沈陽++王麗芬++張昌進(jìn)

摘要： 混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各項工程，然而在建筑結(jié)構(gòu)的施工和使用過程中，混凝土結(jié)構(gòu)不可避免會產(chǎn)生裂縫，影響其使用性和耐久性。混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫監(jiān)測作為判別結(jié)構(gòu)性能和承載力變化的一種重要技術(shù)手段不僅為工程施工指導(dǎo)提供有效的數(shù)據(jù)，還為混凝土結(jié)構(gòu)安全使用提供可靠的判別依據(jù)。文章利用DIC（數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)）監(jiān)測混凝土梁的裂縫發(fā)展過程，證明了DIC技術(shù)用于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測的可行性，并且DIC技術(shù)能有效的檢測出混凝土損傷區(qū)域位置、面積和發(fā)展趨勢，為建筑結(jié)構(gòu)的安全評估提供一種新的思路。

Abstract： Concrete structure has been widely used in various engineering. However， during the construction and use of the building structure， the concrete structure will inevitably produce cracks， which will affect the use and durability of the concrete structure. As an important mean of distinguishing structure performance and load bearing capacity， crack monitoring of the concrete structure not only provides effective data for engineering construction guidance， but also provides a reliable basis for the safety criterion of concrete structures. In this paper， DIC （digital image correlation technology） is used to monitor the crack development of concrete beam， and the feasibility of DIC technology used in the crack monitoring of concrete structure is proved. And DIC technology can effectively detect the location， area and development trend of concrete damage， and provide a new way of the safety evaluation of building structure.

關(guān)鍵詞： 數(shù)字圖像相關(guān)；裂縫；混凝土；監(jiān)測

Key words： digital image correlation；cracking；concrete；monitoring

中圖分類號：U285.5+33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）32-0134-03

0 引言

隨著混凝土結(jié)構(gòu)的興建，混凝土結(jié)構(gòu)安全已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在工程建設(shè)和運(yùn)營使用過程中，施工澆筑、高溫受熱、結(jié)構(gòu)受力等因素都會使混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，這些裂縫不但會影響結(jié)構(gòu)的美觀，甚至影響著混凝土結(jié)構(gòu)的安全，尤其是大型的混凝土建筑結(jié)構(gòu)，它們的存在一直威脅著構(gòu)筑物的防水性、承載能力和使用壽命[1]。結(jié)構(gòu)開裂是結(jié)構(gòu)受損發(fā)生的表觀現(xiàn)象，裂縫從人眼難辨的微縫開始，逐漸發(fā)展并引起構(gòu)件損傷、變形、失穩(wěn)，最后導(dǎo)致工程坍塌，因此結(jié)構(gòu)裂縫有效的監(jiān)測成為結(jié)構(gòu)安全不可缺少的技術(shù)手段[2]。

目前混凝土裂縫檢測有如下方法：人工觀測方法、超聲波檢測方法、傳感器檢測方法等[3-5]。雖然這些方法能夠獲取結(jié)構(gòu)裂縫的信息，但是需要耗費(fèi)大量的人力物力，且限制于地形位置等外在因素形象，對于火災(zāi)、爆裂產(chǎn)生的微裂縫更是難已捕捉。利用微觀或者宏觀斷裂力學(xué)的方法對損傷的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析和安全評估，需要對混凝土結(jié)構(gòu)處在各種階段的裂紋信息進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，然后建立力學(xué)分析模型，然而傳統(tǒng)的裂紋采集工作量大、采集的信息較為粗糙，所以需要一種高效、便利、快速和全局性的方法。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（Digital Image Correlation，DIC）是近年來發(fā)展起來的光學(xué)測量技術(shù)，該方法是利用光學(xué)測量和數(shù)字圖像處理方法對工程力學(xué)參數(shù)（如位移、變形、應(yīng)力、應(yīng)變和速度等）進(jìn)行高精度測量技術(shù)，因為具有非接觸、光路簡單、全局測量等優(yōu)點(diǎn)，該方法已越來越多地用于新形材料的研究和工程現(xiàn)場的檢測中[6-8]。本文利用DIC技術(shù)，分析了混凝土梁受力開裂過程，得到損傷區(qū)域和裂縫分布情況和裂縫開口變化規(guī)律，證明了數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)用于混凝土安全監(jiān)測的可行性，為結(jié)構(gòu)安全評價提供新的測量方法。

1 DIC方法原理

數(shù)字圖像相關(guān)方法（Digital Image Correlation，DIC）又稱為數(shù)字散斑方法（Digital Speckle Correlation Method， DSCM），通過對變形前后物體表面的兩幅散斑圖像進(jìn)行相關(guān)處理，從而獲得物體面內(nèi)變形信息。目標(biāo)圖像子區(qū)相對于參考圖像子區(qū)的中心位置發(fā)生平移，且其形狀也產(chǎn)生變化。采用與圖像灰度有關(guān)的相關(guān)系數(shù)C[9-10]分析此區(qū)域的變形與位移，參考圖像子區(qū)中的某點(diǎn)O（x，y）與目標(biāo)圖像子區(qū)中對應(yīng)點(diǎn)Q′有唯一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，從而，提取得到位置坐標(biāo)O′（x′，y′）和參考點(diǎn)的位移分量（u，v）。

式中：f（x，y）為參考圖像中點(diǎn)的灰度值，f*為參考圖像子區(qū)域的平均灰度值，g（x，y）為目標(biāo)圖像中的灰度值，g*為目標(biāo)圖像子區(qū)域的平均灰度值。相關(guān)系數(shù)C取值越高，參考圖像與目標(biāo)圖像的子區(qū)域相關(guān)性越強(qiáng)，當(dāng)C=1時，子區(qū)域完全相關(guān)，當(dāng)C=0時，認(rèn)為子區(qū)域不相關(guān)。

圖1（a）為200×200像素的混凝土表面圖像，這里選取混凝土表面中心位置41×41像素區(qū)域為圖像子區(qū)域，進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計計算，結(jié)果如圖1（b）所示，在相關(guān)系數(shù)C分布圖中有明顯的主峰且數(shù)值為1。通過相關(guān)系數(shù)搜索方法得到表面像素級位移分布，并采用曲面擬合法來達(dá)到亞像素的位移測量精度，對亞像素位移場采用數(shù)值微分運(yùn)算可以得到混凝土表面變形。

2 DIC技術(shù)應(yīng)用實驗

2.1 實驗過程

實驗采用混凝土強(qiáng)度為C25，幾何尺寸為1700mm×180mm×100mm，縱筋為HPB235，箍筋為HPB300，保護(hù)層厚度為20mm的鋼筋混凝土梁進(jìn)行四點(diǎn)彎曲實驗，采用逐級加載，每次加載為0.5kN，直到混凝土表面出現(xiàn)連通的宏觀裂縫。實驗過程中采用兩臺分辨率為1920×1080pixels的CCD相機(jī)對試塊表面圖像進(jìn)行采集，CCD相機(jī)搭配M0814-MP的日本Computar百萬像素鏡頭，并采用LED補(bǔ)光燈進(jìn)行照明。為了提高實驗精度，本文采用人工噴涂制作散斑圖像，即用白色涂料噴涂在混凝土梁表面，用黑色油漆筆隨機(jī)點(diǎn)上黑點(diǎn)，實驗裝置圖如2所示。

試驗前首先進(jìn)行像素的標(biāo)定，本次實驗標(biāo)定結(jié)果為0.01293mm/pixel，本次實驗采用的子區(qū)域大小為41×41

pixels，搜索步長為5個像素單位，未進(jìn)行相關(guān)的像素點(diǎn)位移通過得到的相關(guān)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行亞像素差值得到。定義臨界破壞應(yīng)變?yōu)?00με，紫色區(qū)域為損傷應(yīng)變小于臨界破壞應(yīng)變區(qū)域，紅色區(qū)域為損傷拉應(yīng)變超過臨界破壞應(yīng)變的區(qū)域，并且損傷應(yīng)變值越大，顏色越亮，可以認(rèn)為紅色區(qū)域即為表面損傷的分布區(qū)域。

從圖3中3組試樣應(yīng)變場云圖可以看到，加載過程中不同程度都出現(xiàn)了局部應(yīng)變集中現(xiàn)象，可以認(rèn)為應(yīng)變集中區(qū)就是混凝土局部損傷相對嚴(yán)重的區(qū)域，也是裂縫出現(xiàn)概率較大的區(qū)域。圖3（a）荷載為12kN時，混凝土梁表面出現(xiàn)零星損傷區(qū)域；當(dāng)荷載為17kN時，混凝土梁表面出現(xiàn)4條呈豎向分布損傷帶，且高度超過梁高的1/2，但混凝土表面并未開裂；當(dāng)荷載為25kN時，混凝土梁表面出現(xiàn)肉眼可見的宏觀裂縫，裂縫開展路徑與損傷區(qū)域發(fā)展路徑吻合。

2.2 開裂位置檢測

DIC技術(shù)是通過統(tǒng)計學(xué)相關(guān)性匹配的亞像素插值得到位移場，故能得到全局性的位移變化量，通過像素標(biāo)定將像素單位轉(zhuǎn)化為物理單位便可得到相關(guān)參數(shù)。裂紋可以簡單理解為物體表面位移的突變，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分布位置及其寬度大小是快速對結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評估的重要參數(shù)。

如圖4所示，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)分析的應(yīng)變場可以獲得混凝土結(jié)構(gòu)裂縫形狀特征，而裂縫的寬度則通過平行混凝土梁底部位移場計算得出。圖4（a）中分別為加載12kN、15kN、17kN和25kN時的水平像素點(diǎn)的水平位移圖，由于裂紋開裂導(dǎo)致位移分布曲線中出現(xiàn)明顯的突變，突變位置在觀測區(qū)域的400、800和1400像素單位位置，在25kN時候已經(jīng)出現(xiàn)了約為2mm的位移突變這與圖3中（c）、（f）的宏觀裂縫符合。通過對損傷區(qū)域兩側(cè)固定兩點(diǎn)測量，可以得到混凝土結(jié)構(gòu)表面開裂寬度變化量，圖4（b）中為觀測區(qū)域內(nèi)的裂縫開口大小隨加載變化圖，當(dāng)荷載為25kN時，兩處裂紋開口變化明顯增長，混凝土結(jié)構(gòu)表面宏觀裂縫迅速擴(kuò)張。

3 結(jié)論

①通過CCD相機(jī)記錄記錄混凝土表面位移變化，采用DIC技術(shù)對圖像序列處理分析，表明DIC技術(shù)可以檢測混凝土表面受損區(qū)域和裂縫開裂路徑。

②采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)能有效的檢測出混凝土結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展的信息，通過實驗表明混凝土開裂前出現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū)域，而這些區(qū)域與結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)有關(guān)，在施工過和維護(hù)過程中通過這些應(yīng)變集中區(qū)的跟蹤監(jiān)測，采取有效的手段避免出現(xiàn)安全事故。

③采用數(shù)字圖像分析技術(shù)符合大數(shù)據(jù)時代的潮流。然而結(jié)構(gòu)裂縫只是作為結(jié)構(gòu)性能和工作狀態(tài)的一個方面，對裂縫研究應(yīng)用必須與結(jié)構(gòu)靜力和動態(tài)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，才能準(zhǔn)確評價結(jié)構(gòu)的性能。

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