一种用于大型结构工程挠度变形监测的方法与流程

1.本发明涉及变形监测技术领域，尤其涉及一种用于大型结构工程挠度变形监测的方法。


背景技术：

2.现有的挠度测量方法主要依赖于位移计、千分表、连通管、精密水准仪、数字水准仪、倾角仪、全站仪、微波雷达和gps等测量设备，传统的接触式测量方法几乎只能应用于静挠度测量，难以实现动挠度测量以及满足实时测量和长期监测的工程需求。其中倾角仪虽然可以测量动挠度，但是对仪器的性能提出了较高要求。为了突破现有挠度测量方法的局限性，实时动态了解现场结构工程的变形及安全情况，基于数字图像相关方法的摄像测量，被逐步应用于挠度测量中，通过对变形前后的两幅图像上的点进行识别和追踪，实现对挠度的测量。
3.但是，基于数字图像相关方法的测量运用于大型工程结构运用经验较为缺乏，本发明为dic技术运用于现场大型工程结构提供了一定的技术应用价值。


技术实现要素：

4.本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于大型结构工程挠度变形监测的方法，包括如下步骤：
5.s1、根据待测结构工程情况，确定待测点位及待测内容：在监测工程实施前，通过对待监测的大型结构工程分析，了解结构在荷载作用下结构应力、应变情况，根据结构安全及工程需求，确定所需监测点数量和位置；
6.s2、制作散斑监测点并安装：散斑监测点采用镀锌钢板，尺寸为297mm*210mm，监测点正面采用白色背景和黑色圆形斑点组成散斑图，背面由四根圆杆、支点以及连接钢板组成，连接钢板四角布置四个连接孔。待测结构工程可为混凝土结构、钢结构以及其他结构，根据实际工程情况，选择栓接或者焊接；
7.s3、施工测量墩基础：在待测结构工程正前方，视野相对开阔位置，选择测量相机安放位置。根据测量点位，施工测量墩，测量墩采用钢筋混凝土结构，墩下设置基础，保证测量墩本身稳定。测量墩中心安装相机支座孔位，支座孔位保证水平，确保相机工作平面不影响测量准确度；
8.s4、安装测量相机并调试：在测量墩上安装测量相机，并连接计算机，打开测量软件连接相机，对准散斑中心，放最大光圈调焦距和曝光，然后把光圈调回至2.8～5.6，再曝光至合适值，曝光值尽量小，进行调试；
9.s5、测量获得数据，经计算机软件处理计算获得监测值。
10.优选地，步骤s4中，相机标定确定图像坐标系与世界坐标系的对应关系，对畸变图像校正，在相机镜头畸变中，通常考虑径向畸变和切向畸变，径向畸变使像素点产生靠近或远离像平面中心的偏差，切向畸变使像素点产生切向的偏差，镜头畸变标定保证测量精度，
同时进行相机内参，拍摄得到的是畸变后的图像，通过畸变系数推导其映射关系，得到没有畸变的像素点位置，镜头畸变标定完成后，根据映射关系由畸变后的像素点计算畸变前的像素点位置，最后利用校正畸变后的像素点位置来计算最终的变形。
11.优选地，步骤s5中，基于dic监测计算原理大致如下：
12.在变形前的参考图像中，取以感兴趣点(x,y)为中心的(2m+1)*(2m+1)像素的图像子区，在变形后的目标图像中按某一相关函数和一定的搜索方法进行相关计算，寻求与参考图像子区的相关系数c f,g(p)为最值的以(x
′
，y
′
)为中心的目标图像子区以确定所求点(x,y)的位移u、v。因此，参考图像子区和目标图像子区之间的相关系数是矢量p的函数：cf,g(p)corrf(x,y),g(x',y')式中：
13.p—待求变形参量u、v构成的矢量，即
14.f(x,y)—参考图像子区的灰度分布；
15.g(x',y')—目标图像子区的灰度分布；
16.corr——评价参考图像子区和目标图像子区在某种相似程度上的函数，根据测量数据，通过计算机软件进行处理分析，按照监测需求导出目标监测值。
17.优选地，步骤s4中，通过选择高信噪比的相机来采集图像、使用多幅图取平均的方法来降低图像噪声引起的位移测量误差、选择合理的计算参数来抵抗噪声的影响这些方式来减少因相机在将光信号转化为电信号并形成图像的过程中会产生噪声而产生的误差。
18.优选地，步骤s4中，镜头畸变标定后，通过引入畸变系数对图像坐标系中的点进行畸变校正来减小误差。
19.优选地，步骤s2中，散斑监测点采用镀锌钢材制作，与待测结构能形成可靠连接且不发生变形；其次，散斑图案采用防水防腐漆通过模具喷涂而成。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
21.1、对于复杂大型钢结构，视觉测量更为便利和快捷，通过视觉相机监测数据实时导入计算机进行分析计算，可以动态了解钢结构在使用过程中的变形及受力情况。其次，将先进的计算机视觉方法运用到钢结构既能充分发挥计算机视觉这一先进科学技术的优越性，又能做到无损、非接触、非破坏地保护目标监测物。
22.2、针对基于数字图像相关方法运用于大型结构工程监测的经验不足，本发明根据施工现场实际运用情况，详细阐述了关键步骤控制，如散斑监测点的制作工艺和材料适用于相对恶劣的现场环境，以确保监测精度和要求。
附图说明
23.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
24.图1为本发明一种大型结构工程挠度变形监测的方法的原理图；
25.图2为本发明一种大型结构工程挠度变形监测的方法的运用于大型工程结构的监测示意图；
26.图3为本发明一种大型结构工程挠度变形监测的方法的散斑监测点的正反面及侧面结构图；
27.图4为本发明一种大型结构工程挠度变形监测的方法的测量墩结构图；
28.图5为本发明一种大型结构工程挠度变形监测的方法的运用于某工程测量软件工作界面图；
29.图6为本发明一种大型结构工程挠度变形监测的方法的软件计算后导出的监测散点图。
具体实施方式
30.下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
31.下面结合具体实施例对本发明一种用于大型结构工程挠度变形监测的方法的技术方案做进一步详细说明，参照图1至图6，在本发明的实施例中，办公大楼为某公司总部大楼，其整体外形错落有致，主要特点为错层平台及采光中庭，这决定整体结构错位较多，存在多处凹凸外立面及预应力大悬挑结构。针对8f-12f逐步向南悬挑结构，采用“八三墩+贝雷梁”结构体系搭设施工平台。针对该钢平台特点引入视觉测量，包括散斑监测点1、测量相机2、测量墩3和计算机4。其监测的方法步骤如下：
32.s1、根据待测结构工程情况，确定待测点位及待测内容；
33.在监测工程实施前，通过对该大型钢结构工程分析，确定了贝雷梁跨中、支座受力不利位置，确定了八三墩可能产生变形较大位置，根据监测需求，需了解在荷载加载过程及后续使用中，贝雷梁跨中挠度变形，跨中倾角变形以及八三墩墩身切斜变形情况，现场布置24个监测点位。
34.s2、制作散斑监测点1并安装；
35.在dic监测运用于实际工程当中，工作环境无法同实验室一样理想，针对相对恶劣的施工环境，制作特定的散斑监测点，散斑监测点1采用镀锌钢板11，尺寸为297mm*210mm，监测点正面采用白色背景和黑色圆形斑点10组成散斑图，采用防水防腐蚀漆喷涂而成。背面由四根圆杆12、支点14以及连接钢板13组成，连接钢板四角布置四个连接孔。散斑监测点1与待测钢结构通过连接钢板13焊接，形成可靠连接，避免施工现场震动及外部雨雪风环境产生变形或者脱落。
36.s3、施工测量墩3基础；
37.在待测结构工程正前方，视野相对开阔位置，选择测量相机安放位置。根据测量点位，施工测量墩，测量墩3采用钢筋混凝土结构，墩下设置基础30，保证测量墩本身稳定。测量墩中心安装相机支座孔位31，支座孔位31保证水平，确保相机工作平面不影响测量准确度。
38.s4、安装测量相机2并调试；
39.在测量墩上安装测量相机2，并连接计算机4，打开测量软件连接相机2，对准散斑中心，放最大光圈调焦距和曝光，然后把光圈调回至2.8～5.6，再曝光至合适值，曝光值尽量小，进行调试。相机标定确定图像坐标系与世界坐标系的对应关系，对畸变图像校正。在相机镜头畸变中，通常考虑径向畸变和切向畸变。径向畸变使像素点产生靠近或远离像平面中心的偏差，切向畸变使像素点产生切向的偏差。镜头畸变标定保证测量精度，同时进行相机内参。拍摄得到的是畸变后的图像，通过畸变系数推导其映射关系，得到没有畸变的像
素点位置。镜头畸变标定完成后，可以根据映射关系由畸变后的像素点计算畸变前的像素点位置，最后利用校正畸变后的像素点位置来计算最终的变形。
40.s5、测量获得数据，经计算机软件处理计算获得监测值。
41.根据测量数据，通过计算机4软件进行处理分析，按照监测需求导出目标监测值基于dic监测计算原理大致如下：
42.在变形前的参考图像中，取以感兴趣点(x,y)为中心的(2m+1)*(2m+1)像素的图像子区，在变形后的目标图像中按某一相关函数和一定的搜索方法进行相关计算，寻求与参考图像子区的相关系数c f,g(p)为最值的以(x
′
，y
′
)为中心的目标图像子区以确定所求点(x,y)的位移u、v。因此，参考图像子区和目标图像子区之间的相关系数是矢量p的函数：cf,g(p)corrf(x,y),g(x',y')式中：
43.p—待求变形参量u、v构成的矢量，即
44.f(x,y)—参考图像子区的灰度分布；
45.g(x',y')—目标图像子区的灰度分布；
46.corr——评价参考图像子区和目标图像子区在某种相似程度上的函数。
47.在本发明中，相机2在将光信号转化为电信号并形成图像的过程中会产生噪声。可以通过采取这些方法减小误差，选择高信噪比的相机2来采集图像，其次是使用多幅图取平均的方法来降低图像噪声引起的位移测量误差；再次是可以选择合理的计算参数来抵抗噪声的影响。
48.镜头畸变标定后，可以通过引入畸变系数对图像坐标系中的点进行畸变校正来减小误差。
49.散斑监测点1采用镀锌钢材制作，与待测结构能形成可靠连接且不发生变形；其次，散斑图案采用防水防腐漆通过模具喷涂而成，以应对相对比较恶劣的室外工程环境，确保散斑监测点不受环境影响而变形或者掉落，无法获得准确的测量结果。
50.测量相机2下方采用混凝土结构的测量墩3而非常规三脚架，避免施工现场重车动荷载或其他施工产生的震动而使测量相机发生移动，保证测量结果。
51.如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

技术特征：
1.一种用于大型结构工程挠度变形监测的方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、根据待测结构工程情况，确定待测点位及待测内容：在监测工程实施前，通过对待监测的大型结构工程分析，了解结构在荷载作用下结构应力、应变情况，根据结构安全及工程需求，确定所需监测点数量和位置；s2、制作散斑监测点并安装：散斑监测点采用镀锌钢板，尺寸为297mm*210mm，监测点正面采用白色背景和黑色圆形斑点组成散斑图，背面由四根圆杆、支点以及连接钢板组成，连接钢板四角布置四个连接孔。待测结构工程可为混凝土结构、钢结构以及其他结构，根据实际工程情况，选择栓接或者焊接；s3、施工测量墩基础：在待测结构工程正前方，视野相对开阔位置，选择测量相机安放位置。根据测量点位，施工测量墩，测量墩采用钢筋混凝土结构，墩下设置基础，保证测量墩本身稳定。测量墩中心安装相机支座孔位，支座孔位保证水平，确保相机工作平面不影响测量准确度；s4、安装测量相机并调试：在测量墩上安装测量相机，并连接计算机，打开测量软件连接相机，对准散斑中心，放最大光圈调焦距和曝光，然后把光圈调回至2.8～5.6，再曝光至合适值，曝光值尽量小，进行调试；s5、测量获得数据，经计算机软件处理计算获得监测值。2.根据权利要求1所述的一种用于大型结构工程挠度变形监测的方法，其特征在于，步骤s4中，相机标定确定图像坐标系与世界坐标系的对应关系，对畸变图像校正，在相机镜头畸变中，通常考虑径向畸变和切向畸变，径向畸变使像素点产生靠近或远离像平面中心的偏差，切向畸变使像素点产生切向的偏差，镜头畸变标定保证测量精度，同时进行相机内参，拍摄得到的是畸变后的图像，通过畸变系数推导其映射关系，得到没有畸变的像素点位置，镜头畸变标定完成后，根据映射关系由畸变后的像素点计算畸变前的像素点位置，最后利用校正畸变后的像素点位置来计算最终的变形。3.根据权利要求1所述的一种用于大型结构工程挠度变形监测的方法，其特征在于，步骤s5中，基于dic监测计算原理如下：在变形前的参考图像中，取以感兴趣点(x,y)为中心的(2m+1)*(2m+1)像素的图像子区，在变形后的目标图像中按某一相关函数和一定的搜索方法进行相关计算，寻求与参考图像子区的相关系数cf,g(p)为最值的以(x
′
，y
′
)为中心的目标图像子区以确定所求点(x,y)的位移u、v。因此，参考图像子区和目标图像子区之间的相关系数是矢量p的函数：cf,g(p)corrf(x,y),g(x',y')式中：p—待求变形参量u、v构成的矢量，即f(x,y)—参考图像子区的灰度分布；g(x',y')—目标图像子区的灰度分布；corr——评价参考图像子区和目标图像子区在某种相似程度上的函数，根据测量数据，通过计算机软件进行处理分析，按照监测需求导出目标监测值。4.根据权利要求1所述的一种用于大型结构工程挠度变形监测的方法，其特征在于，步骤s4中，通过选择高信噪比的相机来采集图像、使用多幅图取平均的方法来降低图像噪声引起的位移测量误差、选择合理的计算参数来抵抗噪声的影响这些方式来减少因相机在将
光信号转化为电信号并形成图像的过程中会产生噪声而产生的误差。5.根据权利要求1所述的一种用于大型结构工程挠度变形监测的方法，其特征在于，步骤s4中，镜头畸变标定后，通过引入畸变系数对图像坐标系中的点进行畸变校正来减小误差。6.根据权利要求1所述的一种用于大型结构工程挠度变形监测的方法，其特征在于，步骤s2中，散斑监测点采用镀锌钢材制作，与待测结构能形成可靠连接且不发生变形；其次，散斑图案采用防水防腐漆通过模具喷涂而成。

技术总结
本发明公开一种用于大型结构工程挠度变形监测的方法，包括如下步骤：S1、根据待测结构工程情况；S2、制作散斑监测点并安装；S3、施工测量墩基础；S4、安装测量相机并调试；S5、测量获得数据，经计算机软件处理计算获得监测值，本发明通过视觉相机监测数据实时导入计算机进行分析计算，可以动态了解钢结构在使用过程中的变形及受力情况，根据施工现场实际运用情况，详细阐述了关键步骤控制，如散斑监测点的制作工艺和材料适用于相对恶劣的现场环境，确保了监测精度和要求。保了监测精度和要求。保了监测精度和要求。


技术研发人员：陈刚 褚春波 肖汉 全有维 邢澄 滕晓军 王改革
受保护的技术使用者：中建八局第三建设有限公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/9/5