DIC技术在混凝土结构开裂监测的应用
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摘要： 混凝土结构已经被广泛应用于各项工程，然而在建筑结构的施工和使用过程中，混凝土结构不可避免会产生裂缝，影响其使用性和耐久性。混凝土结构的裂缝监测作为判别结构性能和承载力变化的一种重要技术手段不仅为工程施工指导提供有效的数据，还为混凝土结构安全使用提供可靠的判别依据。文章利用dic（数字图像相关技术）监测混凝土梁的裂缝发展过程，证明了DIC技术用于混凝土结构裂缝监测的可行性，并且DIC技术能有效的检测出混凝土损伤区域位置、面积和发展趋势，为建筑结构的安全评估提供一种新的思路。
Abstract： Concrete structure has been widely used in various engineering. However， during the construction and use of the building structure， the concrete structure will inevitably produce cracks， which will affect the use and durability of the concrete structure. As an important mean of distinguishing structure performance and load bearing capacity， crack monitoring of the concrete structure not only provides effective data for engineering construction guidance， but also provides a reliable basis for the safety criterion of concrete structures. In this paper， DIC （digital image correlation technology） is used to monitor the crack development of concrete beam， and the feasibility of DIC technology used in the crack monitoring of concrete structure is proved. And DIC technology can effectively detect the location， area and development trend of concrete damage， and provide a new way of the safety evaluation of building structure.
关键词： 数字图像相关；裂缝；混凝土；监测
Key words： digital image correlation；cracking；concrete；monitoring
中图分类号：U285.5+33 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）32-0134-03
0 引言
随着混凝土结构的兴建，混凝土结构安全已经成为人们关注的焦点。在工程建设和运营使用过程中，施工浇筑、高温受热、结构受力等因素都会使混凝土结构出现开裂现象，这些裂缝不但会影响结构的美观，甚至影响着混凝土结构的安全，尤其是大型的混凝土建筑结构，它们的存在一直威胁着构筑物的防水性、承载能力和使用寿命[1]。结构开裂是结构受损发生的表观现象，裂缝从人眼难辨的微缝开始，逐渐发展并引起构件损伤、变形、失稳，最后导致工程坍塌，因此结构裂缝有效的监测成为结构安全不可缺少的技术手段[2]。
目前混凝土裂缝检测有如下方法：人工观测方法、超声波检测方法、传感器检测方法等[3-5]。虽然这些方法能够获取结构裂缝的信息，但是需要耗费大量的人力物力，且限制于地形位置等外在因素形象，对于火灾、爆裂产生的微裂缝更是难已捕捉。利用微观或者宏观断裂力学的方法对损伤的混凝土结构进行力学分析和安全评估，需要对混凝土结构处在各种阶段的裂纹信息进行准确的描述，然后建立力学分析模型，然而传统的裂纹采集工作量大、采集的信息较为粗糙，所以需要一种高效、便利、快速和全局性的方法。数字图像相关技术（Digital Image Correlation，DIC）是近年来发展起来的光学测量技术，该方法是利用光学测量和数字图像处理方法对工程力学参数（如位移、变形、应力、应变和速度等）进行高精度测量技术，因为具有非接触、光路简单、全局测量等优点，该方法已越来越多地用于新形材料的研究和工程现场的检测中[6-8]。本文利用DIC技术，分析了混凝土梁受力开裂过程，得到损伤区域和裂缝分布情况和裂缝开口变化规律，证明了数字图像相关技术用于混凝土安全监测的可行性，为结构安全评价提供新的测量方法。
1 DIC方法原理
数字图像相关方法（Digital Image Correlation，DIC）又称为数字散斑方法（Digital Speckle Correlation Method， DSCM），通过对变形前后物体表面的两幅散斑图像进行相关处理，从而获得物体面内变形信息。目标图像子区相对于参考图像子区的中心位置发生平移，且其形状也产生变化。采用与图像灰度有关的相关系数C[9-10]分析此区域的变形与位移，参考图像子区中的某点O（x，y）与目标图像子区中对应点Q′有唯一对应的函数关系，从而，提取得到位置坐标O′（x′，y′）和参考点的位移分量（u，v）。
式中：f（x，y）为参考图像中点的灰度值，f*为参考图像子区域的平均灰度值，g（x，y）为目标图像中的灰度值，g*为目标图像子区域的平均灰度值。相关系数C取值越高，参考图像与目标图像的子区域相关性越强，当C=1时，子区域完全相关，当C=0时，认为子区域不相关。