結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中位移測(cè)試的若干新技術(shù)綜述

劉鳳

摘 要：位移測(cè)試是土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié)。隨著材料、測(cè)量、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)測(cè)試方法的局限性變得日益明顯，難以滿足結(jié)構(gòu)工程技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的需要，由此產(chǎn)生了一些新的位移測(cè)試技術(shù)。文章主要介紹了幾項(xiàng)當(dāng)前被廣泛研究和關(guān)注的新技術(shù)，包括工具式表面位移傳感器應(yīng)用技術(shù)、和數(shù)字圖像相結(jié)合的攝影測(cè)量技術(shù)以及分布式應(yīng)變測(cè)試技術(shù)。

關(guān)鍵詞：位移測(cè)試；工具式表面位移傳感器；攝影圖像技術(shù)；分布式位移測(cè)試技術(shù)

1 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的意義及類型

所謂工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是指通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)構(gòu)在各種作用下的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的工作性能、承載能力和安全度，為結(jié)構(gòu)的安全使用和相關(guān)理論的建立提供重要依據(jù)。這種實(shí)驗(yàn)以評(píng)定結(jié)構(gòu)性能作為最終目的，必須通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的試驗(yàn)，驗(yàn)證或修正分析方法，提出構(gòu)件的強(qiáng)度或變形公式。同時(shí)按整個(gè)試驗(yàn)?zāi)康牡囊?，確定試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目。測(cè)試項(xiàng)目主要是工程結(jié)構(gòu)在荷載的作用下的各種變形，主要分為兩類：一類是整體變形，反映結(jié)構(gòu)的整體工作狀況，如梁的撓度、轉(zhuǎn)角、支座偏移等；另一類是局部變形，反映結(jié)構(gòu)的局部狀況，如混凝土的位移、裂縫、鋼筋滑移等。

2 位移測(cè)試的原理及傳統(tǒng)方法的局限性

位移測(cè)試是結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中非常重要的試驗(yàn)內(nèi)容，通過(guò)測(cè)試結(jié)構(gòu)有關(guān)部位的位移，可以了解其在荷載作用下的應(yīng)力分布情況、內(nèi)力情況，從而了解結(jié)構(gòu)的性能和承載能力等。因此，一般情況下結(jié)構(gòu)試驗(yàn)都要進(jìn)行位移測(cè)試。下面就目前常見(jiàn)的幾種位移測(cè)試的優(yōu)劣作一比較。

（1）手工接觸測(cè)量。傳統(tǒng)的位移量測(cè)方法主要是利用專業(yè)測(cè)量?jī)x進(jìn)行手工接觸測(cè)量。例如：基坑開(kāi)挖時(shí)，對(duì)邊坡位移的測(cè)量。這種量測(cè)方法需要數(shù)臺(tái)水準(zhǔn)儀和全站儀等，定期對(duì)邊坡控制點(diǎn)進(jìn)行大地坐標(biāo)測(cè)量，并比較所測(cè)得的坐標(biāo)值，從而得出邊坡位移的情況，但因需要布測(cè)大量的數(shù)據(jù)，工作量較大，效率較低。

（2）傳感器應(yīng)用。a.電阻位移測(cè)試。對(duì)于時(shí)間在1、2天內(nèi)的室內(nèi)研究性試驗(yàn)通常采取電阻位移測(cè)試。其對(duì)試件影響小、可以自動(dòng)采集，價(jià)廉物美。但是存在易受環(huán)境影響、位移片粘貼要求高、不能進(jìn)行長(zhǎng)期位移測(cè)試（采用傳感器可以）等缺點(diǎn)。b.千分表位移測(cè)試。對(duì)于大型構(gòu)件短期的位移測(cè)試通常采用千分表位移測(cè)試。這種方法操作簡(jiǎn)便、可重復(fù)使用，同時(shí)不受電磁場(chǎng)等影響。但是太陽(yáng)照射程度會(huì)影響測(cè)試數(shù)據(jù)，同時(shí)必須在附近觀測(cè)。c.振弦式位移傳感器。對(duì)于室外長(zhǎng)期的位移測(cè)試通常采用振弦式位移傳感器。該傳感器性能穩(wěn)定、安裝方便、可用于長(zhǎng)期檢測(cè)。但價(jià)格高，體積相對(duì)較大容易受碰撞，同時(shí)位移數(shù)據(jù)不能直接讀出，需要經(jīng)過(guò)換算。d.光纖（光柵）位移傳感器。對(duì)于室外、大型結(jié)構(gòu)（如橋梁等）的位移測(cè)試可以采用光纖（光柵）位移傳感器。該傳感器靈敏度和分辨率高，響應(yīng)速度快；體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，外形可定制，安裝方便；抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)；穩(wěn)定性好、可用于長(zhǎng)期測(cè)試，但價(jià)格昂貴。

（3）非接觸攝影測(cè)量?，F(xiàn)在位移測(cè)試非接觸量測(cè)方法主要采用攝影測(cè)量。攝影方式主要采用兩種，一種是在高精度全站儀上安裝數(shù)字相機(jī)，進(jìn)行全方位攝影，另一種是用2-3臺(tái)數(shù)字相機(jī)同時(shí)進(jìn)行攝影。

攝影測(cè)量中需要采用專業(yè)的昂貴設(shè)備，如果采用普通相機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，其精度并不高。同時(shí)操作比較復(fù)雜，對(duì)專業(yè)人員的依賴比較大。

3 位移測(cè)試新方法

3.1 工具式表面位移傳感器應(yīng)用技術(shù)

3.1.1 優(yōu)化改進(jìn)的二維位移測(cè)試技術(shù)。采用極坐標(biāo)增量表達(dá)方式對(duì)測(cè)點(diǎn)位移進(jìn)行輸出，能夠同時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)平面內(nèi)兩個(gè)方向的變形進(jìn)行測(cè)量，而且兩個(gè)方向的變形互不影響，都能夠達(dá)到比較高的精度?？梢詰?yīng)用于懸臂柱試驗(yàn)中試件柱頂測(cè)點(diǎn)二維運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量、框架柱底端節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量、試件在荷載作用平面外微量位移的測(cè)量、加載中試件截面微量扭轉(zhuǎn)的測(cè)量。

3.1.2 工具式表面位移傳感器。在梁板柱節(jié)點(diǎn)等原型結(jié)構(gòu)和模型結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、動(dòng)靜態(tài)和低頻動(dòng)態(tài)試驗(yàn)等結(jié)構(gòu)試驗(yàn)項(xiàng)目中運(yùn)用工具式表面位移傳感器。在傳感器設(shè)計(jì)中采用彈性元件，線切割加工成型并經(jīng)熱處理，成高精度自補(bǔ)償傳感器，用金屬粘貼式電阻位移計(jì)作為變換敏感元件，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的工廠化的粘貼、加壓、加溫固化、多層防潮密封的處理，接線組成全橋電路。該傳感器輸出靈敏度高，可與直接粘貼式電阻位移計(jì)的靈敏度相當(dāng)，且長(zhǎng)期穩(wěn)定性和線性好，構(gòu)造簡(jiǎn)單。安裝方便，可重復(fù)使用，從而改善了結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)試條件，提高了工作效率和性價(jià)比。

3.2 基于圖像技術(shù)的位移測(cè)量

3.2.1 基于單攝像機(jī)的二維數(shù)字圖像方法。以數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和圖像處理為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行位移的測(cè)量。首先在現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)識(shí)出控制點(diǎn)和待測(cè)點(diǎn)，后用高分辨率數(shù)碼相機(jī)從現(xiàn)場(chǎng)獲取圖像，然后將所得圖像輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，或者用解析法取得數(shù)據(jù)成果，通過(guò)程序計(jì)算得到最終結(jié)果數(shù)據(jù)。這種方法可以對(duì)像片進(jìn)行自動(dòng)化處理上，并利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析和處理，進(jìn)而獲得結(jié)果數(shù)據(jù)。

3.2.2 和數(shù)字圖像相結(jié)合的三維剛體位移測(cè)試方法。利用理想的針孔攝像機(jī)模型，模擬由三維剛體位移引起的變形后的散斑圖像、采用基于仿射變換的全局坐標(biāo)位移模式，根據(jù)相關(guān)迭代法，得到全場(chǎng)仿射變換參量的初值，并對(duì)全場(chǎng)位移初值進(jìn)行估計(jì)；在此基礎(chǔ)上，采用基于仿射變換的位移模式進(jìn)行迭代優(yōu)化；最終得到匹配點(diǎn)的仿射變換坐標(biāo)。

這種測(cè)試方法光學(xué)裝置和標(biāo)定程序簡(jiǎn)單；實(shí)驗(yàn)及試樣的預(yù)處理過(guò)程簡(jiǎn)單；測(cè)試范圍與圖像的放大倍率相關(guān)，量程較大；測(cè)試精度較高；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，自動(dòng)化程度較高。但目前精度低于雙目測(cè)試技術(shù)，且只能實(shí)現(xiàn)有限變形的測(cè)試。

3.3 分布式位移測(cè)試技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)

分布式位移測(cè)試技術(shù)充分運(yùn)用光纖作為數(shù)據(jù)采集和傳輸手段，比金屬傳感器有更強(qiáng)的耐久性，適用于水下、潮濕、有電磁干擾等一些條件比較惡劣的環(huán)境，近幾年來(lái)在土木工程健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有較快的發(fā)展。光纖傳感器具有抗電磁干擾，防雷擊，防水，防潮，耐高溫，抗腐蝕等特點(diǎn)；容易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、分布式監(jiān)測(cè)；光纖本身輕細(xì)纖柔，光纖傳感器的體積較小、重量較輕，便于布設(shè)安裝；同時(shí)可以準(zhǔn)確地測(cè)出光纖沿線任一點(diǎn)上的應(yīng)力、溫度、振動(dòng)和損傷等信息，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的全方位監(jiān)測(cè)，提高監(jiān)測(cè)的成功率。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地觀測(cè)和控制，能夠在試驗(yàn)、計(jì)算、理論、數(shù)據(jù)庫(kù)和模型模擬等方面實(shí)現(xiàn)分工協(xié)同合作。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了正確評(píng)定結(jié)構(gòu)性能，必須確定合理實(shí)驗(yàn)方法獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，關(guān)鍵是提高精確度、降低操作難度，提高其性價(jià)比。

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