数字摄影量测在混凝土变形试验中的应用.pdf

第 3 7卷第 1期 2 0 1 1 年 2月 四川建筑 科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 2 07 数字摄影量测在混凝土变形试验中的应用 赵 峥 ， 贾 伟 ( 徐州建筑职业技术学院土木系， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ) 摘要： 利用数字摄影量测技术以及岩土工程数字摄影量测软件系统， 采用 MT S S 1 5实验机 ， 对若干 1 0 a m立方体混凝土试件 进行了压缩变形观测试验， 得出了试件表面的位移矢量、 位移场和局部测点变形的发展演变过程； 分析了混凝土裂缝的分布 和发展规律， 定量地测出了裂缝宽度。并且， 利用数字摄影量测技术对混凝土弹性模量的动态变化规律及计算方法进行了研 究 ， 为混凝土力学性能 的进一步研究提供 了参考数据 。 关键词： 数字摄影； 混凝土； 变形； 裂缝 ； 弹性模量 中图分 类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 1 2 0 7 0 4 Ap p l i c a t i o n o f d i g i t a l p h o t o g r a mm e t r y t o t h e e x p e r i me n tal d e f o r ma t i o n me a s ur e m e n t f o r c o n c r e t e s pe c i me n Z HAo Z h e n g j I A We i ( X u z h o u I n s ti t u t e o f A r c h i t e c t u r a l T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： A s e ri e s o f c o mp r e s s i o n t e s t s f o r c o n c r e t e s p e c i m e n s( 1 0 c m1 0 a m x 1 0 c m)w e r e c o n d u c t e d i n t h e MT S 8 1 5 t e s t s y s t e m， u s i n g d i g i t al p h o t o g r a m m e t r y fo r d e f o r ma t i o n me a s u r e m e n t t e c h n i q u e ( D P D M) A s o f t w a r e p a c k a g e w a s u s e d t o c a p t u r e t h e d i s p l a c e m e n t v e c t o r d i s p l a c e me n t fi e l d s a n d l o c a l d e f o r ma t i o n e v o l u t i o n q u a n t i t a t i v e l y a s w e l l a s c r a c k d u rin g c o n c r e t e c o mp r e s s e d T h e c r a c k d i s t ri b u t i o n a n d e v o l u t i o n we r e a n a l y z e d Us i n g t h e DP DM ， t h e d y n a mi c mo d u l u s o f e l aS t i c i t y o f c o n c r e t e w e r e o b t a i n ed He n c e， r e f e r e n c e d da t a f o r f u r t h e r s t u d y o n me c h a n i c al pr o p e r t y o f c on c r e t e WaS s up p l i e d b y t h i s r e s e a r c h Ke y w o r d s ： d i gi t al p h o t o g r a m me t r y ； c o n c r e t e ； d e f o rma t i o n ； c r a c k ； mo d u l u s o f e l a s t i c i ty _ -_ - 一 U 刖 吾 钢筋混凝土构件可能由于变形过大 ， 裂缝宽度 超过了允许限值 ， 使结构不能正常使用 。裂缝宽度 是作为推定裂缝原因和判断是否需要修补、 加 固及 选定修补、 加 固方法的重要资料 ， 也是劣化诊断的重 要 内容。另外 ， 变形 、 裂缝等的检测值反映了构件当 前实际的状态 ， 是评定构件适用性 的重要依据 。因 此 ， 快速准确测量变形与裂缝宽度 ， 对于工程的安全 评估有着重要的实际意义。 数字摄影变形量测( 简称 D P D M) 以数字相机作 为图像数据采集设备 ， 利用图像处理技术， 实现观测 目标的变形计算与分析 ， 它在构 件变形演变过程的 全程观测与微观、 细观力学特性等研究上， 具有突出 的优越性。由此 ， D P D M技术引起 了广泛的关 注， 在结构构 件 变形 监 测方 面 进行 了一定 的应用 研 究 j ， 但系统分析混凝 土构件变形、 裂缝规律以及 收稿 日期 ： 2 0 0 9 -0 2 1 7 作者简介 ： 赵峥( 1 9 7 2一)， 女 ， 安徽蚌埠人 ， 结构工程师 ， 主要从 事 建筑结构和材料方面的研究。 E m a i l ： z h a o z h e n g x z h g ma i l c o rn 弹性模量动态变化规律 ， 尚属空白。因此 ， 本文利用 D P D M技术 以及岩土工程数字摄影量测软件系统 ， 在 MT S 8 1 5实验机上 ， 对混凝土试件进行 了单轴抗 压试验。对采集到 的裂缝图像进行 了技术处理 ， 分 析了混凝土的变形规律、 裂缝的分布和发展规律 ， 测 出了裂缝宽度。并且 ， 对混凝土弹性模量的动态变 化规律及计算方法进行了研究 ， 为混凝土试件力学 性能的进一步研究与评定提供了基础数据。 1 试验概况 1 1 试 验材 料 混凝土设计强度等级 C 3 0 ， 坍落度要求 3 5 5 O mm， 水泥为强度等级 4 2 5的普通水泥， 砂为中砂 ， 水灰比为 0 6 。试块尺寸为 1 0 0 mm1 0 0 1T l l n1 0 0 l n H l ； 共 6块 ， 1块备用 ， 养护 2 8 d 。 1 2试验 设 备 图像采 集设 备 ： 数 码 相机 ( 1 0 0 0万像 素 分辨 率) 、 彩 色 监 视 器、 计 算 机 等。加 载 量 测 设 备 ： M T S 8 1 5实验机及测量系统。 1 3试验 步 骤 试块制备完毕 ， 养护 2 8 d ， 取 出进行试验 ； 在试 2 0 8 四川建筑科学研究 第 3 7卷 验台上 ， 固定数字相机 和架设照明设施并连接好与 计算机的试验线路 ， 把试块放在实验机上 ， 开始轴向 加载， 加载速率为 0 0 0 1 5 m s 。为增强试件表面纹 理特征， 试验前 ， 利用黄、 黑、 兰、 红等多种颜料 ， 在试 件观测面上人工制造一些纹理( 图 1 ) 。 图 1 混 凝 土试 件 表 面 人 工 纹 理制 造 Fi g 1 Ar t i fi c i a l v e n a t i o n o n t h e s p e c im e n s 拍照时， 轴 向位移每隔 0 0 5 m m拍摄一 张照 片，直至试件破 坏， 图像 比例为 0 0 7 7 m m p i x e l 。 拍照完毕后， 观测并传输记录图像数据。 2 试验结果及分析 2 1 试 验数 据结果 轴向荷载与位移曲线如图 2所示。试验表 明： 在峰值荷载 ( 轴力 F=5 2 0 k N， 轴向位移 s =1 4 5 m m) 以前， 混凝土试件表面变形比较均匀 ， 没有明显 裂纹出现 ； 而接近峰值荷载， 试件中上部及边界附近 开始出现裂纹 ， 即试件开始出现破坏， 但强度并未立 即下降 ； 而到达峰值点时， 裂纹开始扩展为裂缝 ， 峰 值点以后 ， 裂缝增多并且不断扩展 ， 局部表层剥落 ， 横向边界开裂掉块 ， 混凝土试件强度迅速降低， 直至 最终完全破坏 。 图 2试 件 压 缩 的荷 载 一 位 移 曲线 Fi g 2 Lo ad di s pl a c e me nt c u r ve o f s pe c im e n s c o mpr e s s e d 变形观测试验结果 中， 轴 向位移 s=01 8 5 m m， 每隔 0 0 5 mm， 取一幅图像， 共 3 7张数字照片 ， 得到了产生裂缝试件的全域位移场 ， 如图 3所示 。 由图 3可知 ， 大的位移变形量主要集 中在试件 的中部和右下部 ， 并不是对称分布。这是 由于混凝 土试件是非均质性 的， 以及加载方向有一定 的偏差 造成的。 00 0 i 0 0 2 o o 图 3位移场 ( =1 8 5 n l l l 1 ) F i g 3 D i s p l a c e me n t fi e l d ( =1 8 5 n l l n) 通过数字摄影可视化后处理软件 ， 得到了试件 全域 的位移矢量图， 并通过分析图像 ， 解释试件破坏 过程 。选取典型的4组位移矢量 ， 如图4所示。 霉 0 u qu O u I I U J u u 0 z u 4u Ou u儿J U ( c ) =1 4 5 n n l l ( d ) =1 8 5 n ln l 图 4位移矢量 Fi g 4 Di s pl a c e m e n t ve c t or 从图4中可以看出位移矢量的发展变化， 在 s = 0 6 5 m m之前 ， 位移矢量很不 明显 ， 当 s 大于 0 6 5 m i l l 时， 位移矢量才从 图中表现出来 ； 当s =1 0 5 mm 时 ， 矢量继续发展 ， 而且局部发展比较明显， 出现局 部破坏 ； 当s =1 4 5 m m时， 总体位移矢量分布相对 比较均匀， 只是局部变形较大， 开始 出现裂缝。随着 s 的继续增 大， 位 移矢量 的发展更 为 明显 ， 当 s= 1 8 5 m m时， 在裂缝附近与其他区域 ， 位移量的大小 和方向有着 明显 的区别。从 位移矢量 图中可 以看 出， 试件的裂缝变形和位移场图中所表现得基本一 致。需要说明的是 ， 由于试件上 、 下压板不是绝对 固 定不动的， 上压板在峰值前向左上方发生 了一定的 偏斜 ， 表现在混凝土试件表面位移矢量总体上偏 向 左上方。 2 2 裂缝宽度计算 2 2 1 基于图像相关分析的裂缝宽度计算方法 ( 1 ) 在试件变形网格图中选择一条裂缝作为计 赵峥 ， 等 ： 数 字 摄 影 量 测 在 混 凝 土变 形 试 验 中 的应 用 算裂缝 ， 在此裂缝的两侧选取 2个测点 ， 且尽可能靠 近裂缝如图 5 ( a ) 所示点 1 8 2 1 和点 1 8 3 1 。在每个选 取点周围再各选取一个点如图 5 ( b ) 所示点 1 8 0 6和 点 1 8 2 5 ， 作为对照点 ， 也叫辅助点。 图5位移矢量 Fi g 5 Di s p l a c e m e nt ve c t o r ( 2 ) 裂缝 的计算是通过近景数字摄影量测系统 及其后处理程序对采集的 图像进行分 析， 把选取点 的位移坐标导出， 通过坐标值可 以计 算两点的实 际 距离 。首先计算选取点在轴向位移 s = 0 m m时的距 离 ， 再计算轴向位移 s =0 0 51 8 5 m m 时的距离 i，利用裂缝宽度 B= 一 即可求 出裂缝在不同轴 向位移条件下的宽度 。测点距离的计算公式 ： L i = ( i 。 一 ) 一( Y i。 一 Y 2 ( 1 ) 式中 Y i 点 1 8 2 1在不 同轴 向位移 时的坐 标 ； ，Y i2 点 1 8 3 1在不 同轴 向位移 时的坐 标 。 表 2 参考点 的相关数据 Tab l e 2 Re f e r e nc e poi nt s da t a Bi=L i一 ( 2 ) 式中 裂缝宽度 ， m m； 两点在轴 向位移为 0时的距离。 ( 3 ) 辅助点的选取要在计算试件裂缝点的周围 选取 ， 作用是用来检测试件表面在没有裂缝 的状态 下， 相临两点间有没有变形 。根据两点 间的距离变 化情况 ， 可以推断采用近景数字摄影量测裂缝的准 确 性 。 2 2 2裂缝宽度计算 选择点 1 8 2 1和点 1 8 3 1 作为量测裂缝宽度的试 验点 ， 相关数据见表 1 ， 2 。表 中在轴向位移较小时 ， 裂缝没有出现 ， 相关数据没有列出。 表 1 量测裂缝宽度点的相关数据 Ta bl e 1 Cr a ck wi dt h me a s u re m e n t po i ntsd at a 经计算 ， 得出不同 s 情况下的裂缝宽度 值 ， 轴 向位移和裂缝宽度关系曲线如图 6所示。 图 6 轴 向位移一裂缝 曲线 Fi g 6 Di s pl a c e me nt - c r a ck wi dt h c u rv e 从图 6中可以直观地看出， 此条裂缝在轴向位 移 s =1 4 5 m i l l 之前是 不存在 的， 只是在 =1 4 5 m m后才出现， 而且发展很快 ， 直至试 件被压坏。开 始裂缝发展斜率 一致 ， 到 s=1 6 5时 ， 曲线 斜率 突 变 ， 昭示着试件破坏。 2 3 弹性模量计算 2 3 1 弹性模量计算方法 采取的弹性模量计算方法是 ， 在试件 网格图中 选取若干点 ， 通过数字摄影量测后 ， 处理程序导出所 选取点的坐标 ， 通过计 算在不 同压力条件下两点之 问的距离变形量 ， 得出应变 ， 再用相关试件压力值 除以试件受力面积 ， 得 出应力 ， 最后 ， 利用应力应 变 比值计算弹性模量 E。 2 3 2测 点提 取 利用前面的图像 ， 选取竖直方向的点 ， 如图7所 示 。 2 3 3弹性模量 计算 根据 图像 的变形演 变， 计算 s的值。计算 的 值时， 要保证试件没有出现裂缝 。 2 1 0 四川建筑科学研究 第 3 7卷 图7 测点提取示意 Fi g 7 M e a s u r i n g po i nt s ( 1 ) 当轴向位移 s = 0 5 0 m m时 ， 试件没有出现 裂缝 ， 压力 F=1 8 5 k N； 变形相关参数见表 3 。 表 3 变形相关参数 ( 5 = 0 5 0 m m) T a b l e 3 D e f o r ma t i o n p a r a me t e r ( s = 0 5 0 ra i n ) ( 3 6 8 , 1 9 0 9 )L ( 1 1 7 2, 2 7 1 3 ) ( 1 9 0 9 , 3 5 1 8 ) L ( 2 7 1 3 , 4 2 5 5 ) 0 5 3 0 2 3 3 O 3 6 3 1 7 l 3 0 3 2 3 Al 0 1 3 0 0 O O 6 7 ：0 0 0 4 0 0 0 0 0 2 注： 8 。 = A l L 占：( l + 2 + 3+8 4 ) 4= 0 0 0 1 5 ， ：F A=I 8 5 1 0 0 。 =1 8 5 MP a E =o s：1 8 5 0 0 01 5=1 2 3 1 0 MP a 根据以下公式计算 ： F Z 丁 ( 3 ) E=o - J 式中 卜轴向压力 ； A 试件面积； 试件应力 ； 占试件应变 ； f 两测点原距离； f 两测点距离变量 ； E 弹性模量。 ( 2 ) 当轴向位移 s = 0 7 0 m m时， 试件没有出现 裂缝 ， 压力 F=3 2 5 k N； 变形 相关参数 见表 4 。 表 4 变形相关参数 ( s = 0 7 0 m m) T a b l e 4 De f o r ma t i o n p a r a me t e r ( s =0 7 0 I n n) 慧 L ( 3 6 8 ,19 0 9 ) L ( 11 72 ，27 13 ) 5 ( 1 90 9 ，3 5 1 8 ) ( 2 7 13 ，4 2 5 5 ) 0 7 3 O 0 8 3 O 3 6 31 7 1 3 0 1 2 Al 0 2 8 0 0 0 2 7 s0 0 0 9 0 0 0 0 0 9 注 ： i =A l L ： ( 占 l +8 2+ 3+ 4 ) 4= O 0 0 4 5 ， o r =F A= 3 2 5 1 0 0 =3 2 5 MPa E =tr 6=3 2 5 0 0 0 4 5 =7 21 0 3 MP a 选取轴向位移 s = 0 5 0 m m和s = 0 7 0 m m不同 值时 ， 得 出的弹性模量 E的值不 同， 在 s= 0 5 0 m m 时， 大于 s = 0 7 0 m m的弹性模量。这说 明， 在此阶 段 ， 试件已经进入弹塑性变形阶段。因此， 所测得的 结果会有不同。从表 3 ， 4中可以看 出， 试件选取的 点之间的距离变化 ， 位于试件两端的距离变化大于 位于试件中部的两点之间距离的变化， 试件 的弹性 模量中部大于两端 。这说 明， 试件的变形是从两端 往中部发展。 3 结 论 ( I ) 运用数字摄影量测后处理 系统 ， 根据选取 点之间的距离变化， 计算 出裂缝的精确宽度。选取 点的坐标在不 同的轴 向位移 s 下对应不 同的坐标 值， 由此得出的裂缝宽度是动态变化量。 ( 2 )试验选取轴向位移不同时 ， 得出的弹性模 量 E值不同。这说 明， 在此 阶段 ， 试件已经进入弹 塑性变形阶段。试件选取的点之间的距离变化 ， 试 件两端 的距离变化大于试件中部的两点之间距离的 变化， 试件的弹性模量中部大于两端。这说明， 试件 的变形是从两端往中部发展的。 ( 4 ) 利用数字摄影量测的方法计算出试件的弹 性模量。该方法减少 了应变计 的布设 ， 克服了人为 布设应变计数量有 限的不足 ， 并可以量测试件不 同 时间段 、 不同部位 的弹性模量 ， 比传统方法更灵活、 简便、 科学。 参 考 文 献 ： 1 张 祖勋 数 字摄 影测 量 的发 展 与展 望 J 地理 信息 世 界 ， 2 0 0 4。 2 ( 3) ： 1 - 5 2 王宝庭 ， 徐道远 ， 宋 玉普 数字 图像处 理技术在混凝 土研究 中 的应用 J 河海大学学报 ， 1 9 9 9 ， 2 7 ( 4 ) ： 6 0 - 6 3 3 李元 海， 靖洪文 ， 刘刚， 等 数字照相量测在岩石隧道模型试 验中的应用 研究 J 岩石 力 学 与工 程 学报 ， 2 0 0 7 ， 2 6( 8 ) ： 1 6 8 4 1 7 9 1 4 李元海 数字照相变形量测技术及其在岩土模型实验中的应 用研究 J 岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 1 ( 7 ) ： 2 3 - 2 5 5 刘清元 ， 谈桥基 于图像 处理的混凝土裂缝 的检测 J 武 汉理工大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 4 ) ： 6 9 - 7 1 6 李元 海 ， 干晓蓉 ， 彭辉 数字照相在混 凝土变形量 测中的实 验研究 J 昆明理工大学学报 ， 2 0 0 7， 3 2 ( 4 ) ： 4 3 47 7 P e t e m W H， R a n s o n W F D i o t a l i ma g i n g t e c h n i q u e s i n e x p e r i me n t a l s t r e s s a n a l y s i s J O p t i c a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 8 2 ， 2 1( 3) ： 4 2 7- 4 3 1 8 王雷 基于数 字图像 的混凝 土结构 构件裂缝 测量 D 天 津 ： 天津大学 ， 2 0 0 6