CN109063250A - 一种混凝土裂缝扩展方向的分析与预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于混凝土数据分析技术领域，涉及一种混凝土单条裂缝扩展平均取向的统计分析预测方法，先选取既有混凝土结构或构件待测裂缝的结点，再近似描绘既有混凝土结构或构件表面裂缝，然后对所描绘裂缝区段的夹角大小进行计算，最后分析所得夹角数据；其方法简单，操作方便，原理科学可靠，综合利用了图片及数据处理软件的图片分析、数值计算、统计等程序，能够简单明确的表现混凝土裂缝扩展方向，过程简单明了，结果数据准确性高。

Description

一种混凝土裂缝扩展方向的分析与预测方法
技术领域：
本发明属于混凝土数据分析技术领域，涉及一种基于混凝土自身材料特性及二维平面数 值理论的混凝土裂缝扩展方向的分析与预测方法，特别是一种混凝土单条裂缝扩展平均取向 的统计分析预测方法。
背景技术：
目前，混凝土结构或构件已被广泛应用于现代生产生活中，是绝大部分建筑、构筑物必 不可少的组成部分，混凝土结构或构件在其自身材料的物理力学特性及所处工作环境差异等 因素的影响下会产生诸多不同形式不同规格的裂缝，不同类型的裂缝产生的原因不同，在荷 载、温度，湿度等不同条件下其扩展形式也有所不同，对结构安全性和耐久性的影响也存在 诸多差异。在混凝土结构或构件中，裂缝的出现会对结构或构件的承载能力，抗性等方面造 成一定的损害，钢筋混凝土结构分析和设计中就是考虑混凝土在受拉区可带裂缝工作，因而 受拉区出现的裂缝不会直接影响构件的承载能力，然而这些裂缝给腐蚀物质形成了通道，会 降低构件的抗腐蚀能力，预应力混凝土结构中，当受重复荷载作用时，所出现的裂缝会导致 结构的疲劳破坏，诸如此类的分析示例都说明了裂缝的产生及其扩展对混凝土结构或构件所 带来的影响不容忽视。因此，迫切需要设计一种混凝土裂缝扩展方向的分析与预测方法。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种既有混凝土结构或构件 表面裂缝扩展方向的分析与预测方法，对混凝土结构或构件裂缝区段内部真实的受荷、损伤、 变形等关系进行分析研究，对于拟建工程，该方法也可对相似的拟建混凝土结构或构件中的 部分裂缝及其扩展方向起到模拟及预测过程的作用，同时也可以对拟建工程中混凝土构件裂 缝开展的防治工作起到积极的指导作用。
为了实现上述目的，本发明实现混凝土裂缝扩展方向分析与预测的过程包括以下步骤：
(1)选取既有混凝土结构或构件待测裂缝的结点：利用相机等拍照取样设备、图片处 理程序(例如：photoshop等)和数据处理软件(例如：Matlab,Origin等)中数据存储程序配合使用实现现场裂缝图片的取样收集，具体过程为：
(1a)在实地现场选取待测的单条裂缝，并利用相机等取样设备进行现场裂缝图片的取 样收集，在实地现场裂缝取样时，应选取具有明显起裂端与裂缝终止端之间的全部裂缝区段， 以保证其完整性，若裂缝较长则可选取其具有明显方向变化的裂缝区段；
(1b)将所取裂缝图片导入相应的图片处理程序，即应用图片放缩程序将其放大或缩小 到适宜观察和方便选取结点的比例，再应用图片坐标处理程序对此裂缝照片进行坐标限定， 将此裂缝照片置于平面直角坐标系中，并得出裂缝上各个点所对应的坐标数值；
(1c)选取照片上裂缝区段中具有代表性的点作为计算结点，将所选取的各个计算结点 坐标数值进行记录，并输入到数据处理软件中的数据存储程序中，以便以后计算绘图；
(2)近似描绘既有混凝土结构或构件表面裂缝：应用数据处理软件中图线绘制程序将 步骤(1)存储的计算结点中相邻结点逐次连接，即每相邻两结点用直线连接，以各个小的 折线区段来近似代替原裂缝区段，用于步骤(3)中判断其各个裂缝区段与X坐标轴所成的 夹角；
(3)对所描绘裂缝区段的夹角大小进行计算：采用数据处理软件对步骤(2)中所得到 的计算结点坐标值进行运算处理，得到所描绘裂缝区段的夹角α0～αn；例如结点(Xi，Yi)与结 点(Xi+1，Yi+1)区段间的夹角运算，以步骤(2)中两结点间的连线作为斜边构造直角边分别 平行于X和Y轴的下三角形，由Yi+1与Yi的数值差a以及Xi+1与Xi的数值差b以及公式可得以此，经数据计算处理后，依次得出 编号从小到大的各个区段中区段两端点间的线段与X轴的水平夹角的大小，夹角的大小反 映裂缝在各个区段内以水平或铅锤线为基准的扩展方向；
(4)分析所得夹角数据：利用数据处理软件中的制表程序将步骤(3)中所得的角度值 α0～αn与各个角度所对应的区段同时列出并一一对应得到表格数据，然后利用数据处理软件 中的图表制作程序将所得到的表格数据进行统计分析并制成折线图。
本发明步骤(1b)中对于图片放缩比例，其受取样位置、裂缝实际长度、观测人员情况 等因素的影响较大，图片过小可能会使得取点工作人员忽略某些具有代表性的结点，因此， 图片缩小的限制尺度应为：保证代表性结点均能清晰的在图片上得以展现；图片放大的限制 尺度应为：应直观体现整条裂缝自起裂端直至末端的扩展趋势，不能“以偏概全”以局部趋 向来取代所取单条裂缝的整体扩展方向，于上述放缩区间内进行调整、选取结点位置和数量， 则放缩比例不同对裂缝于各个区段所体现出的走向问题的影响会大大降低。
本发明步骤(1c)中所述具有代表性的点，即为所取裂缝图片于确定的坐标系中的较为 明显的极值点、拐点以及弯曲区段的中点等为计算结点，记为(Xi，Yi)(i＝0…n),如若某一 区段中沿某一方向近似为线性的变化趋势则只需取此区段的两个端点即可；为提高精度可增 设各个相邻节点的中点(Xj，Yj)，即结点横坐标总数为Xi或Xi+Xj；也可选取更多的点作为结 点并按结点的接连顺序编号，提高计算精度；以相邻节点间的范围定义为区段即n+1个节 点将待测裂缝划分为n个区段。
本发明与现有技术相比，其方法简单，操作方便，原理科学可靠，综合利用了图片及数 据处理软件的图片分析、数值计算、统计等程序，能够简单明确的表现混凝土裂缝扩展方向， 过程简单明了，结果数据准确性高。
附图说明：
图1是本发明中的方法流程框图。
图2是本发明所述步骤(1)的方法流程图。
图3是本发明所述步骤(c)中所取结点的示意图。
图4是本发明中混凝土于晶体层面上的破坏断裂形式，其中(a)为沿晶破坏，(b)为穿晶破坏，(c)为沿晶和穿晶共同作用。
图5是本发明中各区段三角形计算单元的示意图。
图6是本发明中最终区段角度方向的统计折线图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
本实施例实现混凝土裂缝扩展方向分析与预测的过程包括以下步骤：
(1)选取既有混凝土结构或构件待测裂缝的结点：利用相机等拍照取样设备、图片处 理程序(例如：photoshop等)和数据处理软件(例如：Matlab,Origin等)中数据存储程序配合使用实现现场裂缝图片的取样收集，具体过程为：
(1a)在实地现场选取待测的单条裂缝，并利用相机等取样设备进行现场裂缝图片的取 样收集，在实地现场裂缝取样时，应选取具有明显起裂端与裂缝终止端之间的全部裂缝区段， 以保证其完整性，若裂缝较长则可选取其具有明显方向变化的裂缝区段；
(1b)将所取裂缝图片导入相应的图片处理程序，即应用图片放缩程序将其放大或缩小 到适宜观察和方便选取结点的比例，再应用图片坐标处理程序对此裂缝照片进行坐标限定， 将此裂缝照片置于平面直角坐标系中，并得出裂缝上各个点所对应的坐标数值；
(1c)选取照片上裂缝区段中具有代表性的点作为计算结点，将所选取的各个计算结点 坐标数值进行记录，并输入到数据处理软件中的数据存储程序中，以便以后计算绘图；
(2)近似描绘既有混凝土结构或构件表面裂缝：，应用数据处理软件中图线绘制程序将 步骤(1)存储的计算结点中相邻结点逐次连接，即每相邻两结点用直线连接，以各个小的 折线区段来近似代替原裂缝区段，用于步骤(3)中判断其各个裂缝区段与X坐标轴所成的 夹角；
(3)对所描绘裂缝区段的夹角大小进行计算：采用数据处理软件对步骤(2)中所得到 的计算结点坐标值进行运算处理，得到所描绘裂缝区段的夹角α0～αn；例如结点(Xi，Yi)与结 点(Xi+1，Yi+1)区段间的夹角运算，以步骤(2)中两结点间的连线作为斜边构造直角边分别 平行于X和Y轴的下三角形如图5所示，由Yi+1与Yi的数值差a以及Xi+1与Xi的数值差b以及 公式可得以此，经数据计算处理后，依次 得出编号从小到大的各个区段中区段两端点间的线段与X轴的水平夹角的大小，夹角的大 小反映裂缝在各个区段内以水平或铅锤线为基准的扩展方向；
(4)分析所得夹角数据：利用数据处理软件中的制表程序将步骤(3)中所得的角度值 α0～αn与各个角度所对应的区段同时列出并一一对应，如表1所示：
表1：
然后利用数据处理软件中的图表制作程序将所得到的表格数据进行统计分析并制成折 线图。
本实施例步骤(1b)中对于图片放缩比例，其受取样位置、裂缝实际长度、观测人员情 况等因素的影响较大，图片过小可能会使得取点工作人员忽略某些具有代表性的结点，因此， 图片缩小的限制尺度应为：保证代表性结点(下段进行详细介绍说明)均能清晰的在图片上 得以展现。图片放大的限制尺度应为：应直观体现整条裂缝自起裂端直至末端的扩展趋势， 不能“以偏概全”以局部趋向来取代所取单条裂缝的整体扩展方向。于上述放缩区间内进行 调整、选取结点位置和数量，则放缩比例不同对裂缝于各个区段所体现出的走向问题的影响 会大大降低。
本实施例步骤(1c)中所述具有代表性的点，即为所取裂缝图片于确定的坐标系中的较 为明显的极值点、拐点以及弯曲区段的中点等为计算结点，记为(Xi，Yi)(i＝0…n),如图3 所示，如若某一区段中沿某一方向近似为线性的变化趋势则只需取此区段的两个端点即可； 为提高精度可增设各个相邻节点的中点(Xj，Yj)，即结点横坐标总数为Xi或Xi+Xj；也可选取 更多的点作为结点并按结点的接连顺序编号，提高计算精度；以相邻节点间的范围定义为区 段即n+1个节点将待测裂缝划分为n个区段。
本实施例步骤(2)中结点间连接方式的理论依据为：混凝土等类岩石脆性材料是粗晶 粒结构，实际情况下，由于混凝土中含有水泥、粗细骨料，砂等物质，使得混凝土内部于凝 结硬化后体现出较为明显的非均质性，于此基础上进行均匀性假定计算所得到的结果与实际 情况的偏差较大；混凝土结构或构件开裂后，其表面的裂缝扩展方向的统计方法，构件表面 于晶体层次上可视其近似满足晶粒的均匀性，连续性假定；在材料晶体层次上，混凝土结构 或构件的破坏形式可分为沿晶、穿晶，沿晶穿晶共同作用三种情况,如图4所示；在分形几 何的理论基础之上，裂缝扩展于一定范围内满足一定程度上的自相似性，即晶体断裂破坏路 径并非为直线，本实施例以相邻两点间连线的方向来近似代替实际情况下这两点间众多晶粒 破坏断裂的平均路径方向，经统计汇总后可较为准确的分析出所测裂缝实际的扩展方向。
本实施例能统计出所取裂缝较为准确的扩展方向，通过所取各个裂缝区段之间裂缝扩展 方向变化的相对繁杂程度及变化频次大小等结果，可以准确的判断出所取裂缝于不同区段内 或不同裂缝间扩展方向的变化情况，以此可以较为准确的推断出所取裂缝所在的实体混凝土 结构或构件于不同区段的相对损伤变形的状况，方便对结构构件进行更具准确性的损伤评 价，从而可近似得出其相对的受荷状况，进而对于已有的混凝土建筑可得到与定性力学计算 相呼应的定量分析结果，对拟建的混凝土结构或构件的开裂可起到模拟、预防指导的作用。

Claims (3)

1.一种混凝土裂缝扩展方向的分析与预测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)选取既有混凝土结构或构件待测裂缝的结点：利用相机等拍照取样设备、图片处理程序和数据处理软件中数据存储程序配合使用实现现场裂缝图片的取样收集，具体过程为：
(1a)在实地现场选取待测的单条裂缝，并利用相机等取样设备进行现场裂缝图片的取样收集，在实地现场裂缝取样时，应选取具有明显起裂端与裂缝终止端之间的全部裂缝区段，以保证其完整性，若裂缝较长则可选取其具有明显方向变化的裂缝区段；
(1b)将所取裂缝图片导入相应的图片处理程序，即应用图片放缩程序将其放大或缩小到适宜观察和方便选取结点的比例，再应用图片坐标处理程序对此裂缝照片进行坐标限定，将此裂缝照片置于平面直角坐标系中，并得出裂缝上各个点所对应的坐标数值；
(1c)选取照片上裂缝区段中具有代表性的点作为计算结点，将所选取的各个计算结点坐标数值进行记录，并输入到数据处理软件中的数据存储程序中，以便以后计算绘图；
(2)近似描绘既有混凝土结构或构件表面裂缝：应用数据处理软件中图线绘制程序将步骤(1)存储的计算结点中相邻结点逐次连接，即每相邻两结点用直线连接，以各个小的折线区段来近似代替原裂缝区段，用于步骤(3)中判断其各个裂缝区段与X坐标轴所成的夹角；
(3)对所描绘裂缝区段的夹角大小进行计算：采用数据处理软件对步骤(2)中所得到的计算结点坐标值进行运算处理，得到所描绘裂缝区段的夹角α0～αn，夹角的大小反映裂缝在各个区段内以水平或铅锤线为基准的扩展方向；
(4)分析所得夹角数据：利用数据处理软件中的制表程序将步骤(3)中所得的角度值α0～αn与各个角度所对应的区段同时列出并一一对应得到表格数据，然后利用数据处理软件中的图表制作程序将所得到的表格数据进行统计分析并制成折线图。
2.根据权利要求1所述混凝土裂缝扩展方向的分析与预测方法，其特征在于步骤(1b)中对于图片放缩比例，图片缩小的限制尺度为：保证具有代表性的点均能清晰的在图片上得以展现；图片放大的限制尺度为：能直观体现整条裂缝自起裂端直至末端的扩展趋势，不能“以偏概全”以局部趋向来取代所取单条裂缝的整体扩展方向。
3.根据权利要求1所述混凝土裂缝扩展方向的分析与预测方法，其特征在于步骤(1c)中所述具有代表性的点，即为所取裂缝图片于确定的坐标系中的较为明显的极值点、拐点以及弯曲区段的中点等为计算结点，记为(Xi，Yi)(i＝0…n),如若某一区段中沿某一方向近似为线性的变化趋势则只需取此区段的两个端点即可；为提高精度可增设各个相邻节点的中点(Xj，Yj)，即结点横坐标总数为Xi或Xi+Xj；也可选取更多的点作为结点并按结点的接连顺序编号，提高计算精度；以相邻节点间的范围定义为区段即n+1个节点将待测裂缝划分为n个区段。
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