CN105004611B - 一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法，通过制作原级混凝土试件，在试件顶部预制裂缝，粘结钢块；测量试件外形尺寸和楔形加载架的质量；在试件的预制裂缝尖端两侧设置应变片；在试件底部标出四分点的位置；将试件通过加载滑轮连同楔形加载架安装到试验机上；在预制裂缝中间安装刀口薄钢板；通过试验机对试件进行加载，加载的同时，动态应变仪采集数据；高精度CCD相机采集图像；直至试件被破坏；对采集数据和采集图像进行处理分析，得到分析结果。本发明利用光测法DIC技术与传统的电测方法相结合，确定混凝土的起裂韧度，有效防止新建混凝土结构的危害性裂缝的发生。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电测与光测方法研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法，尤其涉及一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法，属于混凝土断裂损伤分析技术领域。
背景技术
混凝土结构的裂缝是建筑研究上的高难课题，其设计理论体系发展大致可分三个阶段：断裂力学分析阶段、塑性分析阶段、弹性分析阶段；断裂力学作为专门研究带裂缝固体强度及裂缝扩展规律的科学，可有效且合理地分析混凝土结构的响应。
半世纪来，国内外研究学者相继提出了适用于混凝土类非线性材料的断裂模型，如虚拟裂缝模型、双参数断裂模型、双K断裂模型等等；其中，我国徐世烺教授提出的双K断裂模型汲取前人模型优点，将混凝土裂缝前端断裂过程区的粘聚力与可解析的应力强度因子概念相结合，完整描述了混凝土破坏全过程。
目前国内的结构物裂缝的检测方法，至今也没有具备广泛普及潜力的数字化检测和分析专用设备；虽然也有一些混凝土裂缝检测仪问世，但这些仪器大多都由稳压源、传感器、显示装置等组成，其主要是针对大型混凝土建筑物的检测，如对大坝、大型渡槽、桥梁等结构内部混凝土浇灌情况进行检查，而对于一般性的民用建筑出现的结构物外部裂缝性问题的检查，作用则显得十分有限；因此，在这种情况下，迫切需要一种省时省力、高效、精确、成本低廉、检测自动化的检测方式来替代以往传统方式，而电测与光测相结合正是一种有效而有实际的方法。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法；将光测法DIC技术与传统的电测方法相结合，进行楔入劈拉试件的断裂试验；结合双目立体视觉技术，采用高速摄像机，实时采集试件各个变形阶段的散斑图像，利用光学系统全场测量提供的局部和全局应变分布和裂纹生长信息，确定混凝土的起裂韧度；通过对混凝土断裂韧度这一性能指标的进一步研究，有效防止新建混凝土结构的危害性裂缝的发生。
本发明所采用的技术方案为：
一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法，包括以下步骤：
(1)制作原级混凝土试件；在试件顶部预制裂缝，粘结钢块；
(2)测量试件外形尺寸和楔形加载架的质量；
(3)在试件的预制裂缝尖端两侧设置应变片；在试件底部标出四分点的位置；
(4)将试件通过加载滑轮连同楔形加载架安装到试验机上；在预制裂缝中间安装刀口薄钢板；在试件顶端的两侧固定设置夹式引伸仪；用于测量试件在试验时裂缝开展的线性位移；
(5)通过试验机对试件进行加载，加载的同时，利用动态应变仪通过应变片采集数据；利用高精度CCD相机对试件表面图像进行采集；直至试件被破坏；
(6)对采集数据和采集图像进行处理分析，得到分析结果。
进一步，所述试件根据测试材料制作有至少一组；一组里包括多个相同的试件，且对每组里多个试件在24小时内进行试验处理分析。
进一步，步骤(1)所述试件的尺寸为300mm×300mm×200mm；所述裂缝的缝宽为3mm±1mm；缝长为150mm±2mm；所述钢块的厚度为30mm±1mm，宽度为75mm±1mm。
进一步，所述粘结钢块包括对所述试件粘贴面进行打磨的步骤，且所述钢块通过环氧类结构胶与所述试件粘贴固定。
进一步，步骤(1)所述制作原级混凝土试件包括以下步骤：
A、将原级配混凝土拌合物浇筑在提前做好的试模内，对其进行振捣、成型；
B、拆模、编号、养护，直至规定的试验龄期。
进一步，所述高精度CCD相机包括百万像素镜头。
进一步，步骤(5)所述的图像采集过程中还包括利用高亮LED直流光源进行补光的过程。
进一步，步骤(6)所述对采集数据和采集图像进行分析处理包括以下步骤：
A、弹性模量E的计算：
式中：
a0是预制裂缝长度；h0是刀口薄钢板的厚度；h是试件高度；
ci是时间的初始V/F值，F为对试件施加的力，V为夹式引伸仪在试件上测得的裂缝张开位移，由试件F—V曲线的上升段之直线段上任一点的V、F计算，ci＝Vi/Fi；
B、临界有效裂缝长度的计算：
式中：
h0是刀口薄钢板的厚度；Vc是裂缝口张开位移临界值；h是试件高度；
E是计算弹性模量；t是试件的厚度；FHmax是最大水平荷载；
C、失稳断裂韧度的计算：
式中：
FHmax是最大水平荷载；t是试件的厚度；h是试件高度；a0是预制裂缝长度；
FHmax应按下式计算：
式中：
m是楔形加载架的重量，若楔形加载架固定在试验机上则不计入；g是重力加速度，取9.81m/s2；
D、起裂韧度的计算：
其中，
FHQ是起裂水平荷载；ac是有效裂缝长度，
FHQ按下式计算：
式中，FQ是起裂荷载；
根据起裂韧度确定断裂韧度，所述断裂韧度以每组多个试件测得的起裂韧度算术平均值作为试验结果，剔除掉超出平均值15％的试件；
E、裂缝图像分析：
通过Matlab的ImageProcessing工具箱对采集到的裂缝图像进行处理和分析，所述处理和分析包括裂缝定位、图像分割、裂缝宽度测量、裂缝长度测量、裂缝密度；具体分别由裂缝定位、图像分割、裂缝宽度测量、裂缝长度测量、裂缝密度计算五个模块实现；
①裂缝定位模块：
主要通过人机交互的方式确定结构物图像中裂缝区域的范围，或需分析计算的范围，以便进一步分析和测量计算；
②图像分割模块：
实现结构裂缝图像阀值化分割、形态学除噪、孔洞孔隙填充、边缘光滑、形态学重构、边缘跟踪等一系列功能，最终获取裂缝边缘边界像素坐标数组；
③裂缝宽度测量模块：
通过距离函数找到分布于观测线两侧的相邻裂缝边界像素点，再通过插值求出观测点和裂缝边缘的交点，最后求出观测线在裂缝之间的线段长度，所得即为观测线处的裂缝宽度；
④裂缝长度测量模块：
在图像分割后的基础上，将图像转成黑白二值图像并置白后，再对图像中裂缝部分标一记描述，最后描述属性选择裂缝外切椭圆的长轴长度，这是与目标物具有相同二阶中心矩的椭圆的长轴，由于裂缝边缘是不规则的，进行累加计算后结果可以近似地认为等于长轴；
⑤裂缝密度计算模块：
对已经标记的结构物裂缝二值图像的像素个数进行计算，得到的数值与结构物全部观测区域图像的像素个数求商，得到的比值即为观测区域裂缝像素数所占比例，也就是本研究提出的裂缝密度。
F、电测数据处理分析：
将动态应变仪中获取的随时间变化的应变值收集存储在Excel中，将数据过滤去噪后，根据试件加载时的受力分析得出测点处的真实应力计算公式
计算出相应测点处的应力值；
式中：h为试件顶部未粘结钢块时试件的高度；a0为试件预制缝长；a为夹式引伸仪固定位置距离试件顶部的距离；s为计算点位置距离预制裂缝的距离，是变量；t为试件厚度；σs为试件第一主应力；σN为轴力产生的正应力；σM为弯矩产生的正应力；N为试验机产生的轴力；M为试验机产生的弯矩。
本发明的有益效果在于：本发明通过光测与电测方法相结合，在试验中直接测定起裂荷载，分析试件断裂过程中，断裂过程区应变、应力场分布规律，研究I型裂缝断裂过程区材料力学行为及断裂过程区形状、大小尺寸等发展情况，形成一套新的较为完整的描述混凝土断裂过程的分析方法；有效防止新建混凝土结构的危害性裂缝的发生。
附图说明：
图1是本发明混凝土试件与粘结钢块示意图；
图2是本发明混凝土试件与楔形加载架安装示意图；
图3是本发明一组试件电测应变与时间拟合曲线图；
图4是本发明电测方法与光测方法所得的应力与应变曲线对比图；
图5是本发明电测方法与光测方法所得的损伤与应变曲线对比图；
图6是本发明楔形加载架受力示意图；
图7是本发明试件受力示意图；
图8是本发明试件断裂试验过程光测图代表性时刻一；
图9是本发明试件断裂试验过程光测图代表性时刻二；
图10是本发明试件断裂试验过程光测图代表性时刻三；
图11是本发明采集图像系统示意图；
图中主要附图标记含义如下：
1、粘结钢块，2、预制裂缝，3、加载滑轮，4、支座，5、试件，6、楔形加载架。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做具体的介绍。
图1是本发明混凝土试件与粘结钢块示意图；图2是本发明混凝土试件与楔形加载架安装示意图；
如图1和2所示：本实施例是一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法，包括以下步骤：
(1)制作原级混凝土试件5；在试件5顶部预制裂缝2，粘结钢块1；所述试件5根据测试材料制作有三组；每组里包括四个相同的试件5，且对每组里四个试件在24小时内进行试验处理分析；本实施制作原级混凝土试件5包括以下步骤：
A、将原级配混凝土拌合物浇筑在提前做好的试模内，对其进行振捣、成型；
B、拆模、编号、养护，直至规定的试验龄期。
本实施例所制试件5的尺寸为300mm×300mm×200mm；所制裂缝2的缝宽为3mm±1mm；缝长为150mm±2mm；所用钢块1的厚度为30mm±1mm，宽度为75mm±1mm。
同时，本实施例在粘结钢块1时，对所述试件5粘贴面进行了打磨，并通过环氧类结构胶将钢块与所述试件5粘贴固定；将试件5粘贴面打磨平整、清洁，主要是便于钢块1通过环氧类结构胶与试件5粘牢。
(2)测量试件5外形尺寸和楔形加载架6的质量。
(3)在试件5的预制裂缝2尖端两侧设置应变片；在试件5底部标出四分点的位置。
(4)将试件5通过加载滑轮3连同楔形加载架6安装到试验机上；在预制裂缝2中间安装刀口薄钢板；安装时，将试验机上下承压板擦干净，然后安装试件5，将试件5、加载滑轮3、楔形加载架6安放在合适的位置，保证上下对中；在试件5顶端的两侧固定设置夹式引伸仪；测量试件5在试验时裂缝开展的线性位移。
(5)通过试验机对试件5进行加载，本实施例所述试验机是万能油压试压机；加载速率均匀而且连续，加载的同时，利用动态应变仪通过应变片采集数据；图11是本发明采集图像系统示意图；如图11所示，利用高精度CCD相机对试件表面图像进行采集；所述高精度CCD相机采用百万像素镜头，且在图像采集过程中，本实施例还利用高亮LED直流光源对试件5进行补光；直至试件5被破坏；加载时，采用裂缝口张开位移进行控制，同时依据所获取的图像确定混凝土的起裂荷载，整个试验在计算机屏幕上同步显示出F-V曲线；F为万能油压试验机对试件5施加的力，加载的速度在实验中根据情况进行调整，V为夹式引伸仪测得的裂缝张开位移，夹式引伸仪与万能油压试验机的电脑相连，即可实现在显示器中观察到裂缝张开位移的变化；如图8、9、10所示，通过三个代表性时刻的光测图可以看出，混凝土试件5的断裂在沿着预制裂缝逐渐开展扩大，云图颜色的深浅程度表示应变的变化情况，可以较完整清晰地还原开裂的整个过程。
(6)对采集数据和采集图像进行处理分析，得到分析结果；
本实施例对采集数据和采集图像进行分析处理包括以下步骤：
A、弹性模量E的计算：
式中：
a0是预制裂缝2长度；h0是刀口薄钢板的厚度；h是试件5高度；
ci是时间的初始V/F值，F为对试件5施加的力，V为夹式引伸仪在试件5上测得的裂缝张开位移，由试件F—V曲线的上升段之直线段上任一点的V、F计算，ci＝Vi/Fi；
B、临界有效裂缝长度的计算：
式中：
h0是刀口薄钢板的厚度；Vc是裂缝口张开位移临界值；h是试件5高度；
E是计算弹性模量；t是试件5的厚度；FHmax是最大水平荷载；
C、失稳断裂韧度的计算：
式中：
FHmax是最大水平荷载；t是试件5的厚度；h是试件5高度；a0是预制裂缝2长度；
FHmax应按下式计算：
式中：
m是楔形加载架6的重量，若楔形加载架6固定在试验机上则不计入；g是重力加速度，取9.81m/s2；
D、起裂韧度的计算：
其中，
FHQ是起裂水平荷载；ac是有效裂缝长度，
FHQ按下式计算：
式中，FQ是起裂荷载；
根据起裂韧度确定断裂韧度，所述断裂韧度以每组多个试件5测得的起裂韧度算术平均值作为试验结果，剔除掉超出平均值15％的试件；
E、裂缝图像分析：
通过Matlab的ImageProcessing工具箱对采集到的裂缝图像进行处理和分析，所述处理和分析包括裂缝定位、图像分割、裂缝宽度测量、裂缝长度测量、裂缝密度；具体分别由裂缝定位、图像分割、裂缝宽度测量、裂缝长度测量、裂缝密度计算五个模块实现；
②裂缝定位模块：
主要通过人机交互的方式确定结构物图像中裂缝区域的范围，或需分析计算的范围，以便进一步分析和测量计算；
②图像分割模块：
实现结构裂缝图像阀值化分割、形态学除噪、孔洞孔隙填充、边缘光滑、形态学重构、边缘跟踪等一系列功能，最终获取裂缝边缘边界像素坐标数组；
③裂缝宽度测量模块：
通过距离函数找到分布于观测线两侧的相邻裂缝边界像素点，再通过插值求出观测点和裂缝边缘的交点，最后求出观测线在裂缝之间的线段长度，所得即为观测线处的裂缝宽度；
④裂缝长度测量模块：
在图像分割后的基础上，将图像转成黑白二值图像并置白后，再对图像中裂缝部分标一记描述，最后描述属性选择裂缝外切椭圆的长轴长度，这是与目标物具有相同二阶中心矩的椭圆的长轴，由于裂缝边缘是不规则的，进行累加计算后结果可以近似地认为等于长轴；
⑤裂缝密度计算模块：
对已经标记的结构物裂缝二值图像的像素个数进行计算，得到的数值与结构物全部观测区域图像的像素个数求商，得到的比值即为观测区域裂缝像素数所占比例，也就是本实施例所述的裂缝密度。
F、电测数据处理分析：
将动态应变仪中获取的随时间变化的应变值收集存储在Excel中，将数据过滤去噪后，根据试件5加载时的受力分析得出测点处的真实应力计算公式
计算出相应测点处的应力值；
式中：h为试件5顶部未粘结钢块1时试件5的高度；a0为试件5预制缝长；a为夹式引伸仪固定位置距离试件5顶部的距离；s为计算点位置距离预制裂缝的距离，是变量；t为试件5厚度；σs为试件5第一主应力；σN为轴力产生的正应力；σM为弯矩产生的正应力；N为试验机产生的轴力；M为试验机产生的弯矩。
图3是本发明一组试件电测应变与时间拟合曲线图；
如图3所示，给出了通过动态应变仪测得的同时段的电测应变值，通过数据采集存储在Excel中，经过过滤去噪处理绘制成应变与时间的散点图，在Origin绘图软件中拟合出应变与时间曲线，可见电测结果与混凝土断裂特性相符。
图4是本发明电测方法与光测方法所得的应力与应变曲线对比图；
如图4所示，给出了电测方法与光测方法所得的应力与应变曲线对比图，通过两条图线对比发现光测结果基本与电测结果相符合并且趋势相同。
图5是本发明电测方法与光测方法所得的损伤与应变曲线对比图；
如图5所示，给出了电测方法与光测方法所得的损伤与应变曲线对比图，通过两条图线对比发现光测结果基本与电测结果相符合并且趋势相同。
图6是本发明楔形加载架受力示意图；图7是本发明试件受力示意图；
如图6和7所示：图中h为试件5顶部未粘结钢块1时的高度，b为试件5的总宽度；P为竖向荷载；a0为试件5预制缝长；a为夹式引伸仪固定位置距离试件5顶部的距离；s为计算点位置距离预制裂缝的距离，是个变量；d为支座4反力到试件中心线的距离；R1为支座4反力；G为试件5自重；σN为轴力产生的正应力；σM为弯矩产生的正应力；N为油压试验机产生的轴力；M为试验产生的弯矩。
本实施例通过光测与电测方法相结合，在试验中直接测定起裂荷载，分析试件断裂过程中，断裂过程区应变、应力场分布规律，研究I型裂缝断裂过程区材料力学行为及断裂过程区形状、大小尺寸等发展情况，形成一套新的、完整的描述混凝土断裂过程的分析方法，有效防止新建混凝土结构的危害性裂缝的发生。
上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制作原级混凝土试件；在试件顶部预制裂缝，粘结钢块；
(2)测量试件外形尺寸和楔形加载架的质量；
(3)在试件的预制裂缝尖端两侧设置应变片；在试件底部标出四分点的位置；
(4)将试件通过加载滑轮连同楔形加载架安装到试验机上；在预制裂缝中间安装刀口薄钢板；在试件顶端的两侧固定设置夹式引伸仪；
(5)通过试验机对试件进行加载，加载的同时，利用动态应变仪通过应变片采集数据；利用高精度CCD相机对试件表面图像进行采集；直至试件被破坏；
(6)对采集数据和采集图像进行处理分析，得到分析结果；
步骤(6)所述对采集数据和采集图像进行分析处理包括以下步骤：
A、弹性模量E的计算：
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式中：
a0是预制裂缝长度；h0是刀口薄钢板的厚度；h是试件高度；
ci是时间的初始V/F值，F为对试件施加的力，V为夹式引伸仪在试件上测得的裂缝张开位移，由试件F—V曲线的上升段之直线段上任一点的V、F计算，ci＝Vi/Fi；
B、临界有效裂缝长度的计算：
<mrow>
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</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
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<mn>1</mn>
<mn>2</mn>
</mfrac>
</msup>
<mo>&rsqb;</mo>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>h</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
式中：
h0是刀口薄钢板的厚度；Vc是裂缝口张开位移临界值；h是试件高度；
E是计算弹性模量；t是试件的厚度；FHmax是最大水平荷载；
C、失稳断裂韧度的计算：
<mrow>
<msubsup>
<mi>K</mi>
<mrow>
<mi>I</mi>
<mi>C</mi>
</mrow>
<mi>S</mi>
</msubsup>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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<msub>
<mi>F</mi>
<mrow>
<mi>H</mi>
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</mrow>
</msub>
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<mrow>
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</msqrt>
</mrow>
</mfrac>
<mi>f</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：
FHmax是最大水平荷载；t是试件的厚度；h是试件高度；a0是预制裂缝长度；FHmax应按下式计算：
式中：
m是楔形加载架的重量，若楔形加载架固定在试验机上则不计入；g是重力加速度，取9.81m/s2；
D、起裂韧度的计算：
<mrow>
<msubsup>
<mi>K</mi>
<mrow>
<mi>I</mi>
<mi>C</mi>
</mrow>
<mi>Q</mi>
</msubsup>
<mo>=</mo>
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<mrow>
<msub>
<mi>F</mi>
<mrow>
<mi>H</mi>
<mi>Q</mi>
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</msqrt>
</mrow>
</mfrac>
<mi>f</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，
FHQ是起裂水平荷载；ac是有效裂缝长度，
FHQ按下式计算：
式中，FQ是起裂荷载；
根据起裂韧度确定断裂韧度，所述断裂韧度以每组多个试件测得的起裂韧度算术平均值作为试验结果，剔除掉超出平均值15％的试件；
E、裂缝图像分析：
通过Matlab的ImageProcessing工具箱对采集到的裂缝图像进行处理和分析，所述处理和分析包括裂缝定位、图像分割、裂缝宽度测量、裂缝长度测量、裂缝密度；
裂缝定位模块：主要通过人机交互的方式确定结构物图像中裂缝区域的范围，或需分析计算的范围，以便进一步分析和测量计算；
图像分割模块：实现结构裂缝图像阀值化分割、形态学除噪、孔洞孔隙填充、边缘光滑、形态学重构、边缘跟踪的一系列功能，最终获取裂缝边缘边界像素坐标数组；
裂缝宽度测量模块：通过距离函数找到分布于观测线两侧的相邻裂缝边界像素点，再通过插值求出观测点和裂缝边缘的交点，最后求出观测线在裂缝之间的线段长度，所得即为观测线处的裂缝宽度；
裂缝长度测量模块：在图像分割后的基础上，将图像转成黑白二值图像并置白后，再对图像中裂缝部分标一记描述，最后描述属性选择裂缝外切椭圆的长轴长度，这是与目标物具有相同二阶中心矩的椭圆的长轴，由于裂缝边缘是不规则的，进行累加计算后结果可以近似地认为等于长轴；
裂缝密度计算模块：对已经标记的结构物裂缝二值图像的像素个数进行计算，得到的数值与结构物全部观测区域图像的像素个数求商，得到的比值即为观测区域裂缝像素数所占比例，也就是本研究提出的裂缝密度；
F、电测数据处理分析：
将动态应变仪中获取的随时间变化的应变值收集存储在Excel中，将数据过滤去噪后，根据试件加载时的受力分析得出测点处的真实应力计算公式
计算出相应测点处的应力值；
式中：h为试件顶部未粘结钢块时试件的高度；a0为试件预制缝长；a为夹式引伸仪固定位置距离试件顶部的距离；s为计算点位置距离预制裂缝的距离，是变量；t为试件厚度；σs为试件第一主应力；σN为轴力产生的正应力；σM为弯矩产生的正应力；N为试验机产生的轴力；M为试验机产生的弯矩。
2.根据权利要求1所述的一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法，其特征在于，所述试件根据测试材料制作有至少一组；一组里包括多个相同的试件，且对每组里多个试件在24小时内进行试验处理分析。
3.根据权利要求1或2所述的一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法，其特征在于，步骤(1)所述试件的尺寸为300mm×300mm×200mm；所述裂缝的缝宽为3mm±1mm；缝长为150mm±2mm；所述钢块的厚度为30mm±1mm，宽度为75mm±1mm。
4.根据权利要求1所述的一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法，其特征在于，所述粘结钢块包括对所述试件粘贴面进行打磨的步骤，且所述钢块通过环氧类结构胶与所述试件粘贴固定。
5.根据权利要求1所述的一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法，其特征在于，步骤(1)所述制作原级混凝土试件包括以下步骤：
A、将原级配混凝土拌合物浇筑在提前做好的试模内，对其进行振捣、成型；
B、拆模、编号、养护，直至规定的试验龄期。
6.根据权利要求1所述的一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法，其特征在于，所述高精度CCD相机包括百万像素镜头。
7.根据权利要求1所述的一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法，其特征在于，步骤(5)所述的图像采集过程中还包括利用高亮LED直流光源进行补光的过程。
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