■ 秦 天 QIN Tian

0 引言

玻璃幕墻由玻璃、金屬構(gòu)件等組成，屬于圍護(hù)材料的一種，通常包裹覆蓋在建筑物主體結(jié)構(gòu)表面。在實(shí)際使用過程中，玻璃幕墻的玻璃面板主要承受的荷載包括自重應(yīng)力、風(fēng)荷載、地震荷載等，這些荷載通過錨接點(diǎn)或者結(jié)構(gòu)膠的作用，傳遞到主框架上。玻璃幕墻在受到風(fēng)荷載作用時(shí)，玻璃面板上的荷載通過其支承裝置傳遞給后面的支承結(jié)構(gòu)，支承結(jié)構(gòu)再傳到主體結(jié)構(gòu)上。玻璃幕墻的應(yīng)力多采用電測(cè)法進(jìn)行，即將電阻應(yīng)變計(jì)安裝在被觀測(cè)物體上，而玻璃幕墻的撓度多采用百分表進(jìn)行量測(cè)。該方法只能檢測(cè)到玻璃幕墻個(gè)別點(diǎn)的位移和應(yīng)力，檢測(cè)范圍小且局限。

對(duì)于結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)量，測(cè)量方法主要可以分為3種，即機(jī)測(cè)法、電測(cè)法和光測(cè)法。機(jī)測(cè)法測(cè)量精度低，現(xiàn)已不再使用。目前普遍采用的是電測(cè)法。電測(cè)法是將電阻應(yīng)變計(jì)安裝在被觀測(cè)物體上，當(dāng)被觀測(cè)物體表面發(fā)生變形時(shí)，粘貼在被觀測(cè)物體表面電阻應(yīng)變計(jì)的金屬電阻絲也會(huì)相應(yīng)地承受拉伸和壓縮變形，電阻即發(fā)生變化，由此可以分析出觀測(cè)物體的變形情況。光測(cè)法包括光彈法、密柵云紋膜法、衍射圖形應(yīng)變計(jì)、激光散斑干涉法、云紋干涉法、數(shù)字圖像相關(guān)方法。隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，光測(cè)法在越來越多的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如結(jié)構(gòu)和材料力學(xué)性能測(cè)量、微納電子機(jī)械系統(tǒng)、生物力學(xué)性能等。相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量方法，光測(cè)法具有非接觸、靈敏度高、全場(chǎng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，大大提升了研究中解決問題的能力。

本文利用數(shù)字照相量測(cè)原理，分析玻璃幕墻的應(yīng)變及撓度數(shù)據(jù)。在與應(yīng)變片和百分表采集的玻璃面板表面的應(yīng)變和撓度數(shù)據(jù)的比較分析基礎(chǔ)上，對(duì)基于數(shù)字照相量測(cè)檢測(cè)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)平面應(yīng)力應(yīng)變及撓度的可行性進(jìn)行探討。

1 方法原理

基于雙目立體視覺原理的三維數(shù)字照相量測(cè)，可滿足非平面或曲表面物體的三維形貌及三維變形量測(cè)。雙目立體視覺原理是基于人的視覺方式的仿生學(xué)原理。人類看世界的方式，是通過雙眼分別獲取外部場(chǎng)景的二維圖像，經(jīng)由大腦處理，還原得到外部場(chǎng)景的三維信息。雙目立體視覺原理就是模仿該方法，通過兩臺(tái)相機(jī)從不同空間位置來觀察同一物體表面上的一點(diǎn)，根據(jù)其在兩幅圖像中的匹配像素點(diǎn)及相機(jī)的空間位置和光學(xué)參數(shù)，計(jì)算出空間的三維坐標(biāo)（圖1）。1993年，Luo和Sutton等利用兩臺(tái)相機(jī)從不同角度對(duì)被測(cè)物體表面成像，首次將數(shù)字照相量測(cè)方法應(yīng)用于三維變形[1]?？梢哉f，三維數(shù)字照相量測(cè)技術(shù)是二維數(shù)字照相量測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

三維照相量測(cè)技術(shù)包含4個(gè)關(guān)鍵部分：①圖像采集——兩個(gè)相機(jī)同步獲取被測(cè)物圖像；②圖像匹配——在兩幅圖像中尋找對(duì)應(yīng)點(diǎn)；③三維重建——標(biāo)定兩臺(tái)相機(jī)成像模型參數(shù)，結(jié)合圖像匹配得到的對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算該點(diǎn)的三維坐標(biāo)；④變形計(jì)算——由同一點(diǎn)變形前后的三維坐標(biāo)求解該點(diǎn)變形。其中，圖像匹配和三維重建是三維照相量測(cè)技術(shù)的兩大核心。

2 三維數(shù)字照相量測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過三維數(shù)字照相量測(cè)試驗(yàn)，獲得不同風(fēng)載荷下玻璃的變形數(shù)據(jù)，與電阻應(yīng)變片測(cè)量系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

（1）800mm×800mm×6mm玻璃面板（1套）：幕墻試件的玻璃面板部分為800mm×800mm的6mm厚鋼化玻璃，背部為鋁塑板材質(zhì)密封箱體（圖2）。玻璃面板安置在密封條上，外側(cè)用硅膠密封。箱體側(cè)面預(yù)留2個(gè)孔洞，分別為進(jìn)氣孔和測(cè)壓孔。通過進(jìn)氣孔對(duì)玻璃進(jìn)行加壓；測(cè)壓孔則與微壓表相連，能夠?qū)崟r(shí)反映箱體內(nèi)氣壓的變化。

（2）BF120-3CA三向直角應(yīng)變花共計(jì)4枚，靈敏系數(shù)為2.18±1%，規(guī)格3mm×2mm，適用溫度-100～200℃，敏感柵尺寸3.2 mm×1.6mm，基底尺寸7.4 mm×4.4mm。應(yīng)變片由引出線、覆蓋層、電阻柵和基底構(gòu)成（圖3）。

（3）應(yīng)變儀（1套）：DH3821靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)（圖4）的采集器自帶4組采集通道，每組包括4個(gè)采集通道，共計(jì)16個(gè)，通過導(dǎo)線可連接應(yīng)變片來采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。

（4）工業(yè)相機(jī)、鏡頭及配套三腳架（2套）：采用由加拿大Point Grey Research公司生產(chǎn)的工業(yè)相機(jī)，相機(jī)型號(hào)為GS3-PGE-91S6M-C，鏡頭為KCM-1216UMP5（圖5）。

（5）DP-2000B數(shù)字壓力計(jì)1個(gè)（圖6）。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)

（1）基于數(shù)字照相量測(cè)技術(shù)的風(fēng)荷載作用下，玻璃幕墻的變形試驗(yàn)裝置如圖7所示。玻璃幕墻試件豎直放置，表面用黑白噴漆制作散斑，一側(cè)連接微壓表，另一側(cè)連接打氣筒；工業(yè)相機(jī)與電腦連接。

（2）本次試驗(yàn)設(shè)置了4個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖8），每個(gè)測(cè)點(diǎn)粘貼一枚應(yīng)變花，并測(cè)量撓度值。運(yùn)用數(shù)字照相量測(cè)方法分析后，提取這4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變及撓度，進(jìn)行相對(duì)誤差分析。

圖1 雙目視覺原理示意圖

圖2 玻璃幕墻試件

圖3 應(yīng)變片

圖4 DH3821靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

（3）在三維數(shù)字照相量測(cè)試驗(yàn)中，架設(shè)2臺(tái)相機(jī)，并在相機(jī)之間夾一定的角度（圖9）。

（4）荷載分4個(gè)等級(jí)進(jìn)行加載（500Pa、1 000Pa、1 500Pa、2 000Pa），每個(gè)等級(jí)的荷載持續(xù)約2min，加載過程如圖10所示。在每個(gè)荷載作用時(shí)，按照表中的測(cè)量項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

為了驗(yàn)證數(shù)字照相量測(cè)方法的準(zhǔn)確性，本試驗(yàn)不僅在物理試驗(yàn)進(jìn)行的過程中加入傳統(tǒng)量測(cè)方法（應(yīng)變片、百分表），還利用有限元軟件建立了有限元模型，對(duì)其加載相同的荷載，提取其應(yīng)變及撓度值，以此來驗(yàn)證物理實(shí)驗(yàn)所得到結(jié)果的可靠性。

2.4 試驗(yàn)步驟

（1）先在玻璃表面制作散斑（圖11）；隨后將應(yīng)變片與應(yīng)變儀的連接，架設(shè)好測(cè)量應(yīng)變的百分表；最后，架設(shè)好三維數(shù)字照相量測(cè)系統(tǒng)。

（2）在加載前，先采集一組圖像作為參考圖像。然后，對(duì)玻璃幕墻試件進(jìn)行加荷，當(dāng)箱體內(nèi)荷載為500Pa、1 000Pa、1 500Pa、2 000Pa時(shí)，左右相機(jī)分別采集一組圖像（圖12），并將圖像名稱標(biāo)為荷載值，以方便后處理時(shí)對(duì)應(yīng)。導(dǎo)入PMLAB軟件，按操作方法進(jìn)行分析。

3 結(jié)果討論

3.1 應(yīng)變分布

各荷載條件下，三維數(shù)字照相量測(cè)試驗(yàn)所得的玻璃面板應(yīng)變分布如圖13所示?？梢钥闯觯粶y(cè)區(qū)域中心和邊界出現(xiàn)了紅色的較大應(yīng)力區(qū)域。邊緣區(qū)域較殘破，其出現(xiàn)的原因是散斑密度較小，3D-DIC軟件在計(jì)算過程中缺乏有效數(shù)據(jù)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的缺失。

提取4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，結(jié)果見表1。在同一荷載作用下，從位置1至位置4的應(yīng)變值遞增；在同一位置，隨著荷載的增大，應(yīng)變值遞增。

3.2 撓度dz 結(jié)果

各荷載條件下，三維數(shù)字照相量測(cè)試驗(yàn)所得的玻璃面板的撓度dz分布如圖14所示。其撓度的分布呈圓環(huán)狀，中心處撓度最大，由中心向四邊以圓環(huán)方式遞減；隨著荷載的增加，撓度的分布規(guī)律大致相同，但數(shù)值隨著荷載的增加而逐漸增大。在試驗(yàn)過程中，肉眼可以明顯觀察到玻璃幕墻表面的向箱體外側(cè)凸起。

圖5 工業(yè)相機(jī)及鏡頭

圖6 數(shù)字壓力計(jì)

圖7 試驗(yàn)裝置示意圖

圖8 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖9 三維數(shù)字照相量測(cè)試驗(yàn)設(shè)備架設(shè)俯視圖

圖10 加載過程示意圖

圖11 玻璃幕墻試件表面制作散斑效果圖

圖12 左右相機(jī)采集到的一組圖像

提取4個(gè)測(cè)點(diǎn)的撓度dz值，結(jié)果見表2。在同一荷載作用下，從位置1至位置4的撓度值遞增，表明玻璃幕墻的玻璃面板中心處變形最大，而邊緣變形較小；在同一測(cè)點(diǎn)位置，隨著荷載的增大，撓度值遞增。

3.3 與應(yīng)變片測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)比

應(yīng)變片數(shù)據(jù)與三維數(shù)字照相量測(cè)試驗(yàn)得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)見圖15?？梢钥闯?，在同一荷載作用下，應(yīng)變片測(cè)量得到的應(yīng)變值與三維數(shù)字照相量測(cè)方法得到的應(yīng)變值繪制出的曲線基本相符，說明兩種方法得到的結(jié)果吻合。隨著荷載的增加，同一測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)龃?；且在同一荷載作用下，應(yīng)變從邊緣向中心逐漸增大。

根據(jù)計(jì)算公式：相對(duì)誤差＝（三維數(shù)字照相量測(cè)方法所測(cè)應(yīng)變-應(yīng)變片所測(cè)應(yīng)變）/應(yīng)變片所測(cè)應(yīng)變，計(jì)算其相對(duì)誤差，并進(jìn)行對(duì)比分析（表3）。

3.4 與百分表測(cè)得的撓度數(shù)據(jù)對(duì)比

百分表測(cè)得的撓度數(shù)據(jù)與三維數(shù)字照相量測(cè)方法得到的撓度數(shù)據(jù)對(duì)比見圖16。從圖16中可以看出，在同一荷載作用下，百分表測(cè)量得到的撓度值與三維數(shù)字照相量測(cè)方法得到的撓度值繪制出的曲線基本相符，說明兩種方法得到的結(jié)果吻合。隨著荷載的增加，同一測(cè)點(diǎn)的撓度增大；且在同一荷載作用下，撓度從邊緣向中心逐漸增大。

根據(jù)公式：相對(duì)誤差＝（三維數(shù)字照相量測(cè)方法所測(cè)撓度-百分表所測(cè)撓度）/百分表所測(cè)撓度，計(jì)算其相對(duì)誤差，并進(jìn)行對(duì)比分析（表4）。

圖13 三維數(shù)字照相量測(cè)方法得到的應(yīng)變分布云圖

表1 三維數(shù)字照相量測(cè)方法得到的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

3.5 結(jié)果分析

由表3和4可以看出，三維數(shù)字照相量測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與應(yīng)變片、百分表實(shí)際測(cè)量結(jié)果之間相對(duì)誤差大致上都比較小。傳統(tǒng)測(cè)量方法與三維數(shù)字照相量測(cè)方法所得到的玻璃幕墻試件應(yīng)變和撓度值存在誤差的主要原因有以下2種。

圖14 三維數(shù)字照相量測(cè)方法得到的撓度分布云圖

表2 三維數(shù)字照相量測(cè)方法得到的測(cè)點(diǎn)撓度值

圖15 應(yīng)變片所得應(yīng)變數(shù)據(jù)與三維數(shù)字照相量測(cè)方法所得應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)比圖

（1）應(yīng)變片粘貼的過程中，玻璃表面存在污漬導(dǎo)致應(yīng)變片與玻璃表面未緊密黏合，在風(fēng)荷載作用下玻璃表面形變較大，而應(yīng)變片形變較小。

（2）用三維數(shù)字照相量測(cè)方法采集圖像與傳統(tǒng)量測(cè)方法在測(cè)量過程中存在短暫的時(shí)間差，導(dǎo)致箱體內(nèi)風(fēng)壓的改變。

4 結(jié)語

綜上所述，我們可以得出以下結(jié)論：

表3 三維數(shù)字照相量測(cè)方法與應(yīng)變片所得測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值相對(duì)誤差

圖16 百分表所得撓度數(shù)據(jù)與三維數(shù)字照相量測(cè)方法所得撓度數(shù)據(jù)對(duì)比圖

表4 百分表所測(cè)撓度與三維數(shù)字照相量測(cè)方法所測(cè)撓度誤差

（1）三維數(shù)字照相量測(cè)試驗(yàn)得到的撓度呈圓環(huán)狀分布，中心處撓度最大，由中心向四邊以圓環(huán)方式遞減。隨著荷載的增加，撓度的分布規(guī)律不變，但撓度值隨著荷載的增加而逐漸增大。

（2）由應(yīng)變片和百分表測(cè)量結(jié)果表明，玻璃幕墻玻璃面板表面的應(yīng)變和撓度的最大值都位于玻璃面板的中心，越靠近邊緣，其值越小。

（3）將三維數(shù)字照相量測(cè)試驗(yàn)得到的應(yīng)變和撓度數(shù)據(jù)與應(yīng)變片、百分表所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：①在相同風(fēng)荷載作用下，同一測(cè)點(diǎn)兩種方法應(yīng)變值的相對(duì)誤差較小，同一測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值隨風(fēng)荷載的增大而增大，兩種方法繪制出的應(yīng)變-位置曲線基本重合；②在相同風(fēng)荷載作用下，同一測(cè)點(diǎn)兩種方法撓度值的相對(duì)誤差較小，同一測(cè)點(diǎn)撓度值隨風(fēng)荷載的增大而增大，兩種方法繪制出的撓度-位置曲線基本重合。因此，可以認(rèn)為三維數(shù)字照相量測(cè)方法適用于玻璃幕墻表面應(yīng)變及撓度量測(cè)。