師 杰 鄧曉威

（1.開封大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，河南 開封 475004；2.河南大學(xué)規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 開封 475004）

數(shù)字圖像相關(guān)方法是一種現(xiàn)代化全場光學(xué)測量技術(shù)，具有非接觸、非干涉的特點，已廣泛的應(yīng)用于航空航天、土木工程測量以及物體形變監(jiān)測等領(lǐng)域[1]。該方法首先運用在二維測量中，采用單個攝像機進行測量，通過比較變形前后同一平面物體表面的兩幅數(shù)字圖像，匹配其對應(yīng)點從而得到像面位移和應(yīng)變。但在實際測量中，由于單個相機的局限性，要求相機垂直于被測物表面，同時被測物體表面的離面位移會對測量帶來明顯的誤差，因此二維數(shù)字圖像相關(guān)方法通常應(yīng)用于平面物體的面內(nèi)變形測量。而使用兩個攝像機基于雙目立體視覺原理的三維數(shù)字圖像相關(guān)方法克服了這一局限，通過標(biāo)定相機與物體之間的相對位置關(guān)系，可以重構(gòu)出各種形狀物體的三維形貌。數(shù)字圖像相關(guān)方法是立足于數(shù)字圖像處理技術(shù)和數(shù)值分析技術(shù)的光學(xué)測量技術(shù)，是通過拍攝并匹配變形前后數(shù)字圖像中的各個控制點，獲得物體表面形變信息的技術(shù)，與其他測量技術(shù)相比而言，該技術(shù)具有更加簡便的操作流程，能夠適用于更加寬泛的使用環(huán)境，所獲得的精度也更高，因此，在土木工程測量中的應(yīng)用越來越普遍。

1 數(shù)字圖像相關(guān)方法的應(yīng)用概況

隨著光學(xué)信息技術(shù)、計算機技術(shù)、圖像識別技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像相關(guān)方法得到了快速發(fā)展，逐漸因其測量精度高、非接觸全場測量、環(huán)境要求低、操作簡便等優(yōu)點而應(yīng)用于各領(lǐng)域中，主要包含了以下幾個方面：

（1）對各種材料形變特征和力學(xué)性能的直接測量。在土木工程中常用到類型較多的金屬材料、復(fù)合材料等，那么這些材料是否滿足土木工程建設(shè)的基本需求，需要進行相應(yīng)的測量實驗。將數(shù)字圖像相關(guān)方法應(yīng)用于土木工程相關(guān)材料的表面形變和力學(xué)性能監(jiān)測，可以獲得全場形變信息，進而借助數(shù)值分析模塊可以獲得材料的力學(xué)參數(shù)，如熱脹系數(shù)、斷裂韌性、彈性模量、應(yīng)力強度因子、泊松比、表面粗糙度等[2]。因此，該技術(shù)的應(yīng)用推進了土木工程建設(shè)中對材料各種參數(shù)的精確把控，提高了材料的綜合利用價值。

（2）在工程結(jié)構(gòu)實際測量中的應(yīng)用。評估土木工程結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的安全性和可靠度是評估土木工程建設(shè)質(zhì)量的指標(biāo)之一，將數(shù)字圖像相關(guān)方法應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測中，可以獲得結(jié)構(gòu)位移或者應(yīng)變形變信息，如大型橋梁墻式基礎(chǔ)參數(shù)的監(jiān)測等，在此基礎(chǔ)上評估結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的安全性和可靠度。

（3）借助有限元分析方法獲得物體實際表面的形變信息。土木工程建設(shè)中通常要借助有限元分析方法進行實驗設(shè)計結(jié)構(gòu)是否合理，將數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)融合至有限元模型中，就可以實現(xiàn)理論、仿真、實驗三者數(shù)據(jù)參數(shù)的緊密聯(lián)系，進而提高模型改進質(zhì)量，完善建設(shè)模型，對提高土木工程建設(shè)整體質(zhì)量有著積極的推動意義。

2 數(shù)字圖像相關(guān)方法在土木工程測量中的應(yīng)用

數(shù)字圖像相關(guān)方法在土木工程測量中的應(yīng)用極為廣泛，本文著重介紹該方法在木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點抗拉性能監(jiān)測中的應(yīng)用。眾所周知，木結(jié)構(gòu)建筑是我國具有民族特色的傳統(tǒng)建筑物，一棟建筑物在沒有一顆釘子的前提下可以經(jīng)歷數(shù)百年屹立不倒，顯示出木結(jié)構(gòu)強大的可靠性[3]。木結(jié)構(gòu)中榫卯節(jié)點是建筑物承載的重要樞紐，因此，在研究木結(jié)構(gòu)建筑物的力學(xué)性能時必須研究榫卯節(jié)點的力學(xué)特征。

2.1 應(yīng)用條件分析

本文選用常用的杉木作為實驗材料，按照傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)模型進行縮小比例尺制作，主要研究榫卯節(jié)點的力學(xué)性能變化以及形變信息。此外，纖維增強復(fù)合材料FRP具有較高的強度、輕的質(zhì)量等而廣泛用于維修古建筑，在外側(cè)涂抹防火涂料就可以實現(xiàn)既加固木質(zhì)建筑物的目的，又達到了不破壞建筑外觀的目的。因此，本文使用該材料作為研究實驗的對照組，此外使用鋼材對木質(zhì)建筑物進行加固也是常用的方法之一，本文選用Q235鋼進行實驗。

2.2 加載及測量方案制定

為了盡可能的模擬木質(zhì)建筑物構(gòu)架柱腳的實際載荷，在底部增加單向鉸支座，柱頂施加豎向載荷20kN，并保持豎向載荷恒定不變。在實驗過程中逐漸枋下側(cè)單調(diào)向上加載，直至構(gòu)建破壞為止。根據(jù)數(shù)字圖像相關(guān)方法測量的參數(shù)要求，本文選擇 使用三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)，并在實驗?zāi)＞弑砻嬗貌煌伾膰娖釃娡恐瞥蓸?biāo)志點，實驗時采用LED直流光即可[4]。

2.3 實驗結(jié)果對比分析

根據(jù)上述實驗方案同步進行不同材料的實驗，最終獲得如下結(jié)論：對于木質(zhì)榫卯節(jié)點而言，由于木材自身具有特異性，因此在載荷加載過程中的形變呈現(xiàn)出一定的差異性，但總體上破壞形態(tài)是一致的，也意味著木質(zhì)結(jié)構(gòu)的榫卯節(jié)點承載能力是大體相當(dāng)?shù)?；隨著載荷量的逐漸增加，榫卯節(jié)點邊緣大約有2.5mm的拔出量，隨著控制位移量的增加，榫頭邊緣的拔出量進一步增加。對纖維增強復(fù)合材料FRP制作成的節(jié)點而言，其形變特征以及拔出量與木質(zhì)結(jié)構(gòu)的榫卯節(jié)點變化差異較大，在載荷加載開始，節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度較大，承載力呈直線上升，隨著載荷量的不斷增加，纖維增強復(fù)合材料FRP榫卯節(jié)點的粘結(jié)膠逐漸剝落，當(dāng)載荷持續(xù)增大時，纖維增強復(fù)合材料FRP材料逐漸出現(xiàn)褶皺并逐漸開始撕裂，進而承載能力下降[5]。綜上所述，雖然纖維增強復(fù)合材料FRP材料屬于脆性材料，但是由于木質(zhì)材料具有獨特的力學(xué)性能，將纖維增強復(fù)合材料FRP材料應(yīng)用于木質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑物的加固中，可以增強該材料的承載能力和延性。對照實驗組使用鋼材進行加固實驗，當(dāng)載荷加載開始時，加載處的承載力急劇上升，使得榫卯節(jié)點出現(xiàn)擠壓現(xiàn)象，當(dāng)載荷持續(xù)加載時，榫頭上部擠壓區(qū)變形較大，且鋼箍在枋端連接段逐漸滑移，直至破壞。通過實驗可知，采用鋼材加固木質(zhì)結(jié)構(gòu)房屋，可以提高榫卯節(jié)點的極限承載力，雖然后期出現(xiàn)顯著的滑移現(xiàn)象，但采用該種方法加固，可以進行拆卸，因此具有一定的應(yīng)用前景。

3 結(jié)束語

綜上所述，數(shù)字圖像是一種非接觸、全場變形測量技術(shù)，其相關(guān)方法在土木工程測量中具有極為寬泛的應(yīng)用前景，在建筑物表面形變監(jiān)測以及實驗建筑材料力學(xué)參數(shù)等方面具有精度高、非接觸、全場測量、環(huán)境適用性好、操作簡便的優(yōu)勢，并且在實驗過程中可以獲得全場形變信息，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文主要分析了數(shù)字圖像相關(guān)方法在土木工程測量木質(zhì)結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點力學(xué)性能研究的應(yīng)用，搭建適用于工程實際測量的自標(biāo)定數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)，并設(shè)計精度實驗，通過兩組對照組的研究表明，采用纖維增強復(fù)合材料FRP材料對木質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑物進行加固處理更具優(yōu)勢。