土木工程變形監測中影像測量變形技術

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0引言

近年來土木工程建設規模越來越大，但使用條件越來越復雜，對施工或運營期安全監測的要求也越來越高，如一些工程項目尤其是運營期的工程項目要求監測作業時間非常短，現場監測作業不影響正常運營；某些大型橋梁、隧道、邊坡項目現場不具備工作場地條件，很難或無法接觸到結構面人工布設監測點；一些應急搶險工程項目要求現場安全監測快速高效，不損傷已出現病害的結構。而常規的監測方法對于上述有較高特殊監測要求的土木工程項目往往是難以奏效的。影像測量技術是近年來發展非常迅速的一項非接觸式測量新技術，其優點是只需在工作現場拍攝不同角度目標體的數字照片，即可構建被測對象的三維模型并取得測量數據，從而準確測量目標體的尺寸、位置和變形。非接觸式測量可不損傷被測量目標，信息容量高且可重復使用，不僅可為靜態目標提供三維空間坐標或等值線圖，且也可為動態目標提供運動軌跡及變化規律，特別適合用于測量包含大量測量點位的目標體，時效性要求高，躲避危險環境而遠離測量測量對象等情況。本文針對影像測量技術展開研究和分析，介紹了影像測量的原理，詳細說明了影像測量技術在土木工程監測領域應用的典型案例。

1影像測量原理

影像測量技術是通過數字照片建立被測物3D模型并測量細部尺寸的技術。利用數字影像技術，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、線、面迅速有效地構建出三維模型并取得測量數據。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與物體上同一點的三角關系，如圖1所示。影像測量監測精度可達到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，即可得到瞬間的點位關系，這是其它方法無法做到的，作業方法可根據目的不同而靈活調整；②相片信息豐富，顯示能力客觀，適用于測量規則或不規則物體的外形；③在具有同步裝置的條件下可對動態目標進行測量；④適于對不可接觸物體的測量，如電弧、燃燒、爆炸等；⑤對控制點的布設及精度要求較高，但與傳統的大地測量相比，可大大減少外業工作；⑥相片可長期保存，有利于檢查、分析及對比。

2單片梁荷載試驗裂縫監測實例

2.1項目介紹

2012年我院在廣東省高速公路建設設計標準化項目中采用影像測量技術研究梁體在不同等級荷載作用下裂縫的開展情況。鑒于預制梁破壞試驗有別于常規荷載試驗，具有試驗時間長、危險性大的特點，因此試驗過程中對于裂縫的觀測采用多種檢測方法相結合的方法，即在梁體表面噴涂油漆觀測初始裂縫的出現；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預制梁極限荷載試驗內容和目的

⑴觀測試件的裂縫出現和開裂過程，記錄開裂荷載Pcr（′Mcr′），使用影像測量和人工監測的方法監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測，掌握測試預制梁的極限承載能力以及在荷載作用下的裂縫開展情況，為分析研究預制梁的破壞機理和特征提供參考；對比人工監測與影像測量監測結果，驗證影像測量方法在實際應用過程中的獨特優勢；分析實際應用過程中各種因素的影響，有助于改進和完善影像測量技術。

2.3實驗過程

⑴梁體加載方案本次試驗對40m小箱梁進行加載試驗，實驗梁梁高2m，寬1.2m，主梁間距3.24m，C50混凝土用量56.5m3。試驗加載是整個破壞性試驗的關鍵內容，其試驗過程如下：①儀器調試：試驗前對儀器設備進行仔細的安裝調試，以保證的儀器正常工作。②試驗預壓：在正式施加荷載前先進行預載，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測讀人員的操作和讀數能力，如全部正常即可開始正式試驗。③初讀數：正式加載前讀取百分表和應變儀的初始讀數，用放大鏡檢查有無初始裂縫并記錄。④加載試驗：根據鋼筋混凝土預制梁設計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行計算，確定試驗加載重量。本次試驗加載分為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，每級荷載下讀取應變儀讀數，以確定沿截面高度的應變分布，臨近開裂荷載時荷載減半，并仔細觀察梁受拉區有無裂縫出現，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階段荷載的基礎上繼續加載，直至梁體破壞斷裂，逐級施加荷載，每級荷載為出現裂縫后加載量的50%，讀取百分表讀數，并分階段記錄梁體裂縫的發展狀況，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行監測，當加載量達到400kN時，小箱梁產生裂縫，現場選取4個區域作為監測對象，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，試驗荷載尚未達到極限承載力，梁體未發生開裂，撓度較小。該階段由于梁體未發生開裂或僅有細微裂縫，為便于觀測裂縫，在梁體側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：當梁體加載到400kN時，隨著試驗荷載的增加，梁體受拉區混凝土產生裂縫，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監測裂縫發展，以提高測量精度和準確性，如圖3b。c.破壞階段：試驗荷載繼續增大，裂縫發展迅速，當加載到790kN時，裂縫寬度達到3mm，超出允許寬度限值，撓度增加明顯，當加載到993kN時，梁體破壞斷裂。該階段試驗觀測存在一定的危險性，人工監測方法已無法實施，因此單獨采用影像測量技術對裂縫發展進行監測。

2.4結果分析

通過傳統方法與影像測量技術的現場測試以及對比結果的分析，表明影像測量技術簡單快捷、信息量大、安全可靠，在觀測裂縫變化方面與傳統的裂縫計、裂縫測寬儀相比具有明顯優勢，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勢更加明顯，應用效果更好。

3結論

影像測量技術應用廣泛、方便快捷，與傳統方法相比具有以下優勢：

⑴可用于準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，得到傳統方法無法精確測量的全面三維尺寸，并在模型上應用紋理映射產生透視圖，直觀反映隧道斷面變形，與三維模型、測點坐標相結合，能定性定量地反映結構變形。

⑵具有簡便快捷和數據來源多選擇性的特點，僅需拍照即可迅速完成現場操作，工效高且省時，應用于地鐵隧道監測可減小對地鐵運營的影響。

⑶測量精度高，影像測量技術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，也能通過調整拍攝照片和標注控制點的方法，進一步改善提高。

作者：張亮 單位：廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司