基于三維數字照相量測技術的風荷載作用下玻璃幕墻變形量測研究

陳元義 劉文白 原媛 孔戈 高建衛

摘要：針對玻璃幕墻在風荷載作用下變形量測方法不能解決全場、復雜節點變形的問題，提出一種基于三維數字照相變形量測技術的光學方法。通過使用雙攝像機的三維數字照相量測技術，測定玻璃幕墻在不同風荷載作用下的應變和撓度，然后通過與傳統方法應變片和百分表測量以及有限元數值模擬所得的數據進行比較，來驗證三維數字量測方法在玻璃幕墻變形量測的可行性。試驗結果表明：在相同的風荷載作用下，通過3種方法所測得的應變一位置和撓度一位置的比較，說明三維數字照相量測試驗測量得到的玻璃幕墻表面變形數據是準確的，數字照相量測方法可以應用于玻璃幕墻表面變形量測。

關鍵詞：三維數字照相量測;玻璃幕墻;風荷載;變形測量

中圖分類號：TU382 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0029-06

收稿日期：2018-04-12;收到修改稿日期：2018-05-23

基金項目：國家自然科學基金項目（51078228）;國家海洋公益性行業科研專項經費項目（201105024-5）;2013年上海市研究生

教育創新計劃實施項目“學位點建設培育”（20131129）;上海市科學技術委員會立項項目（15DZ0500700）

作者簡介：陳元義（1991-），男，河南信陽市人，碩士研究生，專業方向為數字圖像。

0 引言

玻璃幕墻作為一種新型建筑圍護結構，因其采光好，防風雨，美觀的特性，已經成為當今建筑外墻的主流材料[1]。玻璃幕墻由玻璃面板和承載結構組成[2]。雖然我國在玻璃幕墻行業已經取得了很好的成果，但是缺乏對玻璃幕墻結構的基礎研究[3-4]。基礎研究和數據分析的缺失為日后玻璃幕墻的使用埋下了巨大的隱患。因此，對玻璃幕墻設計及使用過程中應變及撓度的研究不容忽視。

目前，玻璃幕墻應變的測量是將應變片安裝在被觀測物體上;對于撓度的測量主要是利用百分表，這種傳統方法只能得到單個測點的應變和撓度值[5-6]。而采用數字圖像相關法測量玻璃幕墻變形的研究目前還很少，該方法有全場性、非接觸的特點[7-11]。黃琳潔等通過二維數字照相量測方法所得的玻璃幕墻表面應變值與應變片量測所得的應變值相差非常大。此外，二維數字照相量測試驗不能得出玻璃幕墻的撓度值。二維數字照相量測主要用于物體表面的位移測量，它在使用的過程中有局限性：被測物表面必須是或近似平面;被測物的運動主要是平面內運動，離面運動很小或沒有;相機光軸必須垂直或近似垂直被測物表面[12]。

在實際應用過程中，被測物體往往不是一個平面，發生的變形也不僅僅只是面內位移。為了滿足對平面或曲面物體表面變形測量的要求，采用了以雙相機拍攝的三維數字照相量測方法。該方法采用雙目立體視覺原理[13]，為改善目前玻璃幕墻的單點式撓度及應變測量方法，更加全面而直觀地展示被測物體整體的受力狀態及變形狀態，嘗試將三維數字照相量測方法引入玻璃幕墻的應變和撓度量測分析中。通過采用三維數字照相量測方法，研究玻璃面板的變形情況，與應變片和百分表所測得的測點數據進行對比，驗證三維數字照相量測方法在風荷載作用下玻璃幕墻變形量測的可行性。

1 實驗

1.1 三維數字照相量測技術基本原理

基于雙目立體視覺原理的三維數字照相量測即可滿足非平面或曲表面物體的三維形貌以及三維變形量測。雙目立體視覺是基于人的視覺方式的仿生學原理，通過兩臺相機從不同空間位置來觀察同一物體表面上的一點，根據其在兩幅圖像中的匹配像素點及相機的空間位置和光學參數，計算出其空間的三維坐標[14-15]。

三維照相量測技術包含4個關鍵部分：1）圖像采集，兩個相機同步獲取被測物圖像;2）圖像匹配，在兩幅圖像中尋找對應點;3）三維重建，標定兩臺相機成像模型參數，結合圖像匹配得到的對應點坐標計算該點的三維坐標;4）變形計算，由同一點變形前后的三維坐標求解該點變形。在這4個關鍵部分中，2）和3）是兩大核心。

在利用三維數字照相量測技術進行測量的過程中，為了確定空間中的一點在二維圖像中的對應點的位置，必須通過相機的參數建立幾何模型，通過相機的標定就可以確定這些參數。用于標定的標定板應具有易識別、易提取的特征，常見的標定板有黑白棋盤格標定板圖1（a））和圓點標定靶（圖1（b））。

1.2 實驗材料與儀器

玻璃幕墻試件由玻璃面板和鋁塑板材質密封箱體組成，玻璃面板安置在密封條上，外側用硅膠密封。玻璃面板為800mm×800mm×6mm的雙層鋼化玻璃。試驗場地和材料由上海眾材工程檢測有限公司提供。

傳統測量儀器有：應變儀（型號為DH3821）、BF120-3CA三向直角應變花;測量撓度的百分表和磁性表座一套。工業才助L（型號為GS3-PGE-91S6M-C）;PMLAB圖像處理軟件。

1.3 實驗方法

圖2為實驗現場布置示意圖，兩臺相機分別安裝在左右兩邊的三腳架上，相機相距0.8m，相機與玻璃面板的距離為1.2m。通過數碼相機量測方法，采集在0，500，1000，1500，2000Pa荷載作用下玻璃幕墻的圖像。然后將采集到的圖片導入到圖形分析軟件PMLAB中，得到應變云圖和撓度云圖。

利用傳統測量貼應變片和架設百分表方法，分別測量幕墻在施加500，1000，1500Pa和2 000Pa荷載作用下4個位置的應變值和撓度值。

為與試驗作對比，建立有限元數值模型。模型尺寸為80cm×80cm。采用SHELL181二維單元來模擬玻璃面板。利用二維單元模擬玻璃面板的受力情況，主要優點在于每個節點具有6個自由度。SHELL181單元適合對具有一定厚度的殼體結構進行分析，是一個4節點單元，每個節點單元具有6個自由度，可以支持線性分析、材料塑性、應力剛化、大應變和大變形分析。設置玻璃面板彈性模量為72GPa，泊松比03。在行業標準JGJ102-2013《玻璃幕墻工程技術規范》[16]中將玻璃面板視為簡支板。因此，在有限元模型的建立過程中，限制x，y，z3個方向的平動約束，而不限制3個方向的轉動約束。網格劃分采用20mm×20mm的正方形網格。

2 結果與討論

利用三維數字照相量測系統獲取單元玻璃幕墻的表面變形信息，對玻璃幕墻逐級加壓，計算幕墻表面的全場位移和應變數據;同時，在幕墻表面布置應變片和百分表，采集對應的應變和撓度信息;進一步建立玻璃幕墻的有限元模型，模擬各級風壓荷載作用下的幕墻響應行為;比較分析上述數字照相量測技術、應變片測量、百分表測量和有限元模擬的數據，驗證數字照相量測技術的可行性。

2.1 三維應變云圖結果分析

通過三維數字照相量測試驗，所得玻璃面板應變分布云圖，如圖3所示。由圖可知在不同荷載作用下，玻璃面板上的應變值呈現出中間大、四周小的趨勢;隨著荷載的增加，在面板相同位置處應變值在增加;云圖四周出現應變值激增的情況，通過分析可知與拍攝光線以及周邊玻璃面板密封有關，但總體變化情況符合玻璃面板在受到外荷載后應變的變化規律。

在上圖應變云圖上取得4個不同位置測點的應變值，同理通過應變計布置在相同位置處采集應變值，將所得數值繪制在圖4中進行分析。可以得出，對于同一荷載作用下，位置1到位置4應變值逐漸增大;而在相同位置處，隨著荷載的增加應變值也隨之增加，綜合分析可知這是由于四邊約束玻璃板在受到外荷載作用下，中心位置應變值最大，沿著對角線往四周方向逐漸遞減。

為了更好的做比較，圖5將兩種不同方法下所得應變值放在同一曲線圖中，由圖可以看出，在同一荷載作用下，通過應變片測量得到的應變值整體要小于數字量測所得應變值;另外通過對比分析數值變化，可得出兩種不同方法所得的應變隨荷載變化曲線基本一致，說明兩種方法得到的結果吻合。

2.2 三維數字照相量測方法測得撓度云圖分析

各荷載條件下，三維數字照相量測試驗所得的玻璃面板的撓度d_z分布如圖6所示。從圖中可看出，在1kPa荷載作用下，面板撓度云圖呈圓環形分布，即中間大，四周小;隨著荷載的增加，在同一位置處撓度值也在增加。

2000Pa下三維數字量測方法與有限元模擬方法得到的玻璃幕墻撓度云圖，如圖7所示。可以看出，利用三維數碼相機量測和數值模擬得到的撓度云圖都是中心位置撓度最大，然后呈環形向四周擴散。

兩種方法所得結果存在誤差，其原因有：1）有限元模型對于玻璃幕墻四邊的約束條件為限制x，y，z3個方向的平動，而沒有限制3個方向的轉動。2）實際試驗中，玻璃幕墻四邊是用結構膠進行密封，在風荷載的作用下，結構膠也會發生一定量的形變，從而導致有限元模型測量得到的應變和撓度值與試驗過程測量得到的應變和撓度值存在誤差。3）有限元模型在加載的過程中采用均布荷載的加載方式，而在實際試驗過程中，對于玻璃面板而言風并不是完全垂直均勻地吹在玻璃面板上，在邊角位置會受到結構膠粘結不均勻的影響，因此數值上存在一些差異。

2.3 三維數字量測方法測得撓度的可行性分析

用撓度計測得位置1～4測點的撓度值d_z，由數字量測所得云圖中提取相同位置處不同荷載作用下的撓度值，同理提取經過有限元數值模擬中相同位置不同荷載作用下的數值，將所得數值繪制在如下曲線圖中。將各方法所得撓度值單獨繪制在曲線圖中，如圖8所示，對于撓度計、數碼量測技術和數值模擬這3種不同測量方法，在同一荷載作用下，從位置1至位置4所測得撓度值逐漸遞增;在同一測點位置處，隨著荷載的增大，撓度值呈現遞增趨勢。由圖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。

為了將3種不同方法所得數值做比較，將3種方法所得數值繪制在同一曲線圖上，如圖9所示，在相同的風荷載作用下，3種方法所測得的撓度值在測點1-4逐漸增加，所得位置一撓度曲線基本吻合。整體來說，隨著荷載的增大，同一位置處的撓度也增大。當風荷載的增幅相同時，越靠近玻璃面板中心，撓度的增幅越大。在相同風荷載條件下，越靠近玻璃面板中心，其撓度越大，靠近玻璃幕墻框架處的撓度幾乎為零。為進一步分析3種方法的誤差，將3種方法所采集到的數據兩兩對比，計算誤差值。百分表測得的撓度數據與有限元模型得到的撓度數據對比分析，結果見表1。

三維數字照相量測方法得到的撓度數據與有限元模型得到的撓度數據對比分析，結果見表2。

由表1可以看出，百分表測得的撓度數據相對有限元模型得到的撓度數據整體偏大，平均誤差在6%左右。由表2可以看出，三維數字照相量測方法得到的撓度數據與有限元模型得到的撓度數據吻合得較好，平均誤差在1%左右。對比傳統測量方法、有限元模型與數字照相量測三種測量方法結果發現，在相同的風荷載作用下，3種方法所測得的撓度一位置曲線都基本吻合，說明三維數字照相量測試驗測量得到的玻璃幕墻表面變形數據是準確的，有限元模型也符合實際情況。

3 結束語

分析傳統測量方法、有限元模型與數字照相量測三種測量方法所得到的玻璃幕墻試件應變和撓度值，得到的結論如下：

1）對于應變測量方面，在同一荷載條件下，三維數字照相量測方法所測得的應變值較大，應變片測量所得的應變值相對較小，不同位置處兩種方法測得的數值呈現相同的變化規律。

2）對于撓度測量方面，對比傳統測量方法、有限元模型與數字照相量測三種測量方法結果發現，在相同的風荷載作用下，三種方法所測得的撓度一位置曲線基本吻合，相對誤差在允許范圍以內，說明三維數字照相量測試驗測量得到的玻璃幕墻表面變形數據是準確的，有限元模型也符合實際情況。

參考文獻

[1]黃琳潔，劉文白，原媛，等.基于數字照相量測技術的風荷載作用下玻璃幕墻變形量測研究[J].硅酸鹽通報，2017（2）：625-628.

[2]王娜，馬眷榮，劉海波.負風壓下結構密封膠對隱框幕墻力學行為的影響[J].硅酸鹽通報，2011（2）：320-324.

[3]馬化柱.風荷載作用下隱框玻璃幕墻力學行為研究[J].門窗，2014（4）：13-15.

[4]李正農，羅疊峰，史文海，等.沿海高層建筑玻璃幕墻風致應力現場實測研究[J].中國科學，2011，41（11）：1439-1448.

[5]LI C，WANG L，WANG X X.Crack and crack growthbehavior analysis of asphalt mixtures based on the digitalspeckle correlation method[J].Construction and BuildingMaterials，2017，147：227-238.

[6]梁晉，梁瑜，張桁維，等.高亮度下近紅外激光散斑投射的輪廓測量[J].中國測試，2017，43（11）：17-21.

[7]潘興琳，保宏，張旭東.基于模糊的框架變形重構的應變測量修正[J].振動一測試與診斷，2018，38（2）：360-364.

[8]曲嘉，李東昌，黃超.動態斷裂韌性實驗中Dlc技術應用研究[J].中國測試，2016，42（10）：45-48.

[9]張順慶，高晨家，張龍.數字圖像相關技術在應力應變測量中的發展與最新應用[J].影像科學與光化學，2017（2）：193-198.

[10]BING P，LONG T，XIAO L S.Real-time，non-contact andtargetless measurement of vertical deflection of bridges usingoff-axis digital image correlation[J].NDT&E International，2016，79：73-80.

[11]XING C，TAN Y Q，LIU X Y，et al.Research on localdeformation property of asphalt mixture using digital imagecorrelation[J].Construction and Building Materials，2017，140：416-423.

[12]朱魁章，程騰，仰葉，等.基于DIC的斯特林制冷機振動非接觸三維全場測試方法[J].中國測試，2015，41（5）：1-4.

[13]潘兵，謝惠民，李艷杰.用于物體表面形貌和變形測量的三維數字圖像相關方法[J].實驗力學，2007（6）：556-567.

[14]趙明珠，王志勇，王世斌，等.基于三維數字圖像相關方法的面部表清變形測量研究[J].實驗力學，2017（2）：152-163.

[15]俞立平，潘兵.使用單彩色相機的單相機三維數字圖像相關方法[J].試驗力學，2017（5）：687-699.[16]玻璃幕墻工程技術規范：JGJ102-2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

（編輯：徐柳）