土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)量測技術(shù)研究進(jìn)展與現(xiàn)狀

土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)量測技術(shù)研究進(jìn)展與現(xiàn)狀摘要：目前從作用方式上來看，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)已經(jīng)逐漸從傳統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)、靜態(tài)試驗(yàn)當(dāng)中逐步發(fā)展到動(dòng)力試驗(yàn)、擬動(dòng)力試驗(yàn)上來；從空間尺度上來看，也逐漸從常規(guī)尺度試驗(yàn)拓展成足尺度結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和細(xì)微觀材性試驗(yàn)。但是由于受到硬件設(shè)備、量測原理等因素的限制，在測量頻率、測量維度、測量量程、測點(diǎn)布置位置以及布置數(shù)量方面?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)量測技術(shù)已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)試驗(yàn)需求，因此，為了符合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)發(fā)展需求，就需要進(jìn)一步完善傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)量測技術(shù)，加強(qiáng)對新興技術(shù)手段的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：土木工程結(jié)構(gòu)；試驗(yàn)量測技術(shù)；進(jìn)展；現(xiàn)狀

1結(jié)構(gòu)試驗(yàn)傳統(tǒng)位移與應(yīng)變量測技術(shù)

1.1傳統(tǒng)位移量測技術(shù)

傳統(tǒng)位移量測方法在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中包括接觸式和非接觸式測量兩種類型，其中接觸式測量是采用經(jīng)典位移或千分表傳感器實(shí)現(xiàn)的；非接觸式測量實(shí)現(xiàn)位移量測的方法主要是基于光學(xué)原理和非接觸式位移傳感器。百分表作為一種常用的測量程度的量具，指的是將長度用機(jī)械齒輪機(jī)構(gòu)放大到刻度盤上，是最原始的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)位移量測手段。但是這種量測方法不能自動(dòng)機(jī)率位移量測數(shù)據(jù)，必須由專人近距離讀數(shù)、記錄，因此在一些尺寸較小的試件中較為適用，而且目前在結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中對百分表的使用已經(jīng)比較少了。傳感器比較常用的主要包括電感式、電容式、電阻應(yīng)變式等經(jīng)典位移傳感器，其中電感式傳感器的量測精度和靈敏度都比較高，測量范圍廣，但是其頻率響應(yīng)偏低，因此在高頻動(dòng)態(tài)位移測量中的實(shí)用性較差；電容式位移傳感器動(dòng)態(tài)特定好、阻抗高、功率小，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式測量，但是量程偏??；電阻應(yīng)變式位移傳感器操作方便、分辨率高、線性度好，但測量范圍小，在連續(xù)性倒塌、振動(dòng)臺等大位移量測試驗(yàn)中實(shí)用性較差。

1.2傳統(tǒng)應(yīng)變量測技術(shù)

結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的傳統(tǒng)應(yīng)變量測主要包括光測法、電測法、機(jī)測法三種類型，其中最早的是機(jī)測法，包括手持式應(yīng)變儀、接觸式千分表應(yīng)變儀、雙杠桿應(yīng)變儀等，但是由于量測精度低、需要人工讀數(shù)，目前應(yīng)用比較少。

（1）光測法

光測法包括光纖傳感器法、云紋干涉法、散斑干涉法、全息干涉法、焦散線法、光彈法等，其中的焦散線法和光彈法都是通過結(jié)合力學(xué)和光學(xué)來分析應(yīng)力應(yīng)變的技術(shù)，雖然能夠非接觸測量出全場應(yīng)變，但通常情況下只會定性分析試件或結(jié)構(gòu)，定量計(jì)算比較少，因此實(shí)際應(yīng)用較少。

（2）電測法

電測法包括弦式應(yīng)變傳感器法、電感式應(yīng)變傳感器法、電容應(yīng)變計(jì)法、電阻應(yīng)變計(jì)法等，其中應(yīng)用最廣泛的主要是電阻應(yīng)變計(jì)。該量測方法的工作原理是用電阻變化來表示結(jié)構(gòu)試件應(yīng)變，針對試件應(yīng)變較小、難以直接測量微小電阻變化的問題，可以借助惠斯登電橋放大信號，同時(shí)溫度補(bǔ)償?shù)葐栴}也得到了有效解決。

2數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)

2.1數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)量測原理

從本質(zhì)上來說，數(shù)字圖像相關(guān)測量技術(shù)是一種光測方法，所依據(jù)的基礎(chǔ)是數(shù)值分析和數(shù)字圖像處理，主要是通過分析和比較變形前后結(jié)構(gòu)或材料表面中分布的具有一定灰度的數(shù)字圖像，然后將變形過程當(dāng)中產(chǎn)生的應(yīng)變場和位移計(jì)算出來。與傳統(tǒng)光測法和電測法量測技術(shù)相比較來說，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢表現(xiàn)為環(huán)境適應(yīng)性好、試驗(yàn)設(shè)備簡單、能夠靈活測量分辨率和范圍。

2.2在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中對數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用

從1989年開始，我國相關(guān)人員就已經(jīng)逐漸開始研究在材料力學(xué)行為中對數(shù)學(xué)圖像相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，并系統(tǒng)分析了數(shù)字散斑相關(guān)方法原理，在細(xì)觀和宏觀力學(xué)測量應(yīng)用中正式提出了這一方法，為我國數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[3]。在近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的計(jì)算精度以及算法都得到了有效改善，學(xué)術(shù)界的研究人員也逐漸開始深入研究金屬材料力學(xué)，其中研究方向主要是集中在材料頸縮階段中張開位移、裂紋尖端應(yīng)變場、裂紋發(fā)展、變形等參數(shù)測量。

2.3對數(shù)字圖像相關(guān)方法測量精度產(chǎn)生影響的因素

一直以來，學(xué)術(shù)界都密切關(guān)注著數(shù)字圖像相關(guān)方法測量精度問題，而在實(shí)際量測中對測量精度產(chǎn)生影響的因素也比較多，這一方面是在處理圖像的過程中選擇相關(guān)函數(shù)與算法造成的，屬于一種可控因素；另一方面是與試樣準(zhǔn)備、設(shè)備條件、試驗(yàn)環(huán)境等因素有關(guān)，屬于不可控因素范疇。因此在具體試驗(yàn)量測過程中，為了保證測量結(jié)果精度，就必須加強(qiáng)對各方面影響因素的控制，這也是保證土木工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量的關(guān)鍵。

3近景攝影測量技術(shù)

3.1近景攝影測量技術(shù)量測原理

近景攝影測量是在不接觸被測物的情況下，運(yùn)用影像傳感器獲取物體的影像信息（模擬信號或數(shù)字信號），獨(dú)立客觀地對被測物進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)測量，以獲得被測物體形狀大小、空間位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息。較之其他三維測量技術(shù)，近景攝影測量具備其自身獨(dú)特的優(yōu)勢，如：（1）可利用圖像或影像作為信息載體，適用于被測點(diǎn)眾多的目標(biāo)；（2）非接觸測量，不干涉被測物的自然狀態(tài)，可完成惡劣環(huán)境下的測量；（3）既可測量靜態(tài)目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)，亦可測量動(dòng)枋目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡及變化規(guī)律。但攝影測量發(fā)展到今天，依舊沒有完全實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化，將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)，圖像的獲取和處理是分開進(jìn)行的，當(dāng)發(fā)現(xiàn)處理的圖像不能滿足要求時(shí)，需要重新補(bǔ)測量數(shù)據(jù)，對于振動(dòng)臺和連續(xù)性倒塌等高頻動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)而言，往往是難以實(shí)現(xiàn)的，隨著信息技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，近景攝影測量圖像的獲取和處理設(shè)備性能在不斷提升，如果將來能將攝影測量理論、圖像處理技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合起來，完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的實(shí)時(shí)測量，則近景攝影測量可成為大體量高頻動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)位移和應(yīng)變測量的重要手段。

3.2近景攝影測量技術(shù)在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的應(yīng)用

近景攝影測量技術(shù)憑借測量精度好、動(dòng)態(tài)采集頻率高、測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)在土木工程、工業(yè)制造、航天航空等領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用，在土木工程領(lǐng)域，近景攝影測量主要有三方面的應(yīng)用。第一，結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測以及損傷的定位和識別；第二，結(jié)合光測力學(xué)和材料力學(xué)，對具有特殊形態(tài)或特殊材質(zhì)材料進(jìn)行不同荷載作的材性試驗(yàn)，利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對攝像機(jī)捕獲的試驗(yàn)圖像進(jìn)行分析，獲得試件的位移和變形信息；第三，用于建筑結(jié)構(gòu)的靜力或動(dòng)力測試，獲取結(jié)構(gòu)物在試驗(yàn)過程中的變形參數(shù)和位移、速度、加速度等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

4結(jié)語

總的來說，近幾年隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)量測技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展，測量結(jié)果精度和測量效率也都得到了顯著提升，這對提高土木工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有重要的作用。

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