地震，屬于天災，我們無法避免，就像前兩天的九寨溝7.0級地震，但是我們可以運用科技手段，在地震發(fā)生時盡可能地減少財產(chǎn)損失和人員傷亡。
建筑模型振動實驗和研究在我國早已開始，助力實驗獲取更多數(shù)據(jù)的測量系統(tǒng)也因此應運而生……
振動臺廣泛用于土木工程中模擬復雜建筑結(jié)構(gòu)及城市基礎設施在地震時的地震效應分析，是模擬地震作用的反應規(guī)律及抗震研究的關(guān)鍵設備。以振動臺進行建筑抗震實驗是現(xiàn)有條件下能獲得最接近于真實數(shù)據(jù)的實驗手段。
由于需要建造盡可能還原真實建筑物理特性的模型進行實驗，單次振動實驗的成本十分高昂，需要花費很大的人力、時間與物力，這些時間成本和經(jīng)濟成本都極大限制了建筑模型振動實驗的次數(shù)。
因此，在振動實驗中獲取盡可能多的實驗數(shù)據(jù)對建筑模型振動實驗非常重要。
傳統(tǒng)接觸式測試方法面臨的問題
為了取得盡可能多的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的地震模擬振動實驗中會在模型結(jié)構(gòu)上安裝很多個傳感器，這些附著設備在振動實驗中可能會和模型本身產(chǎn)生相互作用，影響數(shù)據(jù)精度。另外，隨著振動強度增加，模型結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)破損甚至倒塌。
一般為保護成本高昂的傳感器，當目標建筑模型處于瀕臨潰散的關(guān)鍵時刻，需要中斷實驗并取下附著的昂貴測量設備避免其在崩塌中損毀，這樣不但無法獲取極為重要的潰散過程中目標模型的各部位各項參數(shù)，而且在瀕臨毀壞的模型上取回傳感器的過程本身也是不安全的。
此外，接觸式傳感器還有個根本的缺陷：僅能獲取模型表面固定位置點的一維信息，難以反映模型振動過程中的空間三維動態(tài)變化。而模型在XYZ三個方向上都有運動，不是只沿架設傳感器方向運動。
為了克服傳統(tǒng)接觸式傳感器的缺點，出現(xiàn)了很多非接觸式的振動測量技術(shù)，主要有激光多普勒振動計LDV（Laser Doppler Vibrometers）、GPS（Global Positioning System）、InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）和攝像測量（Videogrammetry）技術(shù)。
前三種技術(shù)雖然可以實現(xiàn)非接觸測量，但仍然存在如下問題：
1、LDV傳感器是單點測量，僅能監(jiān)測模型的局部變化，如果需要對模型進行整體監(jiān)測時，則需要大量的LDV傳感器。LDV價格昂貴，制約了其在實踐中廣泛應用；
2、GPS和InSAR技術(shù)除了價格昂貴之外，數(shù)據(jù)采集頻率一般低于10 Hz，難以滿足高頻振動、模型瞬間倒塌或斷裂等破壞過程的監(jiān)測。
攝像測量技術(shù)是傳統(tǒng)攝像測量學、計算機視覺、數(shù)字圖像處理等學科交叉融合形成的一種新型測量手段，具有非接觸、高精度、自動化、動態(tài)測量、實時測量、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，被應用于許多領(lǐng)域。振動臺動力模型研究便是其中一個成功應用的領(lǐng)域。
攝像測量原理
這種方法原理上類似人類的雙眼視覺，通過運用兩個或者多個高速相機對同一個景物從不同位置成像，從視差中恢復待測目標的坐標信息，見圖1。
圖1 測量原理示意圖
解決方案
整個測量系統(tǒng)采用的設備包括高速相機、高精度同步控制器、長時間高速攝像系統(tǒng)、三腳架、輔助照明光源、全站儀等測繪儀器（可以采用甲方自有儀器）和人工標志。
高速攝像系統(tǒng)中，高速相機具有高分辨率、高幀率等性能優(yōu)勢，通過長時間高速攝像系統(tǒng)進行實時高速圖像存儲。再通過軟件回放可對記錄的高速圖像進行逐幀查看，并可轉(zhuǎn)存圖像為通用格式。
該高速攝像測量系統(tǒng)參數(shù)如下：
高速相機有不同的配置，可供用戶根據(jù)自己的實際要求選擇，如下表所示為采用德國Optronis CP系列高速相機下的主要參數(shù)：
德國Optronis CP系列高速相機表
1、系統(tǒng)采用的高速相機數(shù)量：2~64臺；
2、圖像存儲時間：與高速相機參數(shù)有關(guān)，在全分辨率4000×3000@160 fps下，12 min以上無損存儲，可以保證全程記錄同步，同步精度優(yōu)于1 µs；
3、視場范圍：可根據(jù)實際應用調(diào)整，保證拍攝到全部感興趣區(qū)域；
4、拍攝距離：如圖2所示，可根據(jù)實際應用調(diào)整高速相機布設位置，保證在危險界外；
5、現(xiàn)場拍攝圖像序列，如圖3所示。
圖3 現(xiàn)場拍攝圖像序列圖
最后系統(tǒng)測量軟件可生成輸出的測量結(jié)果為跟蹤點坐標文本文件，可用EXCEL打開并繪制相關(guān)的圖表。測量軟件附帶有方便的查看結(jié)果曲線等功能。
下面為實驗室測試的兩次結(jié)果，圖4為阻尼振動，圖5為自由落體。
圖4 阻尼振動
圖5 自由落體
結(jié)論
1、與傳統(tǒng)普通接觸式傳感器采集結(jié)果進行比較，該系統(tǒng)采用非接觸式的光學測量手段，不會對被測目標造成任何干擾與影響。
2、遠距離測量與靈活的高速相機分布設置，同時觀測到立體模型不同面的情況。
3、遠程拍攝手段無須擔心目標崩潰倒塌時會損壞測量設備，相比于需要在目標垮塌前取下的接觸式測量設備，該方式測試的便利性、流暢性、可靠性與安全性均大大提高，實驗成本也更低。
4、在工程中，由于受現(xiàn)場條件和測試技術(shù)的限制，特殊結(jié)構(gòu)的位移測量往往存在困難。
例如：高塔結(jié)構(gòu)的位移傳感器安裝困難，一般采用安裝加速度傳感器，在數(shù)據(jù)處理時，通過二次積分得到位移，但是數(shù)值積分過程涉及到積分算法選取及濾波頻率選取等人為主觀因素，因此，數(shù)值積分誤差較大。
采用非接觸性動態(tài)位移測試方法直接測量結(jié)構(gòu)的位移，消除了傳統(tǒng)測試方法的誤差。
5、除開跟蹤點的動力學信息外，被測建筑模型何時產(chǎn)生淺裂紋、裂紋擴張蔓延情況、模型何時產(chǎn)生嚴重破損、模型瀕臨垮塌和整個垮塌過程等這一系列過程均被高速圖像系統(tǒng)完整存儲起來，可有效替代以往基于經(jīng)驗和人眼反應速度的實驗記錄，并提供遠超出以往信息的連續(xù)圖像序列數(shù)據(jù)。
6、在高成本振動模擬實驗次數(shù)限定的情況下，多路高速相機系統(tǒng)從不同的角度同步記錄振動實驗的細節(jié)，可以顯著提高每次地震振動模擬實驗的實驗質(zhì)量，為地質(zhì)災害防治研究與建筑防震抗震研究提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)源。
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