CN108717063A - 一种混凝土损伤定量测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混凝土损伤定量测量方法，该方法能够根据相机像素、镜头焦距等相关实验参数信息，获取建议散斑点尺寸变化范围，对分析区域进行全场变形信息的计算，计算出全场损伤因子信息，获得全场损伤因子的分布云图，根据云图进而能够判定被测物体分析区域内所有位置处的损伤情况，进而评定混凝土结构工作稳定性。

Description

一种混凝土损伤定量测量方法
技术领域
本发明属于数字图像处理技术领域，特别涉及一种混凝土损伤定量测量方 法。
背景技术
混凝土在工业与民用建筑、路桥、大坝等实际工程中应用较为广泛，是土 木工程领域用量最大的材料，极大推动了现代化城市的建设进程。如何根据混 凝土材料自身的破坏特征，对混凝土结构工作稳定性作出准确合理评价，并及 时进行修复与加固，保证结构处于正常工作状态，保护人民生命财产不受损失， 具有十分重要的现实意义。
传统的强度破坏准则认为：当混凝土材料达到其极限抗拉或者抗压强度时 才会产生破坏，而混凝土作为一种多相复合材料，处于养护期间时受人工振捣 以及周围养护环境的影响，内部已经存在许多初始微裂纹缺陷。在正常受力状 态下，未达到其极限拉应变或者压应变时，混凝土内部以及外表面微裂纹会逐 渐扩展贯穿。对于混凝土材料由存在初始微裂纹缺陷到裂缝逐渐扩展贯穿直至 最终破坏的过程，传统的强度破坏准则已不再适用，而通过断裂与损伤理论相 结合的方式，可将混凝土材料的这种损伤断裂演化过程进行完整描述。
李庆斌等(李庆斌,张楚汉.混凝土I型裂缝动静力损伤断裂分析[J].土木 工程学报,1993,12(6):20-27.)首次提出了将损伤与断裂理论进行耦合分析，用 于判定混凝土工作稳定性，但该研究只是针对无限大板进行展开，无法应用到 实际工程领域中。董伟等(Dong W,Yang D,Zhou X,et al.Experimental and numerical investigations onfracture process zone of rock–concrete interface[J]. Fatigue&Fracture ofEngineering Materials&Structures,2016,40.)通过开展混凝 土三点弯曲梁断裂试验，同时结合数字图像方法，对不同混凝土试件的断裂过 程区特性进行了研究，但该研究只是从强度准则方面来进行开展，以混凝土材 料的极限拉应变作为判定产生损伤的标准，并未考虑混凝土在极限拉应变前产 生的损伤，因此并不能准确描述混凝土材料的真实变形情况。
因此有必要提出一种混凝土损伤定量测量方法，通过获取全场损伤因子信 息，进而评定混凝土结构工作稳定性，为混凝土工程结构修复与加固提供指导。
发明内容
本发明旨在结合混凝土损伤与断裂理论，提出一种混凝土损伤定量测量方 法，该方法能够结合混凝土材料自身的破坏特性进行损伤评定，相比以往采用 的强度准则，能比较准确的表征混凝土材料的真实破坏情况，为实际混凝土结 构工作稳定性评价提供新思路。
本发明采用以下技术方案予以实现：
一种混凝土损伤定量测量方法，该方法包括以下步骤：
第一步：根据被测物体面积、相机像素大小设定散斑点尺寸信息，然后在 被测物体表面喷洒散斑点，完成散斑点制作；
第二步：安装装置；将两部平行线光源固定于固定支座上，根据周围环境 光线明暗程度手动调节光照强度；将采集相机固定于三角支架上，同时采集相 机通过导线与图像后处理模块相连，安装好所用装置；
第三步：开动试验机，对被测物体进行加载实验，按照预先设定的采集帧 率进行图像采集；
第四步：根据试验机输出的实验结果曲线信息，均匀选取不同曲线段对应 的图像，然后将挑选出的图像导入图像后处理模块；
第五步：通过图像后处理模块对导入的图像进行图像处理分析，获取分析 区域内所有计算点的全场应变信息，即各个坐标轴上的主应变信息，在二维应 力状态下还包括xy平面的剪应变；
第六步：根据第五步计算出的全场应变信息，利用式(4)获取全场损伤因 子信息，得到全场损伤因子的分布云图，
其中，εs为被测物体混凝土材料的真实应变，根据主应变信息及xy平面的 剪应变计算得到；为混凝土在静力作用下的损伤阈值应变，由试验测定；n、 k为材料参数；
根据全场损伤因子的分布云图中的全场损伤因子Ds的数值大小判定被测 物体的损伤程度，全场损伤因子Ds的数值大小限定在0和1之间，其中0表示 混凝土无损伤产生，1表示混凝土完全处于损伤状态，0～1之间的数字分别表示 不同的损伤程度，实现混凝土损伤程度的定量测量。
一种混凝土损伤定量测量装置，其特征在于该装置包括用于加载被测物体 的试验机、光源、采集相机和用于对采集到的图像数据进行处理分析的图像后 处理模块；所述光源采用两部平行线光源，光源的两端垂直设置固定支架，固 定支架固定在固定支座上，在固定支架朝向光源的内侧上从上至下设有若干数 量的卡扣，光源通过卡扣能固定在固定支架的任意位置上；所述采集相机固定 于三角支架上；所述采集相机通过导线与图像后处理模块相连；所述图像后处 理模块加载在计算机中。
与现有方法相比，本发明的有益效果是：
本发明混凝土损伤定量测量方法能够根据相机像素、镜头焦距等相关实验 参数信息，获取建议散斑点尺寸变化范围，对分析区域进行全场变形信息的计 算，根据式(4)计算出全场损伤因子信息，获得全场损伤因子的分布云图，根 据云图进而能够判定被测物体分析区域内所有位置处的损伤情况，进而评定混 凝土结构工作稳定性，该方法能够在科学研究与实际工程领域中得到广泛应用， 而且适用性强。
附图说明
图1为本发明混凝土损伤定量测量方法所用装置平面示意图；
图2为本发明混凝土损伤定量测量方法所用装置立面示意图；
图3为混凝土材料的应力-应变本构关系曲线图；
图4(a)为本发明一种实施例所用装置的实物图；
图4(b)为实施例1中楔入劈拉试件的结构示意图；
图4(c)为实施例1所计算出被测物体全场水平应变的云图；
图4(d)为实施例1所计算出被测物体全场损伤因子的分布云图；
图中，散斑1，被测物体2，光源3，采集相机4，图像后处理模块5，散斑制 作子窗口6，图像采集实时显示窗口7，图像分析窗口8，全场损伤因子计算窗 口9，导线10，三角支架11，隔震垫12，固定支座13，固定支架14，卡扣15。
具体实施方式
以上内容仅为本发明的概述，为了使本发明的目的、技术方案更加清晰明 了，以下结合附图，对本发明做进一步详细介绍。本发明的具体实施方式不限 于此，任何本领域的普通技术人员在没有实质性创新前提下所做出的同等修改 与完善，均应属于本发明保护的范围。
本发明一种混凝土损伤定量测量方法(简称方法)，该方法包括以下步骤：
第一步：根据被测物体面积、相机像素大小设定散斑点尺寸信息，然后在 被测物体表面喷洒散斑点，完成散斑点制作；
第二步：安装装置；将两部平行线光源固定于固定支座13上，根据周围环 境光线明暗程度手动调节光照强度；将采集相机4固定于三角支架11上，同时 采集相机4通过导线10与图像后处理模块5相连，安装好所用装置；
第三步：开动试验机，对被测物体进行加载实验，按照预先设定的采集帧 率进行图像采集；
第四步：根据试验机输出的实验结果曲线信息，均匀选取不同曲线段对应 的图像，然后将挑选出的图像导入图像后处理模块5；
第五步：通过图像后处理模块对导入的图像进行图像处理分析，获取分析 区域内所有计算点的全场应变信息，即各个坐标轴上的主应变信息，在二维应 力状态下还包括xy平面的剪应变；
第六步：根据第五步计算出的全场应变信息，利用式(4)获取全场损伤因 子信息，得到全场损伤因子的分布云图，
其中，εs为被测物体混凝土材料的真实应变，根据主应变信息及xy平面的 剪应变计算得到；为混凝土在静力作用下的损伤阈值应变，由试验测定；n、 k为材料参数；
根据全场损伤因子的分布云图中的全场损伤因子Ds的数值大小判定被测 物体的损伤程度，全场损伤因子Ds的数值大小限定在0和1之间，其中0表示 混凝土无损伤产生，1表示混凝土完全处于损伤状态，0～1之间的数字分别表示 不同的损伤程度，实现混凝土损伤程度的定量测量。
所述图像后处理模块能够根据目前已有的数字图像处理技术计算得到的全 场应变信息，根据公式(4)获取全场损伤因子信息。全场损伤因子信息计算完 成后，便可以根据全场损伤因子的数值判定混凝土结构工作稳定性。
关于散斑制作：在使用采集相机采集数字图像进行图像处理分析时需要在 被测物体表面喷洒散斑点，散斑点质量对最终的图像处理结果(全场应变信息) 有很大影响。因此要根据被测物体面积、相机像素大小、镜头焦距等相关实验 参数信息，定出一个最优的散斑点尺寸信息。
本发明一种混凝土损伤定量测量装置(参见图1-2)包括用于加载被测物 体的试验机、光源3、采集相机4和用于对采集到的图像数据进行处理分析的 图像后处理模块5；所述光源3采用两部平行线光源，光源的两端垂直设置固 定支架14，固定支架14固定在固定支座13上，在固定支架朝向光源的内侧上 从上至下设有若干数量的卡扣15，光源通过卡扣15能固定在固定支架的任意 位置上，便于手动调节两部线光源之间的距离，以达到最佳的补光效果，光照 强度可根据周围环境光线明暗程度手动进行调节；所述采集相机4固定于三角 支架11上，三角支架底部设有隔震垫，用于消除地面震动对相机造成的干扰； 所述采集相机4通过导线10与图像后处理模块5相连，用于实时传输图像数据； 所述图像后处理模块5加载在计算机中，图像后处理模块的工作界面包括散斑 制作子窗口6、图像采集实时显示窗口7、图像分析窗口8和全场损伤因子计算 窗口9；
所述散斑制作子窗口6用来接收输入的相机像素、镜头焦距、图像拍摄区 域面积等试验参数信息给出建议散斑点尺寸变化范围，进而指导人工在被测物 体2表面进行散斑区域1的绘制。
所述图像采集实时显示窗口7用于实时显示采集相机4采集到的图像信息， 且可根据试验需要手动调节图像采集帧率。
所述图像分析窗口8可以接收图像采集实时显示窗口7传输的图像数据信 息，用于选择分析图像，设定图像分析区域以及参数，并可根据需要查看相关 全场应变信息。
所述全场损伤因子信息窗口9，可以接收图像分析窗口8传输的全场应变 信息数据，进而计算得到全场损伤因子信息，用于评定混凝土结构工作稳定性。
本申请方法适用于能够在实验室内开展试验或者能在实际工程中投入使用 的混凝土试件的损伤测量，无论是梁、板、柱，均可称之为有限尺寸混凝土。
所述全场损伤因子的理论推导公式如下：
图3为混凝土材料的应力-应变本构关系曲线，曲线分为两部分，其中OD 部分为弹性变形阶段，DAB部分为塑性变形阶段。
设εs为混凝土材料的真实应变，与混凝土材料的真实应变εs相对应的弾性 应力为σ，与混凝土材料的真实应变εs相对应的真实应力为σS。对于混凝土类 准脆性材料，若不考虑非线性变形的影响，则应力状态为弹性应力状态σ，如 图中直线OC所示。但实际受力状态下，由于损伤的存在，材料的应力状态跌 落至损伤应力状态σS，如图3中的曲线DAB所示，按照公式(1)计算静力状 态下的全场损伤因子Ds的表达式可以定义为：
根据虎克定律，弹性应力通过公式(2)计算得到：
σ＝Eεs (2)
式中，E为混凝土的弹性模量，可由实验测得。
联立式(1)～(2)，可得
损伤因子在实际求解过程中，根据图3所示的混凝土材料的本构关系曲线， 设 为混凝土在静力作用下的峰值应变，为与峰值应变相对应的峰 值应力，则全场损伤因子DS用公式(4)表示，
其中将式(4)中简写为<x>这种形式，x指代的是且有
n、k为材料参数，利用式(5)进行计算：
式(5)中，均可由试验测定，
其中ε1、ε2、ε3为3个坐标轴方向上的主应变，可由图像 后处理模块计算得到。在二维平面应力状态下，有或其中εx、εy分别为x方向和y方向的主应变，γxy为xy 平面的剪应变，εx、εy、γxy均可由图像后处理模块计算得到。
本发明中所述采集相机4应根据试验需要选用静态采集相机或者高速采集 相机，精准捕捉混凝土材料开裂过程。若材料由开始受力到最终破坏的过程比 较突然，则选用高速相机能够精准捕捉到开裂瞬间，若破坏过程比较缓慢，则 采用静态采集相机即可满足要求。
实施例1
本实施例的实验在河北省土木工程技术研究中心开展，试验对象为混凝土 楔入劈拉试件，试验目的是为了获取楔入劈拉试件在加载过程中沿裂缝扩展方 向的全场损伤因子信息。
图4(a)为本实施例测量方法所用装置的实物图，其中I为电液伺服压力 试验机，用于提供试验所需压力，使楔入劈拉试件III产生劈裂破坏，II为采集 相机，用于对试验全过程进行拍摄。图4(b)为混凝土楔入劈拉试件，该试件 在制作时沿中间靠上部位开有一条预制裂缝，试件表面预先用哑光黑、哑光白 自动手喷漆制作人工随机散斑，图像分析区域已在图4(b)中标示出。
本实验中裂缝扩展类型在断裂力学中属于第一种，因此沿水平方向主应变 信息εx为主要研究的对象，y方向的主应变信息εy和剪应变γxy可忽略不计。 图4(c)为图像后处理模块计算出的分析区域内所有计算点的全场水平应变εx云图，将该云图数据代入公式(4)即可求得全场损伤因子信息，图4(d)给 出了全场损伤因子示意图，可根据全场损伤因子云图判定混凝土结构表面不同 位置的破坏程度。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种混凝土损伤定量测量方法，该方法包括以下步骤：
第一步：根据被测物体面积、相机像素大小设定散斑点尺寸信息，然后在被测物体表面喷洒散斑点，完成散斑点制作；
第二步：安装装置；将两部平行线光源固定于固定支座上，根据周围环境光线明暗程度手动调节光照强度；将采集相机固定于三角支架上，同时采集相机通过导线与图像后处理模块相连，安装好所用装置；
第三步：开动试验机，对被测物体进行加载实验，按照预先设定的采集帧率进行图像采集；
第四步：根据试验机输出的实验结果曲线信息，均匀选取不同曲线段对应的图像，然后将挑选出的图像导入图像后处理模块；
第五步：通过图像后处理模块对导入的图像进行图像处理分析，获取分析区域内所有计算点的全场应变信息，即各个坐标轴上的主应变信息，在二维应力状态下还包括xy平面的剪应变；
第六步：根据第五步计算出的全场应变信息，利用式(4)获取全场损伤因子信息，得到全场损伤因子的分布云图，
其中，εs为被测物体混凝土材料的真实应变，根据主应变信息及xy平面的剪应变计算得到；为混凝土在静力作用下的损伤阈值应变，由试验测定；n、k为材料参数；
根据全场损伤因子的分布云图中的全场损伤因子Ds的数值大小判定被测物体的损伤程度，全场损伤因子Ds的数值大小限定在0和1之间，其中0表示混凝土无损伤产生，1表示混凝土完全处于损伤状态，0～1之间的数字分别表示不同的损伤程度，实现混凝土损伤程度的定量测量。
2.根据权利要求1所述的混凝土损伤定量测量方法，其特征在于，所述图像后处理模块的工作界面包括散斑制作子窗口、图像采集实时显示窗口、图像分析窗口和全场损伤因子计算窗口。
3.一种混凝土损伤定量测量装置，其特征在于该装置包括用于加载被测物体的试验机、光源、采集相机和用于对采集到的图像数据进行处理分析的图像后处理模块；所述光源采用两部平行线光源，光源的两端垂直设置固定支架，固定支架固定在固定支座上，在固定支架朝向光源的内侧上从上至下设有若干数量的卡扣，光源通过卡扣能固定在固定支架的任意位置上；所述采集相机固定于三角支架上；所述采集相机通过导线与图像后处理模块相连；所述图像后处理模块加载在计算机中。
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