Mohammed Mokhtar Eisa　邵新星　錢帥宇　王文波　邱洪興　何小元

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)(2東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室, 南京 210096)

隨著我國經(jīng)濟和科技的快速發(fā)展,工程建設(shè)規(guī)模日益擴大,為了滿足土木工程中越來越多大型構(gòu)件、結(jié)構(gòu)和橋梁的變形測量需求,土木工程實驗技術(shù)需要不斷創(chuàng)新和發(fā)展[1].應(yīng)變片、位移計和百分表等傳統(tǒng)的測量方法受到測量條件的限制,往往只能獲得單點單方向的近似變形測量.數(shù)字圖像相關(guān)方法[2-3]作為一種全場、非接觸的光學(xué)測量方法,可以全面反映被測物在加載條件下的變形信息,已成為土木領(lǐng)域中最受關(guān)注的光學(xué)測量方法[4-7].然而,對于土木構(gòu)件的大面積全場變形測量仍然存在包括大視場條件下相機位姿標定等問題.

大視場條件下相機位姿標定存在的主要問題包括：① 如果使用傳統(tǒng)的平面標定方法,需要加工的相機標定板尺寸太大,成本太高；② 大尺寸標定板的平面標定方法在現(xiàn)場測量過程中難以實施；③ 對于遠距離測量(如橋梁等),難以到達被測區(qū)域進行相機標定.

本文采用基于散斑的自標定方法[8],建立了一套自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng),實現(xiàn)了土木構(gòu)件大面積全場變形測量,精確測量出木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點在拔出過程中的全場變形.該方法直接使用試件上的散斑特征進行相機姿態(tài)標定,無需使用額外的標定板,相機內(nèi)參的標定則可以在實驗室中提前進行.

1　自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)

自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)是一套針對工程現(xiàn)場實驗測量的三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng).該系統(tǒng)由便攜式攝像機、遠焦鏡頭、三腳架等設(shè)備組成,以三維數(shù)字圖像相關(guān)方法為基礎(chǔ),采用基于散斑的自標定方法對相機外部參數(shù)進行標定,進而得到物體的三維全場變形信息.

1.1　圖像采集系統(tǒng)

考慮到工程測量一般要求攜帶設(shè)備去現(xiàn)場,實驗中選用便攜式Blackmagic Cinema Camera相機(廠商為Blackmagic Design),如圖1所示.其機身小巧堅固,配備2 400×1 350像素分辨率感應(yīng)器和鋰電池,通過相機的觸摸顯示屏即可進行拍攝參數(shù)設(shè)置,能夠拍攝無損格式圖像,并直接存儲于相機的固態(tài)硬盤,故該相機使用于缺少計算機和電源情況下的現(xiàn)場測量.拍攝的無損格式圖像記錄信息完整,便于后期的圖像處理和變形計算.針對現(xiàn)場試件尺度大、距離遠的情況,配套使用佳能200 mm長焦鏡頭和三維云臺,以有效克服數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)在現(xiàn)場測量(特別是大視場、遠距離測量)的局限性,在保證了圖像精度的同時,擴大了測量范圍,提高了數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的適用性.

圖1　相機及遠焦鏡頭

1.2　散斑自標定方法

使用三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)進行測量時,大部分情況下采用棋盤格或圓點標定板進行標定[9].然而,標定板標定具有自身的局限性,例如在大視場測量中標定板無法與視場匹配,遠距離測量時被測物不可接近等,這些缺點都限制了數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在大型工程實際測量中的應(yīng)用.為了解決大視場和遠距離測量的相機標定問題,本文采用基于散斑的自標定方法.雙目視覺測量原理見圖2.圖中,點o1和點o2分別為相機1和相機2的光心；點P為世界坐標系中的任意一點；P1和P2分別為點P在相機1和相機2中的成像點.由于點o1、點o2和點P是共面的,故可得到共面方程為

(1)

圖2　雙目視覺測量原理

通過圖2中至少5對匹配散斑點和共面方程(1)即可求得相機之間的相對外參,求解過程參見文獻[8].

1.3　精度驗證性實驗

為了驗證自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的可行性,首先通過平移實驗對自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的精度進行驗證.實驗裝置見圖3.將固定好的散斑圖案進行平移,每次平移1 mm,共平移10次.同時,采用普通的三維數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)和本文提出的自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)測量試樣表面變形,2套系統(tǒng)的測量視場和相機夾角基本保持一致.

圖3　平移臺平移實驗裝置

普通的三維數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)使用平面棋盤標定板進行標定,自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)則使用被測物表面的散斑場進行相對位姿標定.圖4為面內(nèi)平移和離面平移的實驗結(jié)果.由圖可知,2套測量系統(tǒng)的測量值與位移臺的加載值差距很小,基本呈線性關(guān)系.對于面內(nèi)位移測量,普通三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的相對誤差約為0.2%,而自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的相對誤差約為0.3%,且絕對偏差值均在0.02 mm以內(nèi).對于離面位移測量,普通三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的相對誤差約為0.5%,而自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)的相對誤差約為0.6%,且絕對偏差值均在0.05 mm以內(nèi).平移精度驗證性實驗證明了所提自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的精度和可行性.

(a) 離面平移

(b) 面內(nèi)平移

2　纖維增強復(fù)合材料布加固木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點抗拉性能試驗

2.1　實驗現(xiàn)場

節(jié)點是建筑承載的重要部分,在進行古建筑現(xiàn)狀評價和剩余壽命預(yù)測時,必須考慮其榫卯節(jié)點的力學(xué)性能.文獻[10]指出,現(xiàn)存古建筑木結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)較多的破壞形式為脫榫破壞.榫卯節(jié)點是古建木結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié),也是需要加固的重要部位,如何保證加固后節(jié)點的力學(xué)性能滿足要求、同時又不過分降低其減震耗能的效果,對于提高木結(jié)構(gòu)耐久性、延長建筑使用壽命具有重要意義[11].本文對木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點加固前后的力學(xué)性能進行了實驗測試.實驗現(xiàn)場照片見圖5,相機與試樣之間的距離為30 m,測量視場長1 m,寬0.56 m.

圖5　實驗現(xiàn)場照片

纖維增強復(fù)合材料(FRP)布加固的木結(jié)構(gòu)榫卯構(gòu)件如圖6所示.使用油壓千斤頂施加豎向載荷,研究木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點在拔出過程中的力學(xué)性能,為木結(jié)構(gòu)選擇合適的加固方法、提高耐久性提供數(shù)據(jù)支持.由于構(gòu)件尺寸較大,采用自標定的三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)進行測量,獲得全場變形數(shù)據(jù),并在關(guān)鍵點位置上與位移計數(shù)據(jù)進行對比,提高該方法在工程實際測量中的應(yīng)用范圍,并為古建筑木結(jié)構(gòu)的鑒定和加固提供科學(xué)依據(jù).

圖6　FRP加固試樣

2.2　加固方式

FRP具有強度高、質(zhì)量輕等優(yōu)勢,適用于古建筑結(jié)構(gòu)的加固,加固后可以在外側(cè)涂刷防腐、防火涂料,從而達到恢復(fù)承載又不破壞建筑外觀的目的.本實驗中選用的FRP布來自南京玻璃纖維研究院,其抗拉強度為3.954 GPa,延伸率為1.4%.根據(jù)榫卯節(jié)點的力學(xué)特性,利用FRP的抗拉性能為節(jié)點提供更大的抵抗力矩.為了防止節(jié)點發(fā)生錨固破壞,在節(jié)點處環(huán)箍2層FRP布,FRP在梁端錨固長度為350 mm.為減小榫卯連接處黏結(jié)膠脫離對FRP加固作用的影響,在榫卯連接處粘貼寬50 mm 的雙層FRP作為套箍.

2.3　實驗結(jié)果

實驗過程中采用散斑自標定方法對測量系統(tǒng)進行標定,利用三維數(shù)字圖像相關(guān)軟件進行數(shù)據(jù)處理,觀察其全場變形情況.圖7給出了采用FRP加固的榫卯試件在加載到最終時刻的豎直方向全場位移圖.由圖可知,在水平方向,榫卯節(jié)點處的位移為正,說明榫頭在加載過程中逐漸被拔出.豎直方向全場位移從左到右基本呈現(xiàn)線性狀態(tài),靠近榫卯節(jié)點處的位移最小,試樣遠端隨著離節(jié)點的距離增加,位移逐漸增大,在最遠端加載點處位移達到最大值.由此說明試樣在加載過程中呈近似剛體轉(zhuǎn)動,彎曲變形較小.其他榫卯試件的最終變形結(jié)果與上述變形情況相似.

(a) 水平方向位移場

(b) 豎直方向位移場

圖8為FRP布加固榫卯節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線.由圖可知,曲線呈上升—突變下降—上升—平緩—下降的趨勢.加載位移較小時,2種方法測得的曲線走勢一致,數(shù)值接近；加載位移較大時,則出現(xiàn)較大偏差.其原因在于,加載位移較大時,位移計測點的位置發(fā)生移動,從而導(dǎo)致位移計測量出現(xiàn)誤差.自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)則始終保持在相同的測點位置,不會因為位移改變而產(chǎn)生誤差.由此證明了自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)的有效性,且位移大時自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)優(yōu)于位移計測量.

圖8　節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

3　結(jié)論

1) 根據(jù)土木工程領(lǐng)域的實際需求,基于散斑自標定方法,搭建了一套自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng),實現(xiàn)了土木構(gòu)件大面積全場變形測量.

2) 普通三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)與自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的面內(nèi)位移測量相對誤差分別為0.2%和0.3%,離面位移測量相對誤差分別為0.5%和0.6%,兩者精度基本一致.

3) 將自標定三維數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)用于纖維增強復(fù)合材料布加固木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點抗拉性能測量,測量結(jié)果與位移計基本一致.

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