地震，屬于天災(zāi)，我們無(wú)法避免，就像前兩天的九寨溝7.0級(jí)地震，但是我們可以運(yùn)用科技手段，在地震發(fā)生時(shí)盡可能地減少財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。
建筑模型振動(dòng)實(shí)驗(yàn)和研究在我國(guó)早已開(kāi)始，助力實(shí)驗(yàn)獲取更多數(shù)據(jù)的測(cè)量系統(tǒng)也因此應(yīng)運(yùn)而生……
振動(dòng)臺(tái)廣泛用于土木工程中模擬復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)及城市基礎(chǔ)設(shè)施在地震時(shí)的地震效應(yīng)分析，是模擬地震作用的反應(yīng)規(guī)律及抗震研究的關(guān)鍵設(shè)備。以振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行建筑抗震實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)有條件下能獲得最接近于真實(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)手段。
由于需要建造盡可能還原真實(shí)建筑物理特性的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，單次振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的成本十分高昂，需要花費(fèi)很大的人力、時(shí)間與物力，這些時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本都極大限制了建筑模型振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的次數(shù)。
因此，在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中獲取盡可能多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)建筑模型振動(dòng)實(shí)驗(yàn)非常重要。
傳統(tǒng)接觸式測(cè)試方法面臨的問(wèn)題
為了取得盡可能多的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的地震模擬振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中會(huì)在模型結(jié)構(gòu)上安裝很多個(gè)傳感器，這些附著設(shè)備在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)和模型本身產(chǎn)生相互作用，影響數(shù)據(jù)精度。另外，隨著振動(dòng)強(qiáng)度增加，模型結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)破損甚至倒塌。
一般為保護(hù)成本高昂的傳感器，當(dāng)目標(biāo)建筑模型處于瀕臨潰散的關(guān)鍵時(shí)刻，需要中斷實(shí)驗(yàn)并取下附著的昂貴測(cè)量設(shè)備避免其在崩塌中損毀，這樣不但無(wú)法獲取極為重要的潰散過(guò)程中目標(biāo)模型的各部位各項(xiàng)參數(shù)，而且在瀕臨毀壞的模型上取回傳感器的過(guò)程本身也是不安全的。
此外，接觸式傳感器還有個(gè)根本的缺陷：僅能獲取模型表面固定位置點(diǎn)的一維信息，難以反映模型振動(dòng)過(guò)程中的空間三維動(dòng)態(tài)變化。而模型在XYZ三個(gè)方向上都有運(yùn)動(dòng)，不是只沿架設(shè)傳感器方向運(yùn)動(dòng)。
為了克服傳統(tǒng)接觸式傳感器的缺點(diǎn)，出現(xiàn)了很多非接觸式的振動(dòng)測(cè)量技術(shù)，主要有激光多普勒振動(dòng)計(jì)LDV（Laser Doppler Vibrometers）、GPS（Global Positioning System）、InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）和攝像測(cè)量（Videogrammetry）技術(shù)。
前三種技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，但仍然存在如下問(wèn)題：
1、LDV傳感器是單點(diǎn)測(cè)量，僅能監(jiān)測(cè)模型的局部變化，如果需要對(duì)模型進(jìn)行整體監(jiān)測(cè)時(shí)，則需要大量的LDV傳感器。LDV價(jià)格昂貴，制約了其在實(shí)踐中廣泛應(yīng)用；
2、GPS和InSAR技術(shù)除了價(jià)格昂貴之外，數(shù)據(jù)采集頻率一般低于10 Hz，難以滿足高頻振動(dòng)、模型瞬間倒塌或斷裂等破壞過(guò)程的監(jiān)測(cè)。
攝像測(cè)量技術(shù)是傳統(tǒng)攝像測(cè)量學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)字圖像處理等學(xué)科交叉融合形成的一種新型測(cè)量手段，具有非接觸、高精度、自動(dòng)化、動(dòng)態(tài)測(cè)量、實(shí)時(shí)測(cè)量、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于許多領(lǐng)域。振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力模型研究便是其中一個(gè)成功應(yīng)用的領(lǐng)域。
攝像測(cè)量原理
這種方法原理上類似人類的雙眼視覺(jué)，通過(guò)運(yùn)用兩個(gè)或者多個(gè)高速相機(jī)對(duì)同一個(gè)景物從不同位置成像，從視差中恢復(fù)待測(cè)目標(biāo)的坐標(biāo)信息，見(jiàn)圖1。
圖1 測(cè)量原理示意圖
解決方案
整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)采用的設(shè)備包括高速相機(jī)、高精度同步控制器、長(zhǎng)時(shí)間高速攝像系統(tǒng)、三腳架、輔助照明光源、全站儀等測(cè)繪儀器（可以采用甲方自有儀器）和人工標(biāo)志。
高速攝像系統(tǒng)中，高速相機(jī)具有高分辨率、高幀率等性能優(yōu)勢(shì)，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高速攝像系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)高速圖像存儲(chǔ)。再通過(guò)軟件回放可對(duì)記錄的高速圖像進(jìn)行逐幀查看，并可轉(zhuǎn)存圖像為通用格式。
該高速攝像測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)如下：
高速相機(jī)有不同的配置，可供用戶根據(jù)自己的實(shí)際要求選擇，如下表所示為采用德國(guó)Optronis CP系列高速相機(jī)下的主要參數(shù)：
德國(guó)Optronis CP系列高速相機(jī)表
1、系統(tǒng)采用的高速相機(jī)數(shù)量：2~64臺(tái)；
2、圖像存儲(chǔ)時(shí)間：與高速相機(jī)參數(shù)有關(guān)，在全分辨率4000×3000@160 fps下，12 min以上無(wú)損存儲(chǔ)，可以保證全程記錄同步，同步精度優(yōu)于1 µs；
3、視場(chǎng)范圍：可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用調(diào)整，保證拍攝到全部感興趣區(qū)域；
4、拍攝距離：如圖2所示，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用調(diào)整高速相機(jī)布設(shè)位置，保證在危險(xiǎn)界外；
5、現(xiàn)場(chǎng)拍攝圖像序列，如圖3所示。
圖3 現(xiàn)場(chǎng)拍攝圖像序列圖
最后系統(tǒng)測(cè)量軟件可生成輸出的測(cè)量結(jié)果為跟蹤點(diǎn)坐標(biāo)文本文件，可用EXCEL打開(kāi)并繪制相關(guān)的圖表。測(cè)量軟件附帶有方便的查看結(jié)果曲線等功能。
下面為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的兩次結(jié)果，圖4為阻尼振動(dòng)，圖5為自由落體。
圖4 阻尼振動(dòng)
圖5 自由落體
結(jié)論
1、與傳統(tǒng)普通接觸式傳感器采集結(jié)果進(jìn)行比較，該系統(tǒng)采用非接觸式的光學(xué)測(cè)量手段，不會(huì)對(duì)被測(cè)目標(biāo)造成任何干擾與影響。
2、遠(yuǎn)距離測(cè)量與靈活的高速相機(jī)分布設(shè)置，同時(shí)觀測(cè)到立體模型不同面的情況。
3、遠(yuǎn)程拍攝手段無(wú)須擔(dān)心目標(biāo)崩潰倒塌時(shí)會(huì)損壞測(cè)量設(shè)備，相比于需要在目標(biāo)垮塌前取下的接觸式測(cè)量設(shè)備，該方式測(cè)試的便利性、流暢性、可靠性與安全性均大大提高，實(shí)驗(yàn)成本也更低。
4、在工程中，由于受現(xiàn)場(chǎng)條件和測(cè)試技術(shù)的限制，特殊結(jié)構(gòu)的位移測(cè)量往往存在困難。
例如：高塔結(jié)構(gòu)的位移傳感器安裝困難，一般采用安裝加速度傳感器，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，通過(guò)二次積分得到位移，但是數(shù)值積分過(guò)程涉及到積分算法選取及濾波頻率選取等人為主觀因素，因此，數(shù)值積分誤差較大。
采用非接觸性動(dòng)態(tài)位移測(cè)試方法直接測(cè)量結(jié)構(gòu)的位移，消除了傳統(tǒng)測(cè)試方法的誤差。
5、除開(kāi)跟蹤點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)信息外，被測(cè)建筑模型何時(shí)產(chǎn)生淺裂紋、裂紋擴(kuò)張蔓延情況、模型何時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重破損、模型瀕臨垮塌和整個(gè)垮塌過(guò)程等這一系列過(guò)程均被高速圖像系統(tǒng)完整存儲(chǔ)起來(lái)，可有效替代以往基于經(jīng)驗(yàn)和人眼反應(yīng)速度的實(shí)驗(yàn)記錄，并提供遠(yuǎn)超出以往信息的連續(xù)圖像序列數(shù)據(jù)。
6、在高成本振動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)次數(shù)限定的情況下，多路高速相機(jī)系統(tǒng)從不同的角度同步記錄振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)，可以顯著提高每次地震振動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，為地質(zhì)災(zāi)害防治研究與建筑防震抗震研究提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)源。
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