基于数码摄像的结构振动监测方法研究

基于数码摄像的结构振动监测方法研究

随着我国经济的不断发展，大型土木工程也在不断增加，尤其是大型桥梁和大型桥梁的结构。以广州市为例,近几年来正在兴建的广州新电视塔、广州西塔以及即将兴建的广州东塔,都属于超高超柔结构。在动力特性方面,这类高耸结构的第一阶振动频率很低,如建成后的广州新电视塔的第一阶振动频率不足0.1Hz,属于高柔结构,对风荷载作用非常敏感;另外,由于结构的复杂性与不对称性,温度的变化也可能对这类结构产生过大的变形,从而危及安全。所以,实时监测了解这类结构在风荷载和温度变化下的动态特性,对结构的安全评估起着非常重要的作用。用于结构动态变形监测的传统方法有加速度传感器法、位移传感器法和全站仪自动扫描法等。加速度传感器法是将加速度传感器安装在结构物上,测试其在振动时的加速度,通过加速度积分求位移,此方法的缺点是加速度两次积分后位移误差较大。位移传感器是一种接触型传感器,必须与测点相接触,缺点是对于难以接近的点无法测量。全站仪自动扫描法存在的缺陷主要是实时性较差。以上传统观测技术因受其能力所限,已不能满足大型构筑物动态监测的要求。另外,近年来随着GPS硬件和软件技术的发展,利用动态GPS技术监测高耸结构的动态特性也开始得到应用。然而作为GPS技术本身它还受到自身的诸多因素的综合影响。这些因素主要包括:多路径效应,卫星可视性条件,卫星几何图形强度变化,区域电子干扰等。为更准确的获得结构的动态变形信息,急需有另外一种高效的实时的结构动态变形监测技术来与GPS监测结果复核校准。采用基于数码摄像的图像处理技术对建(构)筑物进行变形监测是近年来结构健康监测发展的一个新的突破与热点。例如,国外的Lee等人开发的基于数码摄像的图像处理系统应用于钢箱梁桥梁的车载试验,成功地测得钢箱梁的动态位移变形,结果与激光测振仪的结果吻合得很好;香港的Chang等人也开发了类似的系统,成功地测得桥索的动态特性;国内的罗洪斌等开发了基于图像处理的工程结构动态位移实时监测系统,应用于桥梁的工程检测之中。以上国内外学者开发的系统虽然在工程上都得到较好的应用,但是都只局限于能量测到几十米或者上百米距离结构的动态特性,而大跨度桥梁或者高耸结构(如广州新电视塔)则对系统提出更高的要求,需要量测到几百米甚至上千米远距离结构的动态特性。本文以主结构建成后的广州新电视塔为研究背景,利用工业数码摄像机对其在一般风荷载作用下的动态特性进行监测试验,并与GPS和加速度计同时测量比较。数据分析结果表明,利用数码摄像系统获得的塔顶动位移时程曲线与GPS获得的动位移曲线吻合得较好;利用数码摄像技术能够准确的识别高耸结构的低阶振动频率,其获得的结构一阶振动频率,与GPS、加速度计识别结果以及有限元分析结果吻合得很好。本文研究结果表明,在高耸结构的健康监测中,应用数码摄像技术进行结构动态特性监测是一种有效的新方法。1结构形式—广州新电视塔概况广州新电视塔(如图1)是广州市新的地标性的重点工程,主结构已于2009年5月份建成。新电视塔的建筑结构是由一个向上旋转椭圆形钢外壳变化形成,相对于塔的顶、底部,其腰部纤细。整体结构采用筒中筒结构,通过其外部的钢斜柱、斜撑、环梁和内部的钢筋混凝土筒(截面表现为椭圆形)充分展现了非凡的建筑造型。钢结构外筒包括三种类型的构件:立柱,环梁和斜撑,是主要的垂直承重及抗侧向力结构。其中立柱共有24根,由地下二层柱定位点沿直线至塔体顶部相应的柱定位点,全部采用钢管混凝土组合柱。广州新电视塔具有结构超高、形体奇特、结构复杂的特点,在超高层建筑发展史上具有里程碑的意义。因此,进行建造过程的施工监控与运营期间的健康监测具有十分重要的意义,一个包括超过700个传感器的长期结构健康监测系统已经在广州新电视塔上实施,而开发并利用基于数码摄像技术的结构动态位移实时监测系统进行结构的动态特性监测正是该结构健康监测系统的重要组成部分之一。2基于特征匹配的图像分析方法基于数码摄像技术的结构动态位移实时监测系统主要包括以下几个主要组成部分:①工业数码相机和前端放大镜头(图2);②笔记本电脑和数码相机供电系统,笔记本电脑用于采集和存储实时数据(图3);③自开发系统软件(界面如图4);④如果是晚上或者光线条件较差的情况下,可利用LED灯作为标靶(如图5),在一般白天光线较好情况下,则无须此设备。本文系统采用ProsilicaGigE生产的GC655型号工业数码相机,像素2456×2058,千兆网络接口,最高采用频率15Hz;前端放大镜头为Navitar生产的24X变焦镜头。采集笔记本采用一般市面上的笔记本即可,最cameraanditslens图3笔记本与数码相机系统电源Fig.3Lap-topcomputerandpowersupplyfordigitalcamerasystem图4自开发系统软件界面Fig.4Interfaceoftheself-developingsoftware好有千兆网络接口,而电源也只需要一般的便携式电源,这样整个系统轻便易携带。所开发系统软件利用特征模式匹配图像识别算法,能够实时显示并存储所选目标点的两个垂直方向的位移变化;并且可根据实际需要调节采用频率和曝光度等。基于特征匹配的图像分析方法分两步:第一步,在两时刻的图像分别确定同一目标物体并确定该目标物体中心点在图像中的对应坐标;第二步,从对应点坐标解一组方程求出运动参数。假使刚体物体上一点p在t1和t2时刻分别位于三维空间坐标(X,Y,Z)和(X′,Y′,Z′)上,相应的成像坐标为(x,y)和(x′,y′),(Δx,Δy)是p点在图像平面上两个时刻的位移量,则有:Δx=x′-x(1)Δy=y′-y(2)在此期间,物体的三维空间坐标变化可由式(3)表示:X′Y′Z′X′Y′Ζ′=[R]XYZXYΖ+[T]=r11r21r31r12r22r32r13r23r33r11r12r13r21r22r23r31r32r33XYZXYΖΔXΔYΔZ](3)ΔXΔYΔΖ](3)其中[R]和[T]分别为旋转和位移矩阵。从表示方式的唯一性考虑,将旋转变换表示为围绕穿过原点的轴的旋转。令旋转轴的单位方向矢量为n=(n1,n2,n3),旋转角度为θ,则[R]矩阵可由n和θ表示。因为n2112+n2222+2332=1,所以,还有6个运动参数有待求解。然而从两幅图像不可能解出位移的幅度,只能得出含有一个比例因子的位移矢量。所以,在进行求解之前必须对系统进行标定,利用标定确定比例因子。连续的处理某段时间所得的图像,便可获得该目标点在此时间段的移位情况。特别地,当结构发生微小变形时,不考虑物体旋转,直接利用目标点在图像中坐标变化和已经标定过的比例因子,便可直接求得目标点的位移变化,节省计算量。3与环境振动测试系统的同时测量在广州新电视塔结构健康监测系统中,对于电视塔结构动态特性监测,除了数码摄像系统之外,还有GPS(如图6)和加速度环境振动测试系统,这为本文的研究工作提供了独一无二的条件。所以,在利用工业数码摄像机对广州新电视塔在一般风荷载作用下的动态特性进行监测试验时,可以与GPS和加速度计环境振动测试系统同时测量,结果相互校正复核。因为广州新电视塔振动频率很低,实测前十几阶频率都在2Hz以内,所以在试验中,采集频率设为5Hz已经能够满足需求。仅利用一台工业数码摄像机能够测量到目标点在一个平面内两个互相垂直的位移变化,因为目标点选取在454m高程的主塔顶,仰角较大,所以只有在水平方向能够保证测量精度。选取一阶模态的弯曲振动方向作为试验所要量测的位移变化方向。3.1基于时程内时间序列的fft分析在试验中,把作为目标点的标靶安装在454m高程主塔顶上,同时在标靶附近安装GPS,如图6所示。为进行结果比较,GPS的采样频率也设置为5Hz,并事先和数码系统校准时间。GPS能够同时测得所在平面互相垂直两个方向的动态位移,把两个方向的动态位移投影到和数码摄像系统所量测的水平位移方向上进行比较。如图7是数码摄像系统和GPS从上午10点40分至下午16点30分大约6个小时的位移时程记录(已去除不规则噪音)。从结果上看两者吻合得较好,GPS在最后一小时扰动较大,可能是由于当时周围环境所致。图8给出了振幅较大时候100s的位移时程曲线,从结果上看两者吻合得较好,并且结构0.1Hz左右的振动周期清晰可见。频谱分析是动态观测时间序列研究的一个途径,该方法是将时域内的观测数据序列通过傅里叶级数转换到频域内进行分析,它有助于确定时间序列的准确周期并判别隐蔽性和复杂性的周期数据。对数码摄像系统和GPS测量所获取的同个方向上的动位移数据序列时程曲线分别进行FFT分析,计算出其相应的频谱特征,如图9和图10。由频谱图可以看到,最低阶的振动频率清楚地识别出来了,两者都为0.09521Hz。小波多分辨率分析可以将信号分解到不同分辨率尺度,低分辨率的数据包含低频成分信息,高分辨率数据包含高频成分信息。因此,从总位移可以分解得到各种不同因素引起的位移变化。首先,将原始监测数据分解到不同尺度的小波域中,得到尺度系数和小波系数。根据尺度系数和小波系数重构低频趋势成分,即可得到温度所引起的结构变形。最后,在原始监测数据中除去低频趋势成分即可消除温度对位移的影响,从而得到风荷载所引起的结构位移变化。选用db小波,heursure阈值,利用Matlab编程实现以上过程,如图11所示,可认为这部分低频位移变化是由于温度变化引起的,位移变化最大出现在下午3点钟左右即气温最高的时候,符合实际情况;如图12所示,在原始数据中除去低频位移变化之后,可认为这部分位移变化是由于风荷载所引起的,从结果上看由在一般风荷载作用下引起的位移变化远比由于温度变化所引起的位移变化要小。图11和图12的结果,数码摄像系统与GPS的结果都吻合得较好,进一步说明监测结果的可靠性。timehistoryobtainedbydigitalcamerasystemandGPS图8数码摄像系统和GPS测量100s位移时程图比较Fig.8Comparisonof100-secondsisplacementtimehistoryobtainedbydigitalcamerasystemandGPS图9数码摄像系统位移频谱图Fig.9DisplacementspectrumfromdigitalcamerasystemspectrumfromGPS图11温度所引起的位移变化Fig.11Displacementduetotemperaturechange图12风荷载所引起的位移变化Fig.12Displacementduetowindload3.2传感器和测试系统为了校核数码摄像系统测量结果的正确性,在进行数码摄像系统测量同时,利用加速度计进行环境振动测试。在环境振动测试中,测量点全部布置在核心筒内8个监测断面上,加速度传感器采用的是东京测振AS-2000C超低频振动传感器,数据采集系统采用自开发分布式同步测量系统,采样频率为100Hz。关于广州新电视塔加速度环境振动测试系统的详细内容可参考文献。对加速度数据,最后应用专业振动模态分析软件ARTeMISExtractor进行模态分析,可以准确的识别到结构的前20阶模态参数。将最高监测断面接近454m高程加速度值投影到和数码摄像系统所量测的动态位移的方向上,其频谱分析的对应结果见图12,用加速度响应数据进行模态识别的第一阶频率为0.0954Hz,可见,利用数码摄像系统测量的一阶频率与利用加速度测量的结果非常吻合。3.3有限元模型进一步同有限元模型分析的结果进行比较,采用广州市设计院提供的广州新电视塔SAP2000三维有限元模型,如图14所示。模态计算使用有限元程序提供的模态计算模块,用Ritz法计算振型和频率。数码摄像系统测量、GPS测量、加速度计测量识别出的