毫米波雷達在智慧橋梁監測中的應用研究

為了驗證毫米波雷達在橋梁監測領域的應用可靠性，文章基于毫米波雷達技術，以一座跨徑為80 m的系桿拱橋為例，對其運營期間的動撓度和基頻實施了智慧化的在線監測分析，并通過對毫米波雷達與光電撓度儀在動撓度測試方面的對比，證實了毫米波雷達在監測橋梁動撓度和基頻方面的結果是準確可靠的。研究成果可為同類工程提供參考。

智慧橋梁；毫米波雷達；動撓度；基頻監測

U446.2A481522

作者簡介：

方志江（1970—），碩士，主要從事高速公路養護營運管理、企業經營、國企改革等方面工作。

0" 引言

隨著城市基礎設施建設的不斷推進，橋梁作為交通網絡的重要組成部分，其安全性和穩定性日益受到社會各界的廣泛關注［1］。傳統的橋梁監測方法雖然在一定程度上能夠保障橋梁的安全，但受限于技術條件，往往存在監測精度不高、實時性不強等問題［2］。在此背景下，探索和應用新技術以提高橋梁監測的智能化水平顯得尤為重要。毫米波雷達技術以其高精度、高分辨率和強實時性的特點，近年來在多個領域展現了出色的應用效果。在智慧橋梁監測領域，毫米波雷達技術的引入無疑為橋梁安全監測帶來了新的突破點［3］。該技術能夠通過發射和接收毫米波信號，對橋梁的結構狀態進行實時監測，及時發現潛在的安全隱患。本研究旨在深入探討毫米波雷達在智慧橋梁監測中的應用，通過詳細分析毫米波雷達的工作原理、技術特點和在橋梁監測中的具體應用案例，期望能夠全面評估其在實際工程中的性能表現，為該技術的進一步推廣和應用提供理論基礎和實踐指導，為保障橋梁安全、提升交通基礎設施管理水平貢獻力量。

1" 毫米波雷達技術概述

毫米波雷達在智慧橋梁動態撓度監測中扮演著至關重要的角色。隨著橋梁結構的日益復雜和交通流量的不斷增長，對橋梁的動態性能進行實時監測顯得尤為重要。毫米波雷達技術以其高精度、高分辨率以及實時性強的特點，成為智慧橋梁動態撓度監測的理想選擇［4］。

毫米波雷達通過發射和接收毫米波信號，能夠實時監測橋梁在各種荷載作用下的動態響應。其工作原理是：雷達發射的毫米波信號遇到橋梁結構后產生回波，通過接收并分析這些回波信號，可以精確地獲取橋梁的動態撓度信息。這種非接觸式的測量方法不僅避免了傳統監測方法中需要在橋梁上安裝大量傳感器的繁瑣過程，還大大提高了監測的效率和精度。

在智慧橋梁動態撓度監測中，毫米波雷達技術能夠實時監測橋梁的振動情況，及時發現橋梁的異常情況，如

振幅過大、頻率異常等。這些數據不僅可以用于評估橋梁的安全性能，還可以為橋梁的維護和管理提供科學依據［5］。此外，毫米波雷達還可以與其他傳感器技術相結合，形成一個完整的橋梁健康監測系統，為橋梁的安全運營提供全方位的保障。

總之，毫米波雷達在智慧橋梁動態撓度監測中具有顯著的優勢和廣闊的應用前景。隨著技術的不斷進步和創新，毫米波雷達將在未來橋梁安全監測領域發揮更加重要的作用，為保障橋梁的安全運營提供有力的技術支持。

2" 工程概況

本文以一座跨徑為80 m的系桿拱橋為具體案例（詳見下頁圖1），全面深入地探討毫米波雷達在橋梁智慧化在線監測領域的實際應用。該橋梁不僅具有顯著的結構特點，還承載著重要的交通功能，因此對其安全性能的實時監測顯得尤為重要。

為了提升橋梁監測的精準度和實時性，引入了毫米波雷達技術。毫米波雷達以其高精度、長距離、非接觸式的測量優勢，在橋梁健康監測領域展現出巨大的潛力。在本次研究中，采用毫米波雷達對該系桿拱橋進行動撓度的實時監測［6］。這一技術的應用，不僅克服了傳統監測方法中的諸多限制，更實現了對橋梁動態性能的連續、高精度捕捉。除了動撓度監測外，本研究還進一步利用毫米波雷達采集到的高頻動撓度數據，進行了結構基頻的計算與分析。結構基頻是評估橋梁動力特性的重要參數，它直接反映了橋梁結構的整體剛度和質量分布。通過對這些數據的深入挖掘和分析，能夠更加準確地掌握橋梁的實時狀態，及時發現潛在的安全隱患，為橋梁的維護和管理提供科學決策依據。

基于此，本文通過實例研究，充分展示了毫米波雷達在橋梁智慧化在線監測中的卓越性能和廣闊應用前景。隨著技術的不斷進步和創新，毫米波雷達將在未來橋梁安全監測領域發揮更加重要的作用。

毫米波雷達在智慧橋梁監測中的應用研究/方志江

3" 基于豎向位移的毫米波雷達測量原理

以本研究案例為基礎，毫米波雷達在本案例地段利用毫米波段的電磁波進行工作（詳見圖2）。毫米波雷達豎向位移測量原理主要是基于雷達發射與接收的電磁波信號進行高精度測量。毫米波雷達通過射頻前端發射特定頻率的毫米波，當這些波遇到目標物體時會產生回波。雷達系統接收并分析這些回波信號，通過對比發射波與回波的相位差異，可以精確計算出目標物體在豎直方向上的位移變化［7］。這種測量方法具有高精度、高分辨率的特點，能夠實時監測目標物體的微小位移，因此在橋梁、建筑等結構的健康監測領域具有廣泛的應用前景。毫米波雷達豎向位移測量技術為結構安全監測提供了一種新的有效手段，可及時發現潛在的安全隱患，保障公共基礎設施的穩定運行。

4" 監測橋梁動態撓度

4.1" 設置測點

本文案例所研究的系桿拱橋的設計獨具特色，其計算跨徑達到了80 m，而橋面的寬度也有23 m，充分展示了現代橋梁工程的壯觀與精巧。橋梁的上部結構選用了下承式鋼筋混凝土系梁拱橋設計，這種結構不僅堅固耐用，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，每一部分都經過精心設計，共同構成了這座宏偉的橋梁。

為了準確評估橋梁在車輛荷載作用下的性能，本研究采用Midas Civil軟件進行建模計算。經過精密的分析，發現橋梁在車輛荷載的作用下，其最大位移會出現在橋跨的四分點處（詳見圖3）。這一發現為橋梁的安全運營提供了重要依據，同時也為后續的維護和加固工作指明了方向。

4.2" 有限元測試結果分析

在本案例的實際測試中，在某一特定時間段，選取了

一輛重車通過橋梁的時刻進行動撓度測試。為了驗證毫米波雷達的準確性，同時使用了光電撓度儀進行測試對比（詳見圖4、圖5）。

對于A號測點，毫米波雷達的測試數據顯示，動撓度的峰值為1.47 mm。與此同時，光電撓度儀在同一測點的測試峰值則為1.54 mm。可以看出，兩者的測試結果非常接近，僅在毫米級別上略有差異。

對于B號測點，毫米波雷達的測試峰值達到了1.49 mm，而光電撓度儀的測試峰值則是1.43 mm。這兩個數值之間的微小差異再次證明了毫米波雷達在動撓度測試中的高精度和可靠性。

通過對比兩個測點的數據能夠清晰看到，毫米波雷達與光電撓度儀在動撓度測試中的一致性，這進一步驗證了毫米波雷達在橋梁監測中的準確性和實用性。

4.3" 測試小結

本次案例針對測試毫米波雷達和光電撓度儀進行了測試對比分析（詳見后頁表1）。由表1可以看出，兩種測試結果在AB點的數值基本相差不大，其誤差最大為5%，由此可以看出，毫米波雷達的撓度測試具有一定的準確性。

5" 結語

利用毫米波雷達對實際工程案例橋進行了動撓度監測及有限元分析后，本研究深入分析了所得數據，并與其他非在線測量技術進行了詳細的對比。經過嚴格的比對和分析，得出以下結論：

（1）毫米波雷達在監測橋梁動撓度與結構基頻方面表現出色。與現有的其他非在線測量技術相比，毫米波雷達提供的數據是準確可靠的，這無疑為橋梁安全評估提供了強有力的數據支持。

（2）毫米波雷達具有多測點同時采集與傳輸的優越能力。這一特點使其在大型橋梁的多個關鍵部位進行同步監測成為可能。同時，毫米波雷達的安裝過程簡便快捷，大大降低了監測工作的復雜性和成本，預示著其在橋梁智慧化監測領域將具有廣泛的應用前景。

（3）毫米波雷達在環境適應性方面也展現出了顯著的優勢。無論是光線變化、灰塵積累，還是煙霧等惡劣環境，毫米波雷達都能保持穩定的工作狀態，實現真正意義上的全天候監測，這一點對于確保橋梁在各種天氣條件下的安全運營至關重要。

［1］劉" 越，龍金喜，莢瑞馨，等.移動荷載作用下簡支梁橋撓度沖擊系數的數值計算與試驗驗證［J/OL］.北京工業大學學報，http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2286.t.20240604.1629.004.html，2024-06-05.

［2］周青松，秦明霞.毫米波雷達在橋梁智慧化監測中的應用研究［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方法研究［C］.第四屆全國在役橋梁安全運營保障技術大會論文集，2023.

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

［5］顧思思，常世新，韓明敏，等.毫米波雷達數據驅動的橋梁撓度預測［J］.科學技術與工程，2023，23（11）：4 874-4 880.

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

［7］蔡長霖.基于毫米波雷達的車輛分類識別與跟蹤技術研究［D］.太原：中北大學，2022.

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