DIC技術在高樁碼頭結(jié)構(gòu)安全性檢測中的應用

程夢瑤 孫志偉

(重慶交通大學河海學院 重慶 400074)

DIC技術在高樁碼頭結(jié)構(gòu)安全性檢測中的應用

程夢瑤 孫志偉

(重慶交通大學河海學院 重慶 400074)

本文根據(jù)DIC技術基本原理，結(jié)合高樁碼頭構(gòu)件及鋼護筒模型試驗，利用散斑測量程序，進行高樁碼頭鋼護筒的模型試驗。通過對收集的散斑圖像進行測量分析，得出高樁碼頭鋼護筒在變形過程中的應變值，由此驗證DIC技術可用于高樁碼頭試驗模型中主要受力構(gòu)件的變形檢測。今后在實際工程中，也可以利用DIC技術對類似高樁碼頭結(jié)構(gòu)進行檢測，以此來對碼頭結(jié)構(gòu)的安全性進行評估。

數(shù)字圖像相關方法；高樁碼頭；結(jié)構(gòu)安全性

一、引 言

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

本文以室內(nèi)碼頭實驗模型為依托，采用數(shù)字散斑原理[1]，對結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的應變進行測量分析，研究基于數(shù)字散斑原理[2]的高樁碼頭結(jié)構(gòu)的安全性檢測方法，進而使DIC技術能更好的運用于高樁碼頭的檢測。

二、數(shù)字圖像相關方法

(一)數(shù)字圖像相關方法簡介。數(shù)字圖像相關方法(Digital Image Correlation)，是在20世紀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，對物體變形前后位移進行測量。由于該方法基于全場測試表面變形的技術，因此在測量中有更加遼闊發(fā)展空間[4]。

(二)數(shù)字圖像相關方法基本原理。數(shù)字圖像相關方法是根據(jù)物體在變形前、后產(chǎn)生的散斑場，通過對照其相互關系來獲取物體位移和變形的情況，在變形后的散斑場區(qū)域根據(jù)相關系數(shù)的極值條件辨別確定出對應于變形前的區(qū)域。該方法通過使用攝像機來取得變形前、后物體表面的數(shù)字圖像，再對變形前后的圖像進行相關運算，通過一系列計算最終得出被測物體表面所有點的位移及變形[5]。這就是數(shù)字圖像相關法測量技術的基本原理，如圖1所示。

圖1 數(shù)字圖像相關技術原理圖

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

若相關系數(shù)的峰值在(i，j)點，其附近的相關系數(shù)可以用來擬合高斯函數(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行：

(2)

(3)

式中，c、k為常數(shù)；Ri,j為(i,j)點的相關系數(shù)。

三、鋼護筒鋼筋混凝土樁扭矩實驗

根據(jù)DIC技術的基本原理，確定本文的散斑程序基本算法。為了更好的檢驗這套算法是否能有效的應用于實際工程中，本文結(jié)合單構(gòu)件受力試驗，通過對收集的散斑圖像進行計算分析，得出單構(gòu)件在變形過程中的應變值，進一步確定DIC技術在工程實際運用中的準確性及實用性。

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

(二)實驗裝置及實驗步驟。本次試驗在樁基構(gòu)件的測試表面貼上應變片，通過與DH3821應變采集儀的讀數(shù)來對比精度。該樁基試件放置在500噸級長柱結(jié)構(gòu)試驗機上，進行扭矩試驗，攝像機的光軸與試件表面近似垂直。

在儀器加載前，攝像機首先拍攝一幅未變形前的試件圖像作為參考，隨后試驗機在電腦控制下以3kN為一級,進行分級加載，每加載完一級后記錄應變采集儀的讀數(shù)，同時攝像機拍攝試件表面的圖像。最后當樁基構(gòu)件承受42kN扭矩作用時，停止實驗。

(三)實驗數(shù)據(jù)。對采集的圖像利用Matlab進行數(shù)據(jù)處理，由于實驗處理軟件精度為0.01pixel，故加載之前在試件上畫上一個10cm的刻度線，采集圖像時，確定試件與圖像之間放大倍數(shù)的標定為0.68mm/pixel，故單位像素的實際精度值0.0068mm。為了保證實驗的正確性，在實際試件表面中心點處得出應變值再與數(shù)字散斑結(jié)果進行對比，如圖2所示。

圖2 樁基構(gòu)件應變儀記錄應變值與數(shù)字散斑計算應變值對比圖

四、結(jié)論與問題

本文對影響高樁碼頭安全性的主要受力構(gòu)件進行變形分析，驗證DIC技術可用于高樁碼頭主要受力構(gòu)件的變形檢測。雖取得了一些成果，但尚有許多問題待進一步研究和探討：

(1)由于實驗條件的限制，本文僅完成了單個構(gòu)件在單一荷載作用下的試驗驗證，建議可進行在多種荷載組合下，該方法的驗證研究。

(2)對于三維曲面物體來說二維平面展示往往不夠直觀，如何深化單幅圖片來重構(gòu)三維實體變形還需繼續(xù)完善模型。

(3)DIC相關測量對光強要求高，而在現(xiàn)場試驗中往往光照條件較差，需進一步改進像素匹配算法增加測量的穩(wěn)定性和成功率。

(4)本文應用數(shù)值散斑程序的精度還有待提高，此外這種測量方法往往是在Matlab平臺上運行，如何使其在便攜設備上實現(xiàn)散斑程序的運行，還需要進一步的探究。

[1]單寶華,歐進萍,趙仁孝等.散斑圖像相關數(shù)字技術原理及應用[J].實驗力學,2003,19(3):409-418.

[2]吳太廣.數(shù)字圖像相關方法及其應用研究[D].長沙理工大學,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)字散斑相關測量中亞像素位移測量方法的比較[J].實驗力學,2003,18(03)：343.346.

[5]張懷清,蒲琪,代祥俊,云海.基于數(shù)字散斑相關方法的微位移測量[J].山東理工大學學報(自然科學版),2009,23 (1):49-52.