DIC技術在高樁碼頭結構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技術在高樁碼頭結構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DIC技術基本原理，結合高樁碼頭構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構進行檢測，以此來對碼頭結構的安全性進行評估。

數字圖像相關方法；高樁碼頭；結構安全性

一、引 言

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

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

二、數字圖像相關方法

(一)數字圖像相關方法簡介。數字圖像相關方法(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展空間[4]。

(二)數字圖像相關方法基本原理。數字圖像相關方法是根據物體在變形前、后產生的散斑場，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域根據相關系數的極值條件辨別確定出對應于變形前的區域。該方法通過使用攝像機來取得變形前、后物體表面的數字圖像，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]。這就是數字圖像相關法測量技術的基本原理，如圖1所示。

圖1 數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：一是提高數碼相機的分辨率，這種方法受制于當前的數碼相機的技術水平；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。

若相關系數的峰值在(i，j)點，其附近的相關系數可以用來擬合高斯函數曲線。高斯函數曲線假定為：

(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；Ri,j為(i,j)點的相關系數。

三、鋼護筒鋼筋混凝土樁扭矩實驗

根據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，本文結合單構件受力試驗，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，且鋼護筒內壁焊接8根二級鋼筋(d=14mm)；內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。本次試驗在樁基構件的測試表面貼上應變片，通過與DH3821應變采集儀的讀數來對比精度。該樁基試件放置在500噸級長柱結構試驗機上，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，同時攝像機拍攝試件表面的圖像。最后當樁基構件承受42kN扭矩作用時，停止實驗。

(三)實驗數據。對采集的圖像利用Matlab進行數據處理，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字散斑結果進行對比，如圖2所示。

圖2 樁基構件應變儀記錄應變值與數字散斑計算應變值對比圖

四、結論與問題

本文對影響高樁碼頭安全性的主要受力構件進行變形分析，驗證DIC技術可用于高樁碼頭主要受力構件的變形檢測。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三維實體變形還需繼續完善模型。

(3)DIC相關測量對光強要求高，而在現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定性和成功率。

(4)本文應用數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.散斑圖像相關數字技術原理及應用[J].實驗力學,2003,19(3):409-418.

[2]吳太廣.數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.