基于三維數(shù)字照相量測技術(shù)的風(fēng)荷載作用下玻璃幕墻變形量測研究

陳元義 劉文白 原媛 孔戈 高建衛(wèi)

摘要：針對玻璃幕墻在風(fēng)荷載作用下變形量測方法不能解決全場、復(fù)雜節(jié)點變形的問題，提出一種基于三維數(shù)字照相變形量測技術(shù)的光學(xué)方法。通過使用雙攝像機(jī)的三維數(shù)字照相量測技術(shù)，測定玻璃幕墻在不同風(fēng)荷載作用下的應(yīng)變和撓度，然后通過與傳統(tǒng)方法應(yīng)變片和百分表測量以及有限元數(shù)值模擬所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，來驗證三維數(shù)字量測方法在玻璃幕墻變形量測的可行性。試驗結(jié)果表明：在相同的風(fēng)荷載作用下，通過3種方法所測得的應(yīng)變一位置和撓度一位置的比較，說明三維數(shù)字照相量測試驗測量得到的玻璃幕墻表面變形數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，數(shù)字照相量測方法可以應(yīng)用于玻璃幕墻表面變形量測。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)字照相量測;玻璃幕墻;風(fēng)荷載;變形測量

中圖分類號：TU382 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0029-06

收稿日期：2018-04-12;收到修改稿日期：2018-05-23

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51078228）;國家海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201105024-5）;2013年上海市研究生

教育創(chuàng)新計劃實施項目“學(xué)位點建設(shè)培育”（20131129）;上海市科學(xué)技術(shù)委員會立項項目（15DZ0500700）

作者簡介：陳元義（1991-），男，河南信陽市人，碩士研究生，專業(yè)方向為數(shù)字圖像。

0 引言

玻璃幕墻作為一種新型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，因其采光好，防風(fēng)雨，美觀的特性，已經(jīng)成為當(dāng)今建筑外墻的主流材料[1]。玻璃幕墻由玻璃面板和承載結(jié)構(gòu)組成[2]。雖然我國在玻璃幕墻行業(yè)已經(jīng)取得了很好的成果，但是缺乏對玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究[3-4]?；A(chǔ)研究和數(shù)據(jù)分析的缺失為日后玻璃幕墻的使用埋下了巨大的隱患。因此，對玻璃幕墻設(shè)計及使用過程中應(yīng)變及撓度的研究不容忽視。

目前，玻璃幕墻應(yīng)變的測量是將應(yīng)變片安裝在被觀測物體上;對于撓度的測量主要是利用百分表，這種傳統(tǒng)方法只能得到單個測點的應(yīng)變和撓度值[5-6]。而采用數(shù)字圖像相關(guān)法測量玻璃幕墻變形的研究目前還很少，該方法有全場性、非接觸的特點[7-11]。黃琳潔等通過二維數(shù)字照相量測方法所得的玻璃幕墻表面應(yīng)變值與應(yīng)變片量測所得的應(yīng)變值相差非常大。此外，二維數(shù)字照相量測試驗不能得出玻璃幕墻的撓度值。二維數(shù)字照相量測主要用于物體表面的位移測量，它在使用的過程中有局限性：被測物表面必須是或近似平面;被測物的運動主要是平面內(nèi)運動，離面運動很小或沒有;相機(jī)光軸必須垂直或近似垂直被測物表面[12]。

在實際應(yīng)用過程中，被測物體往往不是一個平面，發(fā)生的變形也不僅僅只是面內(nèi)位移。為了滿足對平面或曲面物體表面變形測量的要求，采用了以雙相機(jī)拍攝的三維數(shù)字照相量測方法。該方法采用雙目立體視覺原理[13]，為改善目前玻璃幕墻的單點式撓度及應(yīng)變測量方法，更加全面而直觀地展示被測物體整體的受力狀態(tài)及變形狀態(tài)，嘗試將三維數(shù)字照相量測方法引入玻璃幕墻的應(yīng)變和撓度量測分析中。通過采用三維數(shù)字照相量測方法，研究玻璃面板的變形情況，與應(yīng)變片和百分表所測得的測點數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證三維數(shù)字照相量測方法在風(fēng)荷載作用下玻璃幕墻變形量測的可行性。

1 實驗

1.1 三維數(shù)字照相量測技術(shù)基本原理

基于雙目立體視覺原理的三維數(shù)字照相量測即可滿足非平面或曲表面物體的三維形貌以及三維變形量測。雙目立體視覺是基于人的視覺方式的仿生學(xué)原理，通過兩臺相機(jī)從不同空間位置來觀察同一物體表面上的一點，根據(jù)其在兩幅圖像中的匹配像素點及相機(jī)的空間位置和光學(xué)參數(shù)，計算出其空間的三維坐標(biāo)[14-15]。

三維照相量測技術(shù)包含4個關(guān)鍵部分：1）圖像采集，兩個相機(jī)同步獲取被測物圖像;2）圖像匹配，在兩幅圖像中尋找對應(yīng)點;3）三維重建，標(biāo)定兩臺相機(jī)成像模型參數(shù)，結(jié)合圖像匹配得到的對應(yīng)點坐標(biāo)計算該點的三維坐標(biāo);4）變形計算，由同一點變形前后的三維坐標(biāo)求解該點變形。在這4個關(guān)鍵部分中，2）和3）是兩大核心。

在利用三維數(shù)字照相量測技術(shù)進(jìn)行測量的過程中，為了確定空間中的一點在二維圖像中的對應(yīng)點的位置，必須通過相機(jī)的參數(shù)建立幾何模型，通過相機(jī)的標(biāo)定就可以確定這些參數(shù)。用于標(biāo)定的標(biāo)定板應(yīng)具有易識別、易提取的特征，常見的標(biāo)定板有黑白棋盤格標(biāo)定板圖1（a））和圓點標(biāo)定靶（圖1（b））。

1.2 實驗材料與儀器

玻璃幕墻試件由玻璃面板和鋁塑板材質(zhì)密封箱體組成，玻璃面板安置在密封條上，外側(cè)用硅膠密封。玻璃面板為800mm×800mm×6mm的雙層鋼化玻璃。試驗場地和材料由上海眾材工程檢測有限公司提供。

傳統(tǒng)測量儀器有：應(yīng)變儀（型號為DH3821）、BF120-3CA三向直角應(yīng)變花;測量撓度的百分表和磁性表座一套。工業(yè)才助L（型號為GS3-PGE-91S6M-C）;PMLAB圖像處理軟件。

1.3 實驗方法

圖2為實驗現(xiàn)場布置示意圖，兩臺相機(jī)分別安裝在左右兩邊的三腳架上，相機(jī)相距0.8m，相機(jī)與玻璃面板的距離為1.2m。通過數(shù)碼相機(jī)量測方法，采集在0，500，1000，1500，2000Pa荷載作用下玻璃幕墻的圖像。然后將采集到的圖片導(dǎo)入到圖形分析軟件PMLAB中，得到應(yīng)變云圖和撓度云圖。

利用傳統(tǒng)測量貼應(yīng)變片和架設(shè)百分表方法，分別測量幕墻在施加500，1000，1500Pa和2 000Pa荷載作用下4個位置的應(yīng)變值和撓度值。

為與試驗作對比，建立有限元數(shù)值模型。模型尺寸為80cm×80cm。采用SHELL181二維單元來模擬玻璃面板。利用二維單元模擬玻璃面板的受力情況，主要優(yōu)點在于每個節(jié)點具有6個自由度。SHELL181單元適合對具有一定厚度的殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，是一個4節(jié)點單元，每個節(jié)點單元具有6個自由度，可以支持線性分析、材料塑性、應(yīng)力剛化、大應(yīng)變和大變形分析。設(shè)置玻璃面板彈性模量為72GPa，泊松比03。在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ102-2013《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》[16]中將玻璃面板視為簡支板。因此，在有限元模型的建立過程中，限制x，y，z3個方向的平動約束，而不限制3個方向的轉(zhuǎn)動約束。網(wǎng)格劃分采用20mm×20mm的正方形網(wǎng)格。

2 結(jié)果與討論

利用三維數(shù)字照相量測系統(tǒng)獲取單元玻璃幕墻的表面變形信息，對玻璃幕墻逐級加壓，計算幕墻表面的全場位移和應(yīng)變數(shù)據(jù);同時，在幕墻表面布置應(yīng)變片和百分表，采集對應(yīng)的應(yīng)變和撓度信息;進(jìn)一步建立玻璃幕墻的有限元模型，模擬各級風(fēng)壓荷載作用下的幕墻響應(yīng)行為;比較分析上述數(shù)字照相量測技術(shù)、應(yīng)變片測量、百分表測量和有限元模擬的數(shù)據(jù)，驗證數(shù)字照相量測技術(shù)的可行性。

2.1 三維應(yīng)變云圖結(jié)果分析

通過三維數(shù)字照相量測試驗，所得玻璃面板應(yīng)變分布云圖，如圖3所示。由圖可知在不同荷載作用下，玻璃面板上的應(yīng)變值呈現(xiàn)出中間大、四周小的趨勢;隨著荷載的增加，在面板相同位置處應(yīng)變值在增加;云圖四周出現(xiàn)應(yīng)變值激增的情況，通過分析可知與拍攝光線以及周邊玻璃面板密封有關(guān)，但總體變化情況符合玻璃面板在受到外荷載后應(yīng)變的變化規(guī)律。

在上圖應(yīng)變云圖上取得4個不同位置測點的應(yīng)變值，同理通過應(yīng)變計布置在相同位置處采集應(yīng)變值，將所得數(shù)值繪制在圖4中進(jìn)行分析?？梢缘贸?，對于同一荷載作用下，位置1到位置4應(yīng)變值逐漸增大;而在相同位置處，隨著荷載的增加應(yīng)變值也隨之增加，綜合分析可知這是由于四邊約束玻璃板在受到外荷載作用下，中心位置應(yīng)變值最大，沿著對角線往四周方向逐漸遞減。

為了更好的做比較，圖5將兩種不同方法下所得應(yīng)變值放在同一曲線圖中，由圖可以看出，在同一荷載作用下，通過應(yīng)變片測量得到的應(yīng)變值整體要小于數(shù)字量測所得應(yīng)變值;另外通過對比分析數(shù)值變化，可得出兩種不同方法所得的應(yīng)變隨荷載變化曲線基本一致，說明兩種方法得到的結(jié)果吻合。

2.2 三維數(shù)字照相量測方法測得撓度云圖分析

各荷載條件下，三維數(shù)字照相量測試驗所得的玻璃面板的撓度d_z分布如圖6所示。從圖中可看出，在1kPa荷載作用下，面板撓度云圖呈圓環(huán)形分布，即中間大，四周小;隨著荷載的增加，在同一位置處撓度值也在增加。

2000Pa下三維數(shù)字量測方法與有限元模擬方法得到的玻璃幕墻撓度云圖，如圖7所示?？梢钥闯?，利用三維數(shù)碼相機(jī)量測和數(shù)值模擬得到的撓度云圖都是中心位置撓度最大，然后呈環(huán)形向四周擴(kuò)散。

兩種方法所得結(jié)果存在誤差，其原因有：1）有限元模型對于玻璃幕墻四邊的約束條件為限制x，y，z3個方向的平動，而沒有限制3個方向的轉(zhuǎn)動。2）實際試驗中，玻璃幕墻四邊是用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行密封，在風(fēng)荷載的作用下，結(jié)構(gòu)膠也會發(fā)生一定量的形變，從而導(dǎo)致有限元模型測量得到的應(yīng)變和撓度值與試驗過程測量得到的應(yīng)變和撓度值存在誤差。3）有限元模型在加載的過程中采用均布荷載的加載方式，而在實際試驗過程中，對于玻璃面板而言風(fēng)并不是完全垂直均勻地吹在玻璃面板上，在邊角位置會受到結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)不均勻的影響，因此數(shù)值上存在一些差異。

2.3 三維數(shù)字量測方法測得撓度的可行性分析

用撓度計測得位置1～4測點的撓度值d_z，由數(shù)字量測所得云圖中提取相同位置處不同荷載作用下的撓度值，同理提取經(jīng)過有限元數(shù)值模擬中相同位置不同荷載作用下的數(shù)值，將所得數(shù)值繪制在如下曲線圖中。將各方法所得撓度值單獨繪制在曲線圖中，如圖8所示，對于撓度計、數(shù)碼量測技術(shù)和數(shù)值模擬這3種不同測量方法，在同一荷載作用下，從位置1至位置4所測得撓度值逐漸遞增;在同一測點位置處，隨著荷載的增大，撓度值呈現(xiàn)遞增趨勢。由圖表明玻璃幕墻的玻璃面板中心處變形最大，而邊緣變形較小。

為了將3種不同方法所得數(shù)值做比較，將3種方法所得數(shù)值繪制在同一曲線圖上，如圖9所示，在相同的風(fēng)荷載作用下，3種方法所測得的撓度值在測點1-4逐漸增加，所得位置一撓度曲線基本吻合。整體來說，隨著荷載的增大，同一位置處的撓度也增大。當(dāng)風(fēng)荷載的增幅相同時，越靠近玻璃面板中心，撓度的增幅越大。在相同風(fēng)荷載條件下，越靠近玻璃面板中心，其撓度越大，靠近玻璃幕墻框架處的撓度幾乎為零。為進(jìn)一步分析3種方法的誤差，將3種方法所采集到的數(shù)據(jù)兩兩對比，計算誤差值。百分表測得的撓度數(shù)據(jù)與有限元模型得到的撓度數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)果見表1。

三維數(shù)字照相量測方法得到的撓度數(shù)據(jù)與有限元模型得到的撓度數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)果見表2。

由表1可以看出，百分表測得的撓度數(shù)據(jù)相對有限元模型得到的撓度數(shù)據(jù)整體偏大，平均誤差在6%左右。由表2可以看出，三維數(shù)字照相量測方法得到的撓度數(shù)據(jù)與有限元模型得到的撓度數(shù)據(jù)吻合得較好，平均誤差在1%左右。對比傳統(tǒng)測量方法、有限元模型與數(shù)字照相量測三種測量方法結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同的風(fēng)荷載作用下，3種方法所測得的撓度一位置曲線都基本吻合，說明三維數(shù)字照相量測試驗測量得到的玻璃幕墻表面變形數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，有限元模型也符合實際情況。

3 結(jié)束語

分析傳統(tǒng)測量方法、有限元模型與數(shù)字照相量測三種測量方法所得到的玻璃幕墻試件應(yīng)變和撓度值，得到的結(jié)論如下：

1）對于應(yīng)變測量方面，在同一荷載條件下，三維數(shù)字照相量測方法所測得的應(yīng)變值較大，應(yīng)變片測量所得的應(yīng)變值相對較小，不同位置處兩種方法測得的數(shù)值呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。

2）對于撓度測量方面，對比傳統(tǒng)測量方法、有限元模型與數(shù)字照相量測三種測量方法結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同的風(fēng)荷載作用下，三種方法所測得的撓度一位置曲線基本吻合，相對誤差在允許范圍以內(nèi)，說明三維數(shù)字照相量測試驗測量得到的玻璃幕墻表面變形數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，有限元模型也符合實際情況。

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（編輯：徐柳）