CN109931878A - 一种基于数字散斑标记的建筑幕墙地震变形监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于数字散斑标记的建筑幕墙地震变形监测方法，其基本步骤包括：1)将试件框架固定于地震模拟振动台，将待测幕墙装配于框架上，并在幕墙表面人工标记具有随机特性的散斑图案；2)架设两台工业数码相机对试件表面的散斑图案进行成像；3)按拟建场地特性拟合人工地震波，进行分级多次加载，同时采集散斑图像；4)在计算机中对采集到的数字图像序列进行三维数字图像相关匹配计算，得到地震荷载作用下建筑幕墙表面的全场位移和变形信息。本发明通过数字散斑图像标记和光学测量方法，获取地震荷载作用下幕墙全场变形的定量数据，测量结果更精准，测量步骤更简单，应用范围更加广泛。

Description

一种基于数字散斑标记的建筑幕墙地震变形监测方法

技术领域

本发明涉及的一种建筑幕墙地震荷载变形的监测方法，特别关于一种基于数字散斑标记的建筑幕墙地震变形监测方法。

背景技术

作为建筑物的外部围护结构类型之一，建筑幕墙既拥有外观修饰能力，又具有一定的结构承载功能。在工程实际运用中，关于建筑幕墙受地震作用而损坏致险的案例众多。当地震荷载超过幕墙承载能力极限时，幕墙会产生形变甚至幕墙单元发生破裂，由此引发的安全事故不容忽视。基于上述原因，监测建筑幕墙在地震荷载作用下的变形情况，以评估试件使用年限内的安全性能，是工程项目安全质检以及建筑设计期间对其力学性能考量的重要步骤。

目前较为常用的对建筑幕墙地震荷载作用下的安全性能的评价方法，主要是使用模拟地震作用的震动平台对固定在模拟试件框架上的待测建筑幕墙进行抗震试验。具体方法为：在振动平台台面中心处布置三维检测的测点；在幕墙与模拟试件框架连接处按平行于幕墙表面水平方向布置测点；对于动力反应较大或者复杂情况位置布置测点。于测点处安装位移、加速度传感器，使用应变片贴于幕墙受力复杂或局部变形较大、重要区域。选用研究所需要的加速度时程波形、幅值大小输入机器，启动振动台进行加载试验，同步记录模拟实验框架与幕墙试件的动力响应情况，同时观察部件面板开裂、间隙，连接幕墙与框架的支撑构件连接有无变形破坏。整理数据阶段提取采集结果中数据最大值与相应时刻、时程反应曲线等数据，评价建筑幕墙抗震性能。该方法较准确还原重现了地震荷载作用的效果，也直观、实时测量到了建筑幕墙在地震作用下的变形情况，但存在不足之处：1)实验前选取几个关键布置测点并使用位移、加速度传感器测量，获取的数据仅为几个有限测量关键点位置，得到的位移加速度信息用来描述整块幕墙的变形显然是不充分的，特别是对于结构复杂、复合材料的建筑幕墙，其关键测点并不能在试验之前完全准确定位，根据目前的主流方法选取的关键测量点并不一定能够完全捕捉到所有可能发生较大破坏的区域；2)通过渐进式增加每个反应谱输入的幅值大小，或改变反应谱类型直到产生破坏，目前的方法仅仅依靠视频记录回放、肉眼观察展开裂纹等破坏情况确定最大反应时刻，显然是不够精确的，往往在肉眼能够观察到现象之前，破坏已经发生了；3)随着幕墙形式发展的多样化，对于简易幕墙结构布置传统电位传感器较为容易，但对结构形式复杂、或传统仪器无法直接接触到的关键部位等特殊情况束手无策；4)现今幕墙结构已趋向于大型、连续多跨形式，对幕墙的安全监测在空间跨度与精确度上的要求进一步提高。如果采用传统电位传感器布置的方法实现幕墙的安全监测，需要在试件上布置大量传感器，一方面对技术实现提出了很高要求，对监测成本造成了很大负担，另一方面对于大型结构物而言，布置大量传感器、线缆对幕墙自身也会产生不可忽视的荷载，使得测量结果与真实值产生交大差距，影响测量准确性。

发明内容

针对目前建筑幕墙地震荷载变形的测量方法存在的不足，本发明的目的是提供一种基于数字散斑标记的建筑幕墙地震变形监测方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于数字散斑标记的建筑幕墙地震荷载变形监测方法，其步骤包括：1)根据实际工程中幕墙单元的固定方式将待测建筑幕墙装配于模拟试件框架上；2)在试验开始前固定两架工业CCD相机于试件前方，保证两台相机与待测幕墙表面的垂直距离相同。要求两台相机分别从左右两个方向成像，各画幅能捕捉到幕墙单元所有面积范围，两台相机所在水平面、对称轴面垂直于幕墙表面。将两台数码相机与计算机连接并启动对应的图像采集软件；3)利用标定板标定架设好的数字成像系统。启动地震模拟震动台装置，输入实验所需的单个、多个拟合地震加速度时程波形曲线，对幕墙单元施加单轴或多轴方向组合作用，使用分级多次加载方法逐次施加荷载，同时利用两台相机连续拍摄一系列照片记录对应荷载作用下幕墙表面的数字散斑图像；4)对实验中采集到的一系列对应工况荷载作用下的数字图像，在计算机上使用三维数字图像相关匹配算法进行相关匹配计算，得出建筑幕墙在地震荷载作用下的全场位移变形信息。本发明克服了以往因使用电位传感器方法仅能检测局部范围变化的缺点，以及反复目视观察测试录像回放中幕墙破坏情况的不可靠性。该发明通过采集地震荷载作用时期的数字散斑图像并对照片序列进行匹配计算，在不需要直接接触试件表面的情况下，定量获取幕墙在地震作用下的全场变形、位移信息，提升了幕墙地震荷载变形监测的精确度与稳定性，并避免了布置大量位移传感器的步骤，使得测量成本更低廉。

所述步骤1)中，待测建筑幕墙单元的表面需要拥有足够随机特性的纹理，有时试件表面具有随机分布的自然纹理，适合直接计算，但对于相似性很高、或是没有任何纹理的试件，需要实验前在待测表面人为添加散斑标记：为保证成像对比度明显、图像识别精确度的最大化，使用黑底白点的方法人为制斑。对幕墙表面首先使用黑色的哑光油漆喷涂作为底色背景，等待挥发稳定后再于幕墙表面使用白色哑光油漆喷洒呈颗粒状随机分布斑点。为保证匹配精度，要求单个斑点的大小在对应照片中最好为3个像素左右。

所述步骤2)中，架设的两台相机的光轴交点需与试件中心重合，并保证左右两台相机都能捕捉到整个幕墙表面的图像。为确保待测表面上的散斑图案成像清晰，实验前还需调节两台相机的光圈大小和焦距范围。为使采集精度最大化，尽可能使待测幕墙表面在两台相机的成像范围内最大、布满整个视场。

所述步骤3)中，进行两台相机标定时需要将所用的标定板放置于测试幕墙单元平面内，使用左右两台相机分别对同一标定板成像。在计算机进行匹配计算时，标定板上的任意一点在世界坐标系中可表示为(x_w,y_w,z_w)，并且此点在左右相机捕捉到的图像中的坐标可分别表示为(x_l,y_l)、(x_r,y_r)，根据三角定位原则，世界坐标与两台相机坐标之间的关系可表示为：

上述关系式中，s为相关比例系数，[Rt]为搭建的成像系统的外部参数，其中R为世界坐标系到搭建的相机坐标系的旋转矩阵，t为世界坐标系到搭建的相机坐标系的平移向量，A为两台相机各自的内部参数。在实验前对已知空间坐标关系的标定板进行成像，可以反算得到搭建的成像系统的内外部参数矩阵。在试验结束后的最终匹配计算中，可以将两台相机中的二维坐标还原为世界坐标系中的三维坐标。

向地震模拟震动平台装置输入研究所需的典型强震记录或人工地震波加速度时程波形曲线，并进行分级加载，即在同一波形下累加幅值大小，再切换到下一波形。将对应工况时刻采集到的照片序列拍摄存储于计算机中。

所述步骤4)中，三维数字图像相关匹配计算算法流程步骤如下所示：

a)拍摄未进行地震荷载试验的幕墙散斑图像作为参考对比图像，拍摄不同地震荷载工况作用下的散斑图像，作为研究此工况下的目标图像；

b)在选定合适的参考图像中确定要监测区域；

c)在监测区域中选择采样点；

d)确定相关计算子区，同时在目标图像中对应的位置确定搜索区域；

e)基于如下相关匹配准则，在试验加载后拍摄的图像中进行相关匹配计算：

其中，f(x_i,y_j)和g(x′_i,y′_j)分别为施加地震荷载前后幕墙表面对应位置的灰度值函数，C为两个子区之间的相关系数，当系数C越小时，这两个子区就越接近；

f)进行全场搜索后相关系数最小的位置即为该采样点变形后最有可能移动到的位置，计算前后位置之间的坐标差便可得到该点在地震荷载作用下的位移向量；

g)对监测区域中所有的采样点重复步骤d)～f)，即可得到所有采样点的位移信息；

h)基于所有采样点的位移信息重建整个建筑幕墙表面的全场变形信息。

本发明采用的上述技术方法具有以下优点：1)本发明基于三维数字图像相关匹配计算算法，能够对建筑幕墙在地震荷载作用下发生的变形进行检测，相对于使用传统电位传感器测量方法只能够对布置了测点的有限部位进行测量，本发明能够定量评估幕墙表面任意位置的地震作用变形信息；2)本发明由于使用图像采集捕捉技术，于试验完成后进行匹配计算，而不需要在试验过程中直接接触测量幕墙，对试验本身没有影响，还原性高；3)本发明还可以通过硬件本身性能的改进来完成大型超高层建筑幕墙等不便于人为添加传统测量仪器的研究，如提升相机分辨率、架设位置等。因此该方法具有便于操作且成本低廉、稳定性高、干扰性小与精准度强等优点，具有实际推广价值。

附图说明

图1为本发明的地震荷载试验加载装置示意图。

图2为标定板示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

结合图1～2，本发明包括以下几个步骤：

步骤一：如图1所示根据实际工程中幕墙单元的不同固定方式将待测建筑幕墙装配于模拟试件框架上；

步骤二：在试验开始前固定两架工业CCD相机于试件前方，保证两台相机与待测幕墙测试表面距离相同。要求两台相机分别从左右两个方向成像，各画幅能捕捉到幕墙单元所有面积范围，两台相机所在水平面、对称轴面垂直于幕墙表面。将两台数码相机与计算机连接并启用对应相机硬件所用的图像采集软件；

步骤三：利用标定板标定架设好的数字成像系统。启动地震模拟震动台装置，输入实验所需的单个、多个拟合地震加速度时程波形曲线，对幕墙单元施加单轴或多轴方向组合作用，使用分级多次加载方法逐次施加幅值大小，同时利用两台相机连续拍摄一序列照片记录对应荷载作用下幕墙表面的数字散斑图像；

步骤四：对实验中采集到的一系列对应工况荷载作用下的数字图像，在计算机上使用三维数字图像相关匹配算法进行相关匹配计算，得出建筑幕墙在地震荷载作用下全场位移变形信息。

所述步骤一中，待测建筑幕墙单元的表面需要拥有足够随机特性的纹理，有时试件表面的自然纹理已经足够随机，适合直接使用计算，但对于重复相似性很高，或是没有任何纹理的试件，需要在实验前在待测表面人为添加散斑标记：为保证成像对比度明显、图像识别精确度的最大化，使用黑底白点的方法人为制斑。对幕墙表面首先使用黑色的哑光油漆喷涂作为底色背景，等待挥发稳定后再于幕墙表面使用白色哑光油漆喷洒呈颗粒状随机分布斑点，要求单个斑点的大小不占用相机采集照片中的多个像素点以降低匹配计算精度。

所述步骤二中，架设的两台相机其组合的光轴需正对试件的中心，并保证两台相机从左右方向都能捕捉到幕墙全部测试表面。为确保待测表面上的散斑图案成像清晰，实验前还需调节两台相机的光圈大小和焦距范围。为使采集精度最大化，尽可能使待测幕墙表面在两台相机的视界范围内最大化、撑满视场。

所述步骤三中，进行两台相机标定时需要将所用的标定板放置于测试幕墙单元平面内，使用左右两台相机分别对同一标定板成像。标定板如图2所示。在计算机进行匹配计算时，标定板上的任意一点在世界坐标系中可表示为(x_w,y_w,z_w)，并且此点在左右相机捕捉到的图像中的坐标可分别表示为(x_l,y_l)、(x_r,y_r)，根据三角定位原则，世界坐标与两台相机坐标之间的关系可表示为：

上述关系式中，s为相关比例系数，[R t]为搭建的成像系统的外部参数，其中R为世界坐标系到搭建的相机坐标系的旋转矩阵，t为为世界坐标系到搭建的相机坐标系的平移向量，A为两台相机各自的内部参数。在实验前对已知空间坐标关系的标定板进行成像，可以反算得到搭建的成像系统的内外部参数矩阵。在试验结束后的最终匹配计算中可以将两台相机中的二维坐标反算为世界坐标系中的三维坐标。

向地震模拟震动平台装置输入研究所需的典型强震记录或人工地震波加速度时程波形曲线，并进行分级加载，即在同一波形下累加幅值大小，再切换到下一波形。将对应工况时刻采集到的照片序列拍摄存储于计算机中。

所述步骤四中，三维数字图像相关匹配计算算法流程步骤如下所示：

a)拍摄未进行地震荷载试验的幕墙散斑图像作为参考对比图像。拍摄不同地震荷载工况作用下的散斑图像，作为研究此工况下的目标图像；

b)在选定合适的参考图像中确定要监测区域；

c)在监测区域中以30像素为采样间隔选择采样点；

d)确定相关计算子区大小选择，选区以采样点为中心、15个像素点为半径的矩形区域，同时在目标图像中对应的位置确定搜索区域；

e)基于如下相关匹配准则，在试验加载后拍摄的图像中进行相关匹配计算：

其中，f(x_i,y_j)和g(x′_i,y′_j)分别为施加地震荷载前后幕墙表面对应位置的灰度值函数，C为两个子区之间的相关系数，当系数C越小时，这两个子区就越接近；

f)进行全场搜索后相关系数最小的位置即为该采样点变形后最有可能移动到的位置，计算前后位置之间的坐标差便可得到该点在地震荷载作用下的位移向量；

g)对监测区域中所有的采样点重复步骤d)～f)，即可得到所有采样点的位移信息；

h)基于所有采样点的位移信息重建整个建筑幕墙表面的全场变形信息。

图1说明了本发明的试验装置图。将待测幕墙按照工程检验要求固定于模拟实验框架上。在进行地震荷载实验前首先在建筑幕墙单元的待测表面上喷涂黑色哑光油漆作为散斑底漆，待油漆挥发稳定后，再喷涂白色哑光油漆斑点，确保其拥有足够的随机特性，形成如图1中左上角所示的随机散斑图案。在建筑幕墙试件的正前方布置一对工业相机测量仪器，要求两台相机之间保持一定夹角，组成的光轴正对幕墙形心，光轴与水平面都垂直于待测试件表面，两台相机都连接至计算机以控制进行图像采集。

图2说明了本发明使用的标定板样式。如图所示，该标定板由规则圆点阵列组成，其大小规模为9×12个。其中的有三个圆点为空心形状，用来为两台相机所拍摄的图像进行标定反算。在实验开始前先将标定板放置于待测建筑幕墙表面，使用两台工业相机对标定板采集图像，运用图像匹配计算方法对已知位置关系的标记点反算求得系统参数。

Claims (4)

1.一种基于数字散斑标记的建筑幕墙地震变形监测方法，其步骤包括：

1)根据实际工程中幕墙单元的固定方式将待测建筑幕墙装配于模拟试件框架上；

2)在试验开始前固定两架工业CCD相机于试件前方，要求两台相机与待测幕墙测试表面距离相同、分别从左右两个方向成像，各画幅能捕捉到幕墙单元所有面积范围，两台相机所在水平面、对称轴面垂直于幕墙表面；

3)利用标定板标定架设好的数字成像系统，启动地震模拟震动台装置，输入实验所需的单个、多个拟合地震加速度时程波形曲线，对幕墙单元施加单轴或多轴方向组合作用，使用分级多次加载方法逐次施加幅值大小，同时利用两台相机连续拍摄一序列照片记录对应荷载作用下幕墙表面的数字散斑图像；

4)对实验中采集到的一系列对应工况荷载作用下的数字图像，在计算机上使用三维数字图像相关匹配算法进行相关匹配计算，得出建筑幕墙在地震荷载作用下全场位移变形信息。

2.如权利要求1所述的一种全场非接触式的建筑幕墙地震荷载变形监测方法，其特征在于：所述步骤1)中，待测建筑幕墙单元的表面需要拥有足够随机特性的纹理，有时试件表面的自然纹理已经足够随机，适合直接使用计算，但对于重复相似性很高，或是没有任何纹理的试件，需要在实验前在待测表面人为添加散斑标记：为保证成像对比度明显、图像识别精确度的最大化，使用黑底白点的方法人为制斑。对幕墙表面首先使用黑色的哑光油漆喷涂作为底色背景，等待挥发稳定后再于幕墙表面使用白色哑光油漆喷洒呈颗粒状随机分布斑点，要求单个斑点的大小不占用相机采集照片中的多个像素点以降低匹配计算精度。

3.如权利要求1或2所述的一种全场非接触式的建筑幕墙地震荷载变形监测方法，其特征在于：所述步骤2)中，架设的两台相机其组合的光轴需正对试件的中心，并保证两台相机从左右方向都能捕捉到幕墙全部测试表面，实验前还需调节两台相机的光圈大小和焦距范围，尽可能使待测幕墙表面在两台相机的视界范围内最大化、撑满视场。

4.根据权利要求1所述的一种全场非接触式的建筑幕墙地震荷载变形监测方法，其特征在于：所述步骤3)中，向地震模拟震动平台装置输入研究所需的典型强震记录或人工地震波加速度时程波形曲线，并进行分级加载，即在同一波形下累加幅值大小，再切换到下一波形，将对应工况时刻采集到的照片序列拍摄存储于计算机中，进行两台相机标定时需要将所用的标定板放置于测试幕墙单元平面内，使用左右两台相机分别对同一标定板成像并存储于计算机中，基于两幅图像反算相机系统参数。