土木工程變形監(jiān)測中影像測量變形技術(shù)
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0引言
近年來土木工程建設(shè)規(guī)模越來越大，但使用條件越來越復(fù)雜，對施工或運(yùn)營期安全監(jiān)測的要求也越來越高，如一些工程項(xiàng)目尤其是運(yùn)營期的工程項(xiàng)目要求監(jiān)測作業(yè)時間非常短，現(xiàn)場監(jiān)測作業(yè)不影響正常運(yùn)營；某些大型橋梁、隧道、邊坡項(xiàng)目現(xiàn)場不具備工作場地條件，很難或無法接觸到結(jié)構(gòu)面人工布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)；一些應(yīng)急搶險(xiǎn)工程項(xiàng)目要求現(xiàn)場安全監(jiān)測快速高效，不損傷已出現(xiàn)病害的結(jié)構(gòu)。而常規(guī)的監(jiān)測方法對于上述有較高特殊監(jiān)測要求的土木工程項(xiàng)目往往是難以奏效的。影像測量技術(shù)是近年來發(fā)展非常迅速的一項(xiàng)非接觸式測量新技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是只需在工作現(xiàn)場拍攝不同角度目標(biāo)體的數(shù)字照片，即可構(gòu)建被測對象的三維模型并取得測量數(shù)據(jù)，從而準(zhǔn)確測量目標(biāo)體的尺寸、位置和變形。非接觸式測量可不損傷被測量目標(biāo)，信息容量高且可重復(fù)使用，不僅可為靜態(tài)目標(biāo)提供三維空間坐標(biāo)或等值線圖，且也可為動態(tài)目標(biāo)提供運(yùn)動軌跡及變化規(guī)律，特別適合用于測量包含大量測量點(diǎn)位的目標(biāo)體，時效性要求高，躲避危險(xiǎn)環(huán)境而遠(yuǎn)離測量測量對象等情況。本文針對影像測量技術(shù)展開研究和分析，介紹了影像測量的原理，詳細(xì)說明了影像測量技術(shù)在土木工程監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的典型案例。
影像測量技術(shù)是通過數(shù)字照片建立被測物3D模型并測量細(xì)部尺寸的技術(shù)。利用數(shù)字影像技術(shù)，拍攝不同角度的隧道斷面照片，通過照片分析，可以將隧道斷面所具有的點(diǎn)、線、面迅速有效地構(gòu)建出三維模型并取得測量數(shù)據(jù)。其基本原理是利用了空間幾何中的三角變換原理，通過在至少兩個不同位置對同一物體拍攝的照片建立拍攝點(diǎn)與物體上同一點(diǎn)的三角關(guān)系，如圖1所示。影像測量監(jiān)測精度可達(dá)到mm級，并具有以下特性：①可在瞬間精確記錄下被攝物體的信息，即可得到瞬間的點(diǎn)位關(guān)系，這是其它方法無法做到的，作業(yè)方法可根據(jù)目的不同而靈活調(diào)整；②相片信息豐富，顯示能力客觀，適用于測量規(guī)則或不規(guī)則物體的外形；③在具有同步裝置的條件下可對動態(tài)目標(biāo)進(jìn)行測量；④適于對不可接觸物體的測量，如電弧、燃燒、爆炸等；⑤對控制點(diǎn)的布設(shè)及精度要求較高，但與傳統(tǒng)的大地測量相比，可大大減少外業(yè)工作；⑥相片可長期保存，有利于檢查、分析及對比。
2單片梁荷載試驗(yàn)裂縫監(jiān)測實(shí)例
2.1項(xiàng)目介紹
2012年我院在廣東省高速公路建設(shè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目中采用影像測量技術(shù)研究梁體在不同等級荷載作用下裂縫的開展情況。鑒于預(yù)制梁破壞試驗(yàn)有別于常規(guī)荷載試驗(yàn)，具有試驗(yàn)時間長、危險(xiǎn)性大的特點(diǎn)，因此試驗(yàn)過程中對于裂縫的觀測采用多種檢測方法相結(jié)合的方法，即在梁體表面噴涂油漆觀測初始裂縫的出現(xiàn)；采用裂縫檢測儀觀測裂縫在正常使用荷載作用下的裂縫開展情況；采用影像測量技術(shù)觀測梁體在超過正常使用荷載作用下的裂縫開展情況。
2.2預(yù)制梁極限荷載試驗(yàn)內(nèi)容和目的
⑴觀測試件的裂縫出現(xiàn)和開裂過程，記錄開裂荷載Pcr（′Mcr′），使用影像測量和人工監(jiān)測的方法監(jiān)測不同荷載等級下裂縫寬度的變化情況，繪制裂縫開展情況與荷載、時間的關(guān)系曲線。⑵觀察和描繪梁的破壞情況和特征，記錄破壞荷載Pu（′Mu′）。通過對梁受彎破壞全過程中裂縫開展情況的監(jiān)測，掌握測試預(yù)制梁的極限承載能力以及在荷載作用下的裂縫開展情況，為分析研究預(yù)制梁的破壞機(jī)理和特征提供參考；對比人工監(jiān)測與影像測量監(jiān)測結(jié)果，驗(yàn)證影像測量方法在實(shí)際應(yīng)用過程中的獨(dú)特優(yōu)勢；分析實(shí)際應(yīng)用過程中各種因素的影響，有助于改進(jìn)和完善影像測量技術(shù)。
2.3實(shí)驗(yàn)過程
⑴梁體加載方案本次試驗(yàn)對40m小箱梁進(jìn)行加載試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)梁梁高2m，寬1.2m，主梁間距3.24m，C50混凝土用量56.5m3。試驗(yàn)加載是整個破壞性試驗(yàn)的關(guān)鍵內(nèi)容，其試驗(yàn)過程如下：①儀器調(diào)試：試驗(yàn)前對儀器設(shè)備進(jìn)行仔細(xì)的安裝調(diào)試，以保證的儀器正常工作。②試驗(yàn)預(yù)壓：在正式施加荷載前先進(jìn)行預(yù)載，將已就位好的試件每隔5m布置1個加載裝置，施加荷載100kN，以檢查各儀表的工作情況及試驗(yàn)測讀人員的操作和讀數(shù)能力，如全部正常即可開始正式試驗(yàn)。③初讀數(shù)：正式加載前讀取百分表和應(yīng)變儀的初始讀數(shù)，用放大鏡檢查有無初始裂縫并記錄。④加載試驗(yàn)：根據(jù)鋼筋混凝土預(yù)制梁設(shè)計(jì)極限承載能力估算梁體開裂前彎矩，采用MidasCivil軟件建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算，確定試驗(yàn)加載重量。本次試驗(yàn)加載分為2個階段，分別為梁體開裂前加載和梁體開裂至梁體破壞階段的加載。a.第1階段加載是在梁體正常使用荷載下的加載，分為4級，每級荷載下讀取應(yīng)變儀讀數(shù)，以確定沿截面高度的應(yīng)變分布，臨近開裂荷載時荷載減半，并仔細(xì)觀察梁受拉區(qū)有無裂縫出現(xiàn)，隨時記錄開裂荷載，每次加載后讀取百分表，以確定橋梁測試截面的位移。b.第2階段加載是在荷載超過梁體正常使用荷載后的加載，即在第1階段荷載的基礎(chǔ)上繼續(xù)加載，直至梁體破壞斷裂，逐級施加荷載，每級荷載為出現(xiàn)裂縫后加載量的50%，讀取百分表讀數(shù)，并分階段記錄梁體裂縫的發(fā)展?fàn)顩r，直至試件完全破壞，記下破壞荷載值。
⑵裂縫觀測過程按照梁體加載方案，我們對40m小箱梁加載過程中裂縫變化進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)加載量達(dá)到400kN時，小箱梁產(chǎn)生裂縫，現(xiàn)場選取4個區(qū)域作為監(jiān)測對象，稱1～4尺，每尺選取5條裂縫位置。加載噸位到993kN時梁體斷裂，裂縫觀測分為3個階段：a.未裂階段：在加壓到400kN之前，試驗(yàn)荷載尚未達(dá)到極限承載力，梁體未發(fā)生開裂，撓度較小。該階段由于梁體未發(fā)生開裂或僅有細(xì)微裂縫，為便于觀測裂縫，在梁體側(cè)面均勻地噴涂一層白色油漆，用放大鏡檢查每級荷載作用下的裂縫情況，如圖3a。b.帶裂縫工作階段：當(dāng)梁體加載到400kN時，隨著試驗(yàn)荷載的增加，梁體受拉區(qū)混凝土產(chǎn)生裂縫，此時裂縫最大寬度0.6mm，因縫寬較小，故采用裂縫觀測儀觀測裂縫的開展情況；當(dāng)加載到490kN時，縫寬超過1mm，同時采用裂縫觀測儀和影像測量技術(shù)監(jiān)測裂縫發(fā)展，以提高測量精度和準(zhǔn)確性，如圖3b。c.破壞階段：試驗(yàn)荷載繼續(xù)增大，裂縫發(fā)展迅速，當(dāng)加載到790kN時，裂縫寬度達(dá)到3mm，超出允許寬度限值，撓度增加明顯，當(dāng)加載到993kN時，梁體破壞斷裂。該階段試驗(yàn)觀測存在一定的危險(xiǎn)性，人工監(jiān)測方法已無法實(shí)施，因此單獨(dú)采用影像測量技術(shù)對裂縫發(fā)展進(jìn)行監(jiān)測。
2.4結(jié)果分析
通過傳統(tǒng)方法與影像測量技術(shù)的現(xiàn)場測試以及對比結(jié)果的分析，表明影像測量技術(shù)簡單快捷、信息量大、安全可靠，在觀測裂縫變化方面與傳統(tǒng)的裂縫計(jì)、裂縫測寬儀相比具有明顯優(yōu)勢，精度完全滿足裂縫觀測要求，特別是在人工無法靠近的梁體破壞階段其優(yōu)勢更加明顯，應(yīng)用效果更好。
3結(jié)論
影像測量技術(shù)應(yīng)用廣泛、方便快捷，與傳統(tǒng)方法相比具有以下優(yōu)勢：
⑴可用于準(zhǔn)確測量隧道的相對變形，生成所測量物體的部分或整體三維模型，得到傳統(tǒng)方法無法精確測量的全面三維尺寸，并在模型上應(yīng)用紋理映射產(chǎn)生透視圖，直觀反映隧道斷面變形，與三維模型、測點(diǎn)坐標(biāo)相結(jié)合，能定性定量地反映結(jié)構(gòu)變形。
⑵具有簡便快捷和數(shù)據(jù)來源多選擇性的特點(diǎn)，僅需拍照即可迅速完成現(xiàn)場操作，工效高且省時，應(yīng)用于地鐵隧道監(jiān)測可減小對地鐵運(yùn)營的影響。
⑶測量精度高，影像測量技術(shù)理論上精確度滿足小于1mm，滿足要求。對于精度要求更高的情況，也能通過調(diào)整拍攝照片和標(biāo)注控制點(diǎn)的方法，進(jìn)一步改善提高。
作者：張亮 單位：廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司
