1、鋼結構和結構力學實驗

2、NDI Optotrak Certus土木工程應用

3、VIC-3D在剪力墻破壞變形測試中的應用

CEMSIG是羅馬尼亞蒂米什瓦拉理工大學RTD（研究和技術發展部），主要面向機械材料和結構安全的研發，該中心歸屬在土木工程學院的鋼結構和結構力學系，中心成立于1999年，在2001年該機構被認證為全國大學研究理事會（CNCSIS）成員，在2006年CEMSIG取得“優秀研發中心”稱號。

實驗設施

試驗地點在鋼結構和結構力學實驗室：

試驗環節配置了兩臺QUIRI液壓裝置
性能：   裝置1 ：   422KN 動態載荷
                     563KN 靜態載荷
   裝置2 ：   950KN 動態載荷
                    1267KN 靜態載荷
行程 ：
? 行程： +/-200 mm
? 計算機控制
? 位移或受力控制
? 預定義受力，或者用戶自定義受力過程內置位移和受力傳感器.

數據采集系統
HP3852A數據記錄儀具有以下特點：
? 40–通道傳感器，如下：
? 30通道電阻傳感器
? 4個分析通道
? 6通道電感式傳感器
? 50個應變片通道
ESAM TRAVELLER  64位高速數據采集以及數據處理系統
傳感器：
? 位移傳感器
? 傾斜儀
? 載荷單元

電子萬能試驗機TESTWELL/UTS
? 液壓夾具
? 拉伸和壓縮試驗
? 載荷: 250 kN
? 計算機輔助控制，數據采集和后置處理

                                      屈曲試驗

QUIRI 液壓千斤頂100 kN (2 個), 200 kN (2 個), 450 kN 2 個), 750 kN (1個), 1100 kN (1個)

3D 測量系統（輪廓，位移和變形測量）- VIC-3D
基于數字圖像相關技術和立體成像原理架設的兩個計算機，物體的輪廓、位移和應變可以非接觸測量
? 光學非接觸測量3D 形狀，位移和應變應力
? 點間距位移精度達到0.01 像素
? 點間盈利精度達到
? 相機分辨率 1392*1024 像素l / 10 Hz

擺錘沖擊試驗機
? 300 J 擺錘
? 溫度調節室 (-60 ... +80C)

NDI Optotrak Certus土木工程應用

導讀：

　　隨著現代建筑高度的不斷增加,混合結構體系在超高層建筑中逐步廣泛應用,因此對該結構體系在地震作用下的破壞機理和抗震性能展開深入的研究是一項有意義的工作，傳統土木工程測試多使用應變片、位移傳感器等，實驗前的準備工作相當繁瑣，而NDI Optorak Certus 有著區別于傳統的新形式，借助光學測量和信號追蹤，我們可以直接方便的觀察，讓我們眼前一亮為土木工程試驗測量注入新活力。

動態測量——高層結構模型振動臺試驗

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　高層結構振動臺試驗示意

　　NDI測量系統有足夠的測量范圍，能夠完全適應于土木建筑行業的測量。懸掛設計和調整NDI光學測量系統的Position Sensor，可以滿足采集被測結構不同空間位置的需要。捕捉探測空間的Marker空間三維坐標信息，進而得到不同工況下結構的位移數據，分析出高層結構的層間結構變化。

方案原理：結合高精確度光學跟蹤定位系統，使用動態捕捉固定在高層結構模型的靶點（Marker），實時跟蹤記錄在不同工況下，結構上靶點的空間精確三維坐標信息。計算出靶點的位移、速度、加速度數據。

優點：靶點固定方式簡單，實時測量空間三維運動信息，實時記錄三維坐標數據，方便計算目標點速度，加速度。通過采集固定在目標區域的剛體（Rigid）得到，結構的三維轉動信息，即X、Y、Z軸的轉動角度，方便計算出角速度、角加速度。Position Sensor出廠已經標定空間坐標系，試驗中無需重新標定，操作簡單。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　地震臺試驗場景

測試對象：地震臺上的高層建筑

測試目的：測量高層建筑結構在不同振動工況下的層間位移和轉動角度

試驗方式：運用NDI Optotrak Certus在實驗模型底部測試，并與預先設定位移計測試點進行匹配固定Marker點；

實驗距離：4.5m

標志點：12個，分別固定在不同層交叉點，我們可以實時追蹤這12個標志點的坐標并確定其位移和轉動角度的具體數值。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　實時追蹤12個Marker點

實驗結果：實驗數據和位移計測量趨勢一致，精度要比位移計高，達到0.1mm精度的。試驗方便快捷，數據實時顯示。

　　我們的實驗所得到的關鍵點的位移變量和轉角變量可以實時觀測，我們可以實時通過圖像觀察到marker點伴隨著關鍵點的同步微小變化，并且其數據都可以CSV文件格式輸出，方便查看關鍵點實時的動態狀況，數據的其他格式都可以在NDI自帶數據查看軟件中查看并繪制曲線。我們得到的數據的精度保持在在0.1mm內。

建筑結構層間位移測量實驗

　　　　　　　　　　　　　　　　　NDI試驗現場布置

測試對象：建筑結構層間位移

實驗結果：通過傳輸的圖像信息，我們觀測到貼有標志點的部位伴隨著工況的變化，其相應的發生了一定的位移和轉角，我們可以精確的獲得建筑關鍵部位在加載過程中時刻所發生的細微變化數據。

　　NDI Certus測量的建筑結構層間位移已經層間角度吻合實驗設定的加載趨勢，靜態加載位移精度對比都在0.02mm，動態測量精度的曲線完全吻合實驗設定趨勢，位移精度完全超過試驗機本身精度。采集頻率149Hz，完美展現某一Marker點的y向實時動態位移。

剪力墻關鍵點位移追蹤

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　剪力墻測試現場

測試對象：剪力墻

實驗目的：測試剪力墻在受到反復載荷的工況下特殊點的位移變化情況。

實驗結果：通過追蹤Mark點可以準確知道特殊位置點的實時位移變。

優點：能夠實時準確測量特殊點的位移變化情況，精準簡單，避免了貼應變片的繁瑣事宜。

　　NDI Optotrak Certus 在土木工程上的應用廣泛，在很多實驗測試中能夠擺脫貼應變片的繁瑣程序，大大減小了試驗前的準備工作；同時其精度在很多試驗中都被驗證過已經得到了普遍的認可；相信其會為我們的試驗測量帶來更多的便利與優勢。

附:
數字探針介紹

　　系統采集數據時的默認參考坐標系在設備Tracker的鏡頭中心，我們可以根據實驗需要借助數字探針自定義參考坐標系。同樣借助數字探針我們可以在探針可以接觸到的任意位置添加虛擬的Marker標志點，虛擬標志點可以完全實現真實標志點的功能，而且相對于真實標志點更加方便無需連線，現場試驗非常方便，僅僅需要固定好Tracker，固定Marker即可開始試驗，真正做到即插即用。

VIC-3D在剪力墻破壞變形測試中的應用

　　傳統接觸法測量結構變形、位移、震動等靜、動態響應參數的傳感器包括應變片、速度加速度傳感器及位移傳感器等。接觸測量方式中傳感器的布置通常分布在結構的局部點，獲得關鍵點的結構響應，通過數值仿真實現整體結構的動態響應，經過理論分析及經驗研究進而獲得結構的響應機理。然而數值仿真結構材料的本構方程、結構響應破壞判據、加載及邊界條件的定義對于學者來說是一個巨大的研究難題。其結果數據的真實性、可靠性需要更多試驗數據支撐。

傳統測量用具：

DIC（Digital Image Correlation）數字圖像相關技術的研究彌補了傳統測量的不足，由于測量過程中，不需要傳感器與被測物體接觸，在一些大應變、高溫、水下等極端環境下具有巨大優勢。VIC-3D全場應變測量系統采用DIC技術原理，是一種測量物體表面變形的簡易光學測量方法。通過追蹤變形過程中具有灰度值圖案的較小鄰域，我們稱之為subset(子區)，通過該方法可計算出物體表面位移及應變分布。整個測量過程，只需以一臺或兩臺圖像采集器，拍攝變形前后待測物圖像，經運算后3D全場應變數據分布即可一目了然。不像應變片需花費大量時間做表面的磨平及黏貼，同時也只能測量到一個點某個方向的應變數據，也避免了傳感器粘貼、固定對結構局部產生影響。同時獲得的數據為全場范圍內的3D響應數據，可準確預測結構破壞產生位置，結構臨界破壞點以及結構破壞展開路徑等。

某地震研究所在剪力墻破壞變形試驗研究中，試驗使用的鋼筋混凝土墻剪力墻整體為寬2m×高4m，在高度2m的界面使用特殊的黏貼工藝進行處理，保證施加荷載準確有效，通過推-壓-推的疲勞加載，經過多組工況，觀察看剪力墻的變形。由于結構尺寸較大，傳統接觸式測量方法要想獲得更全面的響應數據，需要花費大量時間布置較多的應變片、位移等傳感器，對于結構的破壞觀測只能認為拍攝圖像觀察，而結構薄弱區只能靠局部傳感器采集數據和研究經驗去判斷，論證依據較少。

　　試驗中采用VIC-3D非接觸全場應變測量系統，試驗加載之前，在結構被測面制作散斑圖案，之后便能夠進行試驗數據的采集。

　　在剪力墻進行推-壓-推的過程中，進行變形采集過程，使用相機將整個試驗過程采集下來。整個試驗時間超過10個小時，采集5000+圖像。圖像采集完成后，采用VIC-3D優化的數字圖像處理技術，對采集圖像進行分析。在獲取了剪力墻全場時時動態響應變化的同時，又獲取了結構發生裂紋等破壞的初始位置及裂紋擴展變化過程，更加直觀的反映了結構的破壞響應機制。

　　　　　　　　　　　　　　　　剪力墻縱向及橫向位移云圖

　　　　　　　　　　　　　　　　　　剪力墻試驗過程應變云圖

圖為通過VIC-3D非接觸全場應變測量系統在剪力墻破壞變形試驗的分析結果。圖片展示了結構某一加載時間的橫向、縱向位移，以及不同時刻結構的應變場分布，非接觸全場應變測量系統不僅能顯示結構在整個加載過程中的位移場分布狀況，同時能夠展示結構在整個加載過程中的全場應變分布。在加載初期，結構未出現明顯裂紋損傷，應力應變集中區域及分布位置可在圖中直觀顯示。通過圖像分析，可準確預測并顯示結構加載過程中的破壞區域，裂紋產生位置以及裂紋擴展方向，能夠準確得出結構的臨界破壞值及破壞時間。

　　采用VIC-3D非接觸全場應變測量系統彌補了傳統接觸測量采集局部測量數據的不足，直觀的展示了在不同荷載作用下結構的動態響應：

1. 解決了傳統試驗測量開始前花費大量時間用于傳感器的布置，降低采集過程中傳感器通道過多造成的數據處理工作量大，易混亂，試驗前只需制作散斑圖案便能進行可靠的試驗數據采集。

2. 全場應變測量，能夠獲取采集面內任意位置的應變、位移等動態響應參數，并且一次采集，便能反復處理使用。

3. 直觀顯示結構響應破壞區域、裂紋等破壞產生位置及擴展情況等，為結構優化、加固等 提供詳細的參數。

行業應用