1、钢结构和结构力学实验

2、NDI Optotrak Certus土木工程应用

3、VIC-3D在剪力墙破坏变形测试中的应用


CEMSIG是罗马尼亚蒂米什瓦拉理工大学RTD(研究和技术发展部),主要面向机械材料和结构安全的研发,该中心归属在土木工程学院的钢结构和结构力学系,中心成立于1999年,在2001年该机构被认证为全国大学研究理事会(CNCSIS)成员,在2006年CEMSIG取得“优秀研发中心”称号。

实验设施

试验地点在钢结构和结构力学实验室:

试验环节配置了两台QUIRI液压装置
性能:   装置1 :   422KN 动态载荷
                     563KN 静态载荷
   装置2 :   950KN 动态载荷
                    1267KN 静态载荷
行程 :
 行程: +/-200 mm
 计算机控制
 位移或受力控制
 预定义受力,或者用户自定义受力过程内置位移和受力传感器.

数据采集系统
HP3852A数据记录仪具有以下特点:
 40–通道传感器,如下:
 30通道电阻传感器
 4个分析通道
 6通道电感式传感器
 50个应变片通道
ESAM TRAVELLER  64位高速数据采集以及数据处理系统
传感器:
 位移传感器
 倾斜仪
 载荷单元

电子万能试验机TESTWELL/UTS
 液压夹具
 拉伸和压缩试验
 载荷: 250 kN
 计算机辅助控制,数据采集和后置处理

                                      屈曲试验

QUIRI 液压千斤顶100 kN (2 个), 200 kN (2 个), 450 kN 2 个), 750 kN (1个), 1100 kN (1个)

3D 测量系统(轮廓,位移和变形测量)- VIC-3D
基于数字图像相关技术和立体成像原理架设的两个计算机,物体的轮廓、位移和应变可以非接触测量
 光学非接触测量3D 形状,位移和应变应力
 点间距位移精度达到0.01 像素
 点间盈利精度达到
 相机分辨率 1392*1024 像素l / 10 Hz

摆锤冲击试验机
 300 J 摆锤
 温度调节室 (-60 ... +80C)


NDI Optotrak Certus土木工程应用

导读:

  随着现代建筑高度的不断增加,混合结构体系在超高层建筑中逐步广泛应用,因此对该结构体系在地震作用下的破坏机理和抗震性能展开深入的研究是一项有意义的工作,传统土木工程测试多使用应变片、位移传感器等,实验前的准备工作相当繁琐,而NDI Optorak Certus 有着区别于传统的新形式,借助光学测量和信号追踪,我们可以直接方便的观察,让我们眼前一亮为土木工程试验测量注入新活力。

动态测量——高层结构模型振动台试验


                     高层结构振动台试验示意

  NDI测量系统有足够的测量范围,能够完全适应于土木建筑行业的测量。悬挂设计和调整NDI光学测量系统的Position Sensor,可以满足采集被测结构不同空间位置的需要。捕捉探测空间的Marker空间三维坐标信息,进而得到不同工况下结构的位移数据,分析出高层结构的层间结构变化。

方案原理:结合高精确度光学跟踪定位系统,使用动态捕捉固定在高层结构模型的靶点(Marker),实时跟踪记录在不同工况下,结构上靶点的空间精确三维坐标信息。计算出靶点的位移、速度、加速度数据。

优点:靶点固定方式简单,实时测量空间三维运动信息,实时记录三维坐标数据,方便计算目标点速度,加速度。通过采集固定在目标区域的刚体(Rigid)得到,结构的三维转动信息,即X、Y、Z轴的转动角度,方便计算出角速度、角加速度。Position Sensor出厂已经标定空间坐标系,试验中无需重新标定,操作简单。

                  地震台试验场景

测试对象:地震台上的高层建筑

测试目的:测量高层建筑结构在不同振动工况下的层间位移和转动角度

试验方式:运用NDI Optotrak Certus在实验模型底部测试,并与预先设定位移计测试点进行匹配固定Marker点;

实验距离:4.5m

标志点:12个,分别固定在不同层交叉点,我们可以实时追踪这12个标志点的坐标并确定其位移和转动角度的具体数值。

                  实时追踪12个Marker点

实验结果:实验数据和位移计测量趋势一致,精度要比位移计高,达到0.1mm精度的。试验方便快捷,数据实时显示。

  我们的实验所得到的关键点的位移变量和转角变量可以实时观测,我们可以实时通过图像观察到marker点伴随着关键点的同步微小变化,并且其数据都可以CSV文件格式输出,方便查看关键点实时的动态状况,数据的其他格式都可以在NDI自带数据查看软件中查看并绘制曲线。我们得到的数据的精度保持在在0.1mm内。

建筑结构层间位移测量实验

                 NDI试验现场布置

测试对象:建筑结构层间位移

实验结果:通过传输的图像信息,我们观测到贴有标志点的部位伴随着工况的变化,其相应的发生了一定的位移和转角,我们可以精确的获得建筑关键部位在加载过程中时刻所发生的细微变化数据。

  NDI Certus测量的建筑结构层间位移已经层间角度吻合实验设定的加载趋势,静态加载位移精度对比都在0.02mm,动态测量精度的曲线完全吻合实验设定趋势,位移精度完全超过试验机本身精度。采集频率149Hz,完美展现某一Marker点的y向实时动态位移。

剪力墙关键点位移追踪

                   剪力墙测试现场

测试对象:剪力墙

实验目的:测试剪力墙在受到反复载荷的工况下特殊点的位移变化情况。

实验结果:通过追踪Mark点可以准确知道特殊位置点的实时位移变。

优点:能够实时准确测量特殊点的位移变化情况,精准简单,避免了贴应变片的繁琐事宜。

  NDI Optotrak Certus 在土木工程上的应用广泛,在很多实验测试中能够摆脱贴应变片的繁琐程序,大大减小了试验前的准备工作;同时其精度在很多试验中都被验证过已经得到了普遍的认可;相信其会为我们的试验测量带来更多的便利与优势。

附:
数字探针介绍

  系统采集数据时的默认参考坐标系在设备Tracker的镜头中心,我们可以根据实验需要借助数字探针自定义参考坐标系。同样借助数字探针我们可以在探针可以接触到的任意位置添加虚拟的Marker标志点,虚拟标志点可以完全实现真实标志点的功能,而且相对于真实标志点更加方便无需连线,现场试验非常方便,仅仅需要固定好Tracker,固定Marker即可开始试验,真正做到即插即用。


VIC-3D在剪力墙破坏变形测试中的应用

  传统接触法测量结构变形、位移、震动等静、动态响应参数的传感器包括应变片、速度加速度传感器及位移传感器等。接触测量方式中传感器的布置通常分布在结构的局部点,获得关键点的结构响应,通过数值仿真实现整体结构的动态响应,经过理论分析及经验研究进而获得结构的响应机理。然而数值仿真结构材料的本构方程、结构响应破坏判据、加载及边界条件的定义对于学者来说是一个巨大的研究难题。其结果数据的真实性、可靠性需要更多试验数据支撑。

传统测量用具:

DIC(Digital Image Correlation)数字图像相关技术的研究弥补了传统测量的不足,由于测量过程中,不需要传感器与被测物体接触,在一些大应变、高温、水下等极端环境下具有巨大优势。VIC-3D全场应变测量系统采用DIC技术原理,是一种测量物体表面变形的简易光学测量方法。通过追踪变形过程中具有灰度值图案的较小邻域,我们称之为subset(子区),通过该方法可计算出物体表面位移及应变分布。整个测量过程,只需以一台或两台图像采集器,拍摄变形前后待测物图像,经运算后3D全场应变数据分布即可一目了然。不像应变片需花费大量时间做表面的磨平及黏贴,同时也只能测量到一个点某个方向的应变数据,也避免了传感器粘贴、固定对结构局部产生影响。同时获得的数据为全场范围内的3D响应数据,可准确预测结构破坏产生位置,结构临界破坏点以及结构破坏展开路径等。

  

某地震研究所在剪力墙破坏变形试验研究中,试验使用的钢筋混凝土墙剪力墙整体为宽2m×高4m,在高度2m的界面使用特殊的黏贴工艺进行处理,保证施加荷载准确有效,通过推-压-推的疲劳加载,经过多组工况,观察看剪力墙的变形。由于结构尺寸较大,传统接触式测量方法要想获得更全面的响应数据,需要花费大量时间布置较多的应变片、位移等传感器,对于结构的破坏观测只能认为拍摄图像观察,而结构薄弱区只能靠局部传感器采集数据和研究经验去判断,论证依据较少。

  试验中采用VIC-3D非接触全场应变测量系统,试验加载之前,在结构被测面制作散斑图案,之后便能够进行试验数据的采集。

 

  在剪力墙进行推-压-推的过程中,进行变形采集过程,使用相机将整个试验过程采集下来。整个试验时间超过10个小时,采集5000+图像。图像采集完成后,采用VIC-3D优化的数字图像处理技术,对采集图像进行分析。在获取了剪力墙全场时时动态响应变化的同时,又获取了结构发生裂纹等破坏的初始位置及裂纹扩展变化过程,更加直观的反映了结构的破坏响应机制。

                剪力墙纵向及横向位移云图

                  剪力墙试验过程应变云图

图为通过VIC-3D非接触全场应变测量系统在剪力墙破坏变形试验的分析结果。图片展示了结构某一加载时间的横向、纵向位移,以及不同时刻结构的应变场分布,非接触全场应变测量系统不仅能显示结构在整个加载过程中的位移场分布状况,同时能够展示结构在整个加载过程中的全场应变分布。在加载初期,结构未出现明显裂纹损伤,应力应变集中区域及分布位置可在图中直观显示。通过图像分析,可准确预测并显示结构加载过程中的破坏区域,裂纹产生位置以及裂纹扩展方向,能够准确得出结构的临界破坏值及破坏时间。

  采用VIC-3D非接触全场应变测量系统弥补了传统接触测量采集局部测量数据的不足,直观的展示了在不同荷载作用下结构的动态响应:

1. 解决了传统试验测量开始前花费大量时间用于传感器的布置,降低采集过程中传感器通道过多造成的数据处理工作量大,易混乱,试验前只需制作散斑图案便能进行可靠的试验数据采集。

2. 全场应变测量,能够获取采集面内任意位置的应变、位移等动态响应参数,并且一次采集,便能反复处理使用。

3. 直观显示结构响应破坏区域、裂纹等破坏产生位置及扩展情况等,为结构优化、加固等 提供详细的参数。


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