DIC技術(shù)在高樁碼頭結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)中的應(yīng)用

程夢(mèng)瑤 孫志偉

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074)

DIC技術(shù)在高樁碼頭結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)中的應(yīng)用

程夢(mèng)瑤 孫志偉

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074)

本文根據(jù)DIC技術(shù)基本原理，結(jié)合高樁碼頭構(gòu)件及鋼護(hù)筒模型試驗(yàn)，利用散斑測(cè)量程序，進(jìn)行高樁碼頭鋼護(hù)筒的模型試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)收集的散斑圖像進(jìn)行測(cè)量分析，得出高樁碼頭鋼護(hù)筒在變形過(guò)程中的應(yīng)變值，由此驗(yàn)證DIC技術(shù)可用于高樁碼頭試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭兄饕芰?gòu)件的變形檢測(cè)。今后在實(shí)際工程中，也可以利用DIC技術(shù)對(duì)類似高樁碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，以此來(lái)對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)估。

數(shù)字圖像相關(guān)方法；高樁碼頭；結(jié)構(gòu)安全性

一、引 言

在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，大多數(shù)高樁碼頭出現(xiàn)不同程度損壞,如不加以重視，將會(huì)造成的巨大損失。現(xiàn)有的有損檢測(cè)方法容易造成碼頭結(jié)構(gòu)的局部破壞，不利于結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。因此，現(xiàn)急需通過(guò)更加科學(xué)有效的方法檢測(cè)碼頭的局部結(jié)構(gòu)，從而有效的避免其破損結(jié)構(gòu)對(duì)碼頭正常使用產(chǎn)生的不利影響。

本文以室內(nèi)碼頭實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橐劳校捎脭?shù)字散斑原理[1]，對(duì)結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量分析，研究基于數(shù)字散斑原理[2]的高樁碼頭結(jié)構(gòu)的安全性檢測(cè)方法，進(jìn)而使DIC技術(shù)能更好的運(yùn)用于高樁碼頭的檢測(cè)。

二、數(shù)字圖像相關(guān)方法

(一)數(shù)字圖像相關(guān)方法簡(jiǎn)介。數(shù)字圖像相關(guān)方法(Digital Image Correlation)，是在20世紀(jì)80年代初由W.H.Peter和W.F.Ranson等人[3]提出利用光不直接接觸物體原理，對(duì)物體變形前后位移進(jìn)行測(cè)量。由于該方法基于全場(chǎng)測(cè)試表面變形的技術(shù)，因此在測(cè)量中有更加遼闊發(fā)展空間[4]。

(二)數(shù)字圖像相關(guān)方法基本原理。數(shù)字圖像相關(guān)方法是根據(jù)物體在變形前、后產(chǎn)生的散斑場(chǎng)，通過(guò)對(duì)照其相互關(guān)系來(lái)獲取物體位移和變形的情況，在變形后的散斑場(chǎng)區(qū)域根據(jù)相關(guān)系數(shù)的極值條件辨別確定出對(duì)應(yīng)于變形前的區(qū)域。該方法通過(guò)使用攝像機(jī)來(lái)取得變形前、后物體表面的數(shù)字圖像，再對(duì)變形前后的圖像進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，通過(guò)一系列計(jì)算最終得出被測(cè)物體表面所有點(diǎn)的位移及變形[5]。這就是數(shù)字圖像相關(guān)法測(cè)量技術(shù)的基本原理，如圖1所示。

圖1 數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)原理圖

(三)亞像素問(wèn)題。要獲得亞像素位移主要有兩條途徑：一是提高數(shù)碼相機(jī)的分辨率，這種方法受制于當(dāng)前的數(shù)碼相機(jī)的技術(shù)水平；二是采用插值計(jì)算方法，這里介紹最常用的Gaussian插值計(jì)算方法。

若相關(guān)系數(shù)的峰值在(i，j)點(diǎn)，其附近的相關(guān)系數(shù)可以用來(lái)擬合高斯函數(shù)曲線。高斯函數(shù)曲線假定為：

(1)

則X、Y方向上的高斯插值可按下式進(jìn)行：

(2)

(3)

式中，c、k為常數(shù)；Ri,j為(i,j)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)。

三、鋼護(hù)筒鋼筋混凝土樁扭矩實(shí)驗(yàn)

根據(jù)DIC技術(shù)的基本原理，確定本文的散斑程序基本算法。為了更好的檢驗(yàn)這套算法是否能有效的應(yīng)用于實(shí)際工程中，本文結(jié)合單構(gòu)件受力試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)收集的散斑圖像進(jìn)行計(jì)算分析，得出單構(gòu)件在變形過(guò)程中的應(yīng)變值，進(jìn)一步確定DIC技術(shù)在工程實(shí)際運(yùn)用中的準(zhǔn)確性及實(shí)用性。

(一)實(shí)驗(yàn)材料選擇及試件尺寸。試件采用鋼護(hù)筒鋼筋混凝土樁，其中外壁鋼護(hù)筒使用無(wú)縫鋼管Q235，壁厚0.004m，且鋼護(hù)筒內(nèi)壁焊接8根二級(jí)鋼筋(d=14mm)；內(nèi)部的鋼筋混凝土樁使用C30混凝土，樁長(zhǎng)1.8m，直徑為0.5m，其中縱筋為8根二級(jí)鋼筋(d=14mm)，箍筋為螺旋箍筋一級(jí)鋼筋(d=6mm)，間距為14cm。

(二)實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)步驟。本次試驗(yàn)在樁基構(gòu)件的測(cè)試表面貼上應(yīng)變片，通過(guò)與DH3821應(yīng)變采集儀的讀數(shù)來(lái)對(duì)比精度。該樁基試件放置在500噸級(jí)長(zhǎng)柱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行扭矩試驗(yàn)，攝像機(jī)的光軸與試件表面近似垂直。

在儀器加載前，攝像機(jī)首先拍攝一幅未變形前的試件圖像作為參考，隨后試驗(yàn)機(jī)在電腦控制下以3kN為一級(jí),進(jìn)行分級(jí)加載，每加載完一級(jí)后記錄應(yīng)變采集儀的讀數(shù)，同時(shí)攝像機(jī)拍攝試件表面的圖像。最后當(dāng)樁基構(gòu)件承受42kN扭矩作用時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。

(三)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)采集的圖像利用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由于實(shí)驗(yàn)處理軟件精度為0.01pixel，故加載之前在試件上畫(huà)上一個(gè)10cm的刻度線，采集圖像時(shí)，確定試件與圖像之間放大倍數(shù)的標(biāo)定為0.68mm/pixel，故單位像素的實(shí)際精度值0.0068mm。為了保證實(shí)驗(yàn)的正確性，在實(shí)際試件表面中心點(diǎn)處得出應(yīng)變值再與數(shù)字散斑結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

圖2 樁基構(gòu)件應(yīng)變儀記錄應(yīng)變值與數(shù)字散斑計(jì)算應(yīng)變值對(duì)比圖

四、結(jié)論與問(wèn)題

本文對(duì)影響高樁碼頭安全性的主要受力構(gòu)件進(jìn)行變形分析，驗(yàn)證DIC技術(shù)可用于高樁碼頭主要受力構(gòu)件的變形檢測(cè)。雖取得了一些成果，但尚有許多問(wèn)題待進(jìn)一步研究和探討：

(1)由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文僅完成了單個(gè)構(gòu)件在單一荷載作用下的試驗(yàn)驗(yàn)證，建議可進(jìn)行在多種荷載組合下，該方法的驗(yàn)證研究。

(2)對(duì)于三維曲面物體來(lái)說(shuō)二維平面展示往往不夠直觀，如何深化單幅圖片來(lái)重構(gòu)三維實(shí)體變形還需繼續(xù)完善模型。

(3)DIC相關(guān)測(cè)量對(duì)光強(qiáng)要求高，而在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中往往光照條件較差，需進(jìn)一步改進(jìn)像素匹配算法增加測(cè)量的穩(wěn)定性和成功率。

(4)本文應(yīng)用數(shù)值散斑程序的精度還有待提高，此外這種測(cè)量方法往往是在Matlab平臺(tái)上運(yùn)行，如何使其在便攜設(shè)備上實(shí)現(xiàn)散斑程序的運(yùn)行，還需要進(jìn)一步的探究。

[1]單寶華,歐進(jìn)萍,趙仁孝等.散斑圖像相關(guān)數(shù)字技術(shù)原理及應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2003,19(3):409-418.

[2]吳太廣.數(shù)字圖像相關(guān)方法及其應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙理工大學(xué),2010.

[3]Peters WH,Ranson WF.Digital image techniques in experimental stress analysis[J].Optical Engineering,1982,21(3);427-432.

[4]孟利波,馬少鵬,金觀昌.數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量中亞像素位移測(cè)量方法的比較[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2003,18(03)：343.346.

[5]張懷清,蒲琪,代祥俊,云海.基于數(shù)字散斑相關(guān)方法的微位移測(cè)量[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,23 (1):49-52.