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原文传递基于红外热成像的CFST拱桥不均匀温度场识别与反馈方法研究

论文题名：	基于红外热成像的CFST拱桥不均匀温度场识别与反馈方法研究
关键词：	CFST拱桥;拱肋平面;不均匀温度场;红外热成像
摘要：	随着CFST（钢管混凝土）拱桥跨径的不断增加，温度对其线形的影响将更加明显，尤其是在山区复杂的环境条件下，拱肋平面不均匀温度场问题突出，给拱桥施工线形控制带来极大的困难。目前，通常以均匀温度的形式考虑温度荷载对线形的影响，可能导致实际成桥线形与理论成桥线形存在较大偏差。因此，准确测量拱肋平面不均匀温度场并考虑其对拱桥线形的影响是十分必要的。常用的测量温度的方式有振弦式温度传感器、热电偶、热电阻、手持式红外测温仪等，存在测温面积小、测温效率低、经济性差等缺陷。对此，本文基于无人机红外热成像技术实现大跨钢管混凝土拱桥拱肋平面不均匀温度场的稠密测量。通过搭载红外相机的无人机获取拱桥的红外图像，处理后，提取相应温度控制点的温度值，并反馈在有限元模型中，反映平面不均匀温度场对拱肋理论线形的影响。本文的主要研究内容与结论如下：　　（1）针对常用的温度测量方法精细化测量拱肋平面不均匀温度场存在的问题，本文基于红外热成像技术，通过搭载在无人机上的红外相机拍摄红外图像，经过温度校正、温度矩阵提取、矩阵转化、矩阵图像化、图像拼接、温度提取等操作，实现大跨 CFST 拱桥拱肋平面不均匀温度场的提取，并将不均匀温度场反馈在有限元模型计算中，该方法可实现无接触测量，且测量精度高、测温面积大、经济性好；　　（2）对红外测温影响因素进行了探究。基于红外热成像原理，推导了红外测温的基本公式，确定发射率、环境温度、辐射温度为红外测温准确性的影响因素；对公式求导后，以发射率为0.95的材料为例，探究了三种影响因素的误差对红外测温误差的影响，结果表明，发射率的误差对红外测温的结果影响最明显；利用一种已知发射率的材料为参考体，通过双温度法测量了某CFST拱桥拱肋的发射率；　　（3）对平面不均匀温度场识别与反馈过程中的影响因素进行了探究。将两种具有代表性的图像拼接算法的拼接结果与 PHST 软件拼接结果进行了比较，表明PHST非常适合本文图像拼接的需要；通过拍摄一组混凝土小拱模型的红外图像探究了PHST拼接效果的影响因素，表明在图像采集过程中，应尽量保证无人机与被测物体平行飞行，图像的重叠度宜在15%~80%，并且，在图像拼接时，应关闭PHST中的“自动调整图像重叠”选项；以钢管拱模型为试验对象，首先利用双温度法测定了钢管拱的发射率，然后，通过拍摄钢管拱模型的红外图像，提取温度测点的温度值，并与热电偶所测得的温度进行比较，验证了红外测温结果的准确性，最后，取拼接前后图像特征点处的温度值进行比较，结果表明：图像拼接对内部温度值影响较小；　　（4）开展本文方法的实桥应用验证。利用无人机获取某钢管混凝土拱桥的红外图像，经过处理，提取拱肋平面不均匀温度场数据，将其反馈在有限元模型中，得到不均匀温度作用下拱肋线形控制点理论坐标，并将不均匀温度作用下的理论坐标、均匀温度作用下的理论坐标与现场实测坐标进行对比，结果表明，考虑不均匀温度作用的理论坐标更接近实测坐标，证明了考虑不均匀温度的必要性。
作者：	张焕富
专业：	土木水利
导师：	吴海军;王邵锐
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023