土木工程結構試驗量測技術研究進展與現狀摘要：目前從作用方式上來看，結構試驗已經逐漸從傳統的準靜態、靜態試驗當中逐步發展到動力試驗、擬動力試驗上來；從空間尺度上來看，也逐漸從常規尺度試驗拓展成足尺度結構試驗和細微觀材性試驗。但是由于受到硬件設備、量測原理等因素的限制，在測量頻率、測量維度、測量量程、測點布置位置以及布置數量方面傳統結構試驗量測技術已經難以滿足現代結構試驗需求，因此，為了符合結構試驗發展需求，就需要進一步完善傳統結構試驗量測技術，加強對新興技術手段的應用。

關鍵詞：土木工程結構；試驗量測技術；進展；現狀

1結構試驗傳統位移與應變量測技術

1.1傳統位移量測技術

傳統位移量測方法在結構試驗中包括接觸式和非接觸式測量兩種類型，其中接觸式測量是采用經典位移或千分表傳感器實現的；非接觸式測量實現位移量測的方法主要是基于光學原理和非接觸式位移傳感器。百分表作為一種常用的測量程度的量具，指的是將長度用機械齒輪機構放大到刻度盤上，是最原始的結構試驗位移量測手段。但是這種量測方法不能自動機率位移量測數據，必須由專人近距離讀數、記錄，因此在一些尺寸較小的試件中較為適用，而且目前在結構實驗中對百分表的使用已經比較少了。傳感器比較常用的主要包括電感式、電容式、電阻應變式等經典位移傳感器，其中電感式傳感器的量測精度和靈敏度都比較高，測量范圍廣，但是其頻率響應偏低，因此在高頻動態位移測量中的實用性較差；電容式位移傳感器動態特定好、阻抗高、功率小，能夠實現非接觸式測量，但是量程偏小；電阻應變式位移傳感器操作方便、分辨率高、線性度好，但測量范圍小，在連續性倒塌、振動臺等大位移量測試驗中實用性較差。

1.2傳統應變量測技術

結構試驗中的傳統應變量測主要包括光測法、電測法、機測法三種類型，其中最早的是機測法，包括手持式應變儀、接觸式千分表應變儀、雙杠桿應變儀等，但是由于量測精度低、需要人工讀數，目前應用比較少。

（1）光測法

光測法包括光纖傳感器法、云紋干涉法、散斑干涉法、全息干涉法、焦散線法、光彈法等，其中的焦散線法和光彈法都是通過結合力學和光學來分析應力應變的技術，雖然能夠非接觸測量出全場應變，但通常情況下只會定性分析試件或結構，定量計算比較少，因此實際應用較少。

（2）電測法

電測法包括弦式應變傳感器法、電感式應變傳感器法、電容應變計法、電阻應變計法等，其中應用最廣泛的主要是電阻應變計。該量測方法的工作原理是用電阻變化來表示結構試件應變，針對試件應變較小、難以直接測量微小電阻變化的問題，可以借助惠斯登電橋放大信號，同時溫度補償等問題也得到了有效解決。

2數字圖像相關技術

2.1數字圖像相關技術量測原理

從本質上來說，數字圖像相關測量技術是一種光測方法，所依據的基礎是數值分析和數字圖像處理，主要是通過分析和比較變形前后結構或材料表面中分布的具有一定灰度的數字圖像，然后將變形過程當中產生的應變場和位移計算出來。與傳統光測法和電測法量測技術相比較來說，數字圖像相關技術的優勢表現為環境適應性好、試驗設備簡單、能夠靈活測量分辨率和范圍。

2.2在結構試驗中對數字圖像相關技術的應用

從1989年開始，我國相關人員就已經逐漸開始研究在材料力學行為中對數學圖像相關技術的應用，并系統分析了數字散斑相關方法原理，在細觀和宏觀力學測量應用中正式提出了這一方法，為我國數字圖像相關技術的進一步發展奠定了基礎[3]。在近幾年，隨著科學技術飛速發展，數字圖像相關技術的計算精度以及算法都得到了有效改善，學術界的研究人員也逐漸開始深入研究金屬材料力學，其中研究方向主要是集中在材料頸縮階段中張開位移、裂紋尖端應變場、裂紋發展、變形等參數測量。

2.3對數字圖像相關方法測量精度產生影響的因素

一直以來，學術界都密切關注著數字圖像相關方法測量精度問題，而在實際量測中對測量精度產生影響的因素也比較多，這一方面是在處理圖像的過程中選擇相關函數與算法造成的，屬于一種可控因素；另一方面是與試樣準備、設備條件、試驗環境等因素有關，屬于不可控因素范疇。因此在具體試驗量測過程中，為了保證測量結果精度，就必須加強對各方面影響因素的控制，這也是保證土木工程結構質量的關鍵。

3近景攝影測量技術

3.1近景攝影測量技術量測原理

近景攝影測量是在不接觸被測物的情況下，運用影像傳感器獲取物體的影像信息（模擬信號或數字信號），獨立客觀地對被測物進行靜態或動態測量，以獲得被測物體形狀大小、空間位置和運動狀態等信息。較之其他三維測量技術，近景攝影測量具備其自身獨特的優勢，如：（1）可利用圖像或影像作為信息載體，適用于被測點眾多的目標；（2）非接觸測量，不干涉被測物的自然狀態，可完成惡劣環境下的測量；（3）既可測量靜態目標的三維空間坐標，亦可測量動枋目標的運動軌跡及變化規律。但攝影測量發展到今天，依舊沒有完全實現實時性和自動化，將其應用于結構試驗時，圖像的獲取和處理是分開進行的，當發現處理的圖像不能滿足要求時，需要重新補測量數據，對于振動臺和連續性倒塌等高頻動態結構試驗而言，往往是難以實現的，隨著信息技術和電子技術的飛速發展，近景攝影測量圖像的獲取和處理設備性能在不斷提升，如果將來能將攝影測量理論、圖像處理技術和自動化技術結合起來，完全實現自動化的實時測量，則近景攝影測量可成為大體量高頻動態結構試驗位移和應變測量的重要手段。

3.2近景攝影測量技術在結構試驗中的應用

近景攝影測量技術憑借測量精度好、動態采集頻率高、測量范圍廣等優點在土木工程、工業制造、航天航空等領域已有廣泛的應用，在土木工程領域，近景攝影測量主要有三方面的應用。第一，結構的變形監測以及損傷的定位和識別；第二，結合光測力學和材料力學，對具有特殊形態或特殊材質材料進行不同荷載作的材性試驗，利用數字圖像相關技術對攝像機捕獲的試驗圖像進行分析，獲得試件的位移和變形信息；第三，用于建筑結構的靜力或動力測試，獲取結構物在試驗過程中的變形參數和位移、速度、加速度等動力學參數。

4結語

總的來說，近幾年隨著科學技術的發展，土木工程結構試驗量測技術得到了進一步發展，測量結果精度和測量效率也都得到了顯著提升，這對提高土木工程結構質量具有重要的作用。

參考文獻：

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