价格优势、软件便捷等特点，是国产替代的典型代表，未来的市场规模接近100个亿。
本项目在城市轨道交通领域的积极推广，必将为高架段城市轨道交通的结构安全提供技术保障，确保人民群众轨道交通出行的生命财产安全。
成果照片
（内容来自中国土木工程学会轨道交通分会，如有转载请标明出处）
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