混凝土楔入劈拉破坏的数字图像相关方法研究

通过无损检测的光学测量方法——数字图像相关方法(DIC),对楔入劈拉试验过程中的混凝土进行了表面应变变化过程的测量。采用高分辨率摄像机进行试件表面图像的采集,通过数字图像相关方法对图片进行后处理,计算出试件表面每一点的应变量。通过对应变云图的分析,研究了混凝土在楔入劈拉试验过程中的裂纹扩展。结果表明,混凝土微裂纹往往出现在砂浆和骨料的边界处,并由此发展,此方法可以预判混凝土试件的破坏位置,可以用于结构监测和检测。     

超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁抗剪性能

为研究超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁的抗剪性能,采用不同厚度的超高性能混凝土对梁侧面进行加固,并对其进行单点静载试验。观察梁的破坏过程和破坏模式,并根据梁的荷载-应变曲线,分析超高性能混凝土加固层对钢筋混凝土梁承载力和刚度的影响;同时,采用数字图像相关方法对试验梁的裂纹发展进行了对比分析。结果表明：与未加固梁相比,加固梁的破坏形态由脆性剪切破坏转变为延性弯剪及弯曲破坏;随着加固层厚度的增加,加固梁开裂荷载、峰值荷载和变形能力明显提高;通过数字图像相关方法,可以直接从试验梁表面获取细微变形和应变分布情况,并进一步预测试验梁表面微裂缝位置及破坏形式。最后,建立了超高性能混凝土加固钢筋混凝土梁的抗剪承载力计算公式,并与试验结果进行了对比,结果吻合较好。     

湿筛混凝土试件的静、动破坏数值模拟

基于数字图像方法重构生成与真实骨料一致的混凝土骨料模型.混凝土各相材料的本构模型采用混凝土塑性损伤本构模型,考虑材料的应变软化,对湿筛混凝土试件的静、动破坏进行研究.研究结果表明:(a)混凝土的应力-裂缝宽度模型适用于骨料、砂浆和界面等各相材料.(b)随着应变率增加,混凝土的破坏形式明显由单条宏观裂纹向多条裂纹变化.(c)材料惯性对材料破坏荷载有一定影响,当应变率达到60s-1时材料的动力增强因子明显增大,惯性影响不可忽略;当应变率达到80s-1时材料惯性对材料破坏荷载影响较大;当应变率小于207.8 s-1时由率效应引起的动力强度增加大于由惯性效应引起的动力强度增加.     

裂隙混凝土应变场和温度场演化规律试验

摘要:为了探究裂隙混凝土的破坏特征,基于数字图像相关技术和红外辐射技术,对裂隙混凝土试块进行单轴压缩试验,分析加载过程中试样表面应变场和温度场的演化规律。在本试验中,通过数字图像相关与红外辐射技术分别确定加载过程中裂隙混凝土应变集中区和表面温度场的演化情况。研究结果表明：应变集中区由预制裂隙尖端萌发,沿加载方向扩展,当裂隙混凝土轴向荷载达到峰值荷载的76.54%左右时,试件仍未有贯通裂纹产生。裂隙混凝土应变场标准差演化过程可大致划分为初始分异、匀加速分异、变加速分异3个阶段。温度场标准差演化过程大致分为匀速分异和突变分异2个阶段。不同应变场和红外辐射温度场标准差之间的相关系数在0.55~0.92之间,呈中度或高度相关关系。随着新生裂纹的扩展,试块表面的最高温度逐渐上升,上升幅度为3.33%。在试件破坏时出现连接预制裂隙的高温条带,红外辐射温度场标准差随轴向应变的增大波动增长,分异程度明显。     

基于机器视觉和数字图像相关技术的混凝土损伤演化研究

提出一种在试件损伤过程中，以数字图像方法所得应变场为基础，采用机器视觉识别快速获得对应损伤状态下试件表面裂缝分布的裂缝自动识别检测（Automated Crack Detection and Measurement，ACDM）方法. 采用三点弯曲试验，以夹式位移计测量裂缝口张开位移（Crack Mouth Opening Displacement，CMOD）作为参考用真实值，对ACDM的精度进行分析. 结果显示，CMOD小于0.05 mm时，ACDM识别的误差小于0.01 mm，ACDM方法可用于分析微裂缝尺度的混凝土损伤情况. 通过3组不同强度混凝土立方体试件的压缩试验，采用ACDM方法所得裂缝面积直接表征损伤指标来反映试件的损伤演化情况. 结果表明，在宏观裂缝出现之前，在不同损伤阶段下由ACDM方法所得损伤指标，对应数值变化均大于10-3，与目前表征损伤应变场的不均匀性变异系数（Cv）相比更为灵敏和准确.     

基于数字图像的试样表面应力估算及应用

为获得试样破坏过程中的表面应力分布特征,提出了基于数字图像的试样表面应力估算方法。开展了含孔试样破坏的应力场演化观测试验,利用数字图像相关技术获得试样破坏过程中的图像序列,采用VIC-3D软件计算试样的表面变形场及应变场。结合所得应变场数据及应力估算方法,计算得到试样表面应力。采用虚拟场理论建立了表面应力与轴向应力的关系,且据此评估了3种弹性模量及5种泊松比的估算效果,优选了最佳应力估算参数组合。最后将应力估算方法应用于试样破坏过程中的应力场演化分析,对比验证了应力估算准确性。结果表明:弹性模量仅影响应力估算的峰值大小,不改变应力的分布,由数字图像计算得到的平均泊松比μ_3在估算时稳定性较好;采用平均弹性模量E_(av)以及平均泊松比μ_3估算加载中期的应力较为准确;估算所得表面应力能够完整的反应试样破坏过程,表面应力集中与裂纹萌生存在对应关系。数字图像相关方法的应力估算能够量化表面应力,研究可为实验力学中的表面应力分析提供参考。     

水泥基材料裂缝对钢筋锈蚀过程的影响

裂缝的存在对混凝土中钢筋的锈蚀过程有重大影响,目前关于裂缝对钢筋锈蚀过程的影响程度有很多不同的观点.针对该问题,在实验室条件下利用模拟的海水氯盐环境对带裂缝的圆饼试验中铁丝的锈蚀过程进行了研究.研究首先将铁丝预埋入圆饼形砂浆试件,待试件具有一定强度后,利用机械方法在圆饼表面制造不同宽度的贯穿与非贯穿裂缝;然后通过比较裂缝底部暴露的铁丝表面和未暴露表面随时间的不同腐蚀程度来确定裂缝的存在对锈蚀过程的影响.研究表明:当贯穿裂纹的表面宽度为0.5mm时,锈蚀位置与裂缝位置的相关性大于60%;裂纹宽度为0.2mm时,两者的相关程度低于20%.     

3D-DIC在土木结构力学性能试验研究中的应用

为了更好地研究土木结构力学性能,采用改进的三维数字图像相关系统开展了纤维增强复合材料包裹混凝土柱抗压试验、纤维增强复合板-混凝土相对滑移试验、钢板拉压疲劳试验、预应力混凝土抗震试验和钢桁架结构连续倒塌动力试验.对圆柱体试件全表面同时进行测量,分析得到了360°全场应变数据.当平均应变达到2×10-2时,根据三维数字图像相关方法与电测法所得的应变结果的相对误差小于3%,说明前者具有较高的应变和位移测量精度.继而提出了一种基于边缘点消除刚体位移的方法,得到了滑移位移结果.利用高帧频相机进行连续采图,实现了在试验过程中的动态测量.由此证实了改进的三维数字图像相关系统在土木结构力学性能研究中的有效性.     

复合应力状态下砂岩损伤演化与裂纹扩展特征试验研究

为从细观尺度上研究复合应力状态下岩石中裂纹的扩展,采用数字图像相关技术,对砂岩人字形切槽巴西圆盘试件展开试验研究。基于试验中获取的试件在加载全程中的裂缝开口位移、全场域的应变场和位移场的分布和演变规律,对岩石的损伤演化及裂纹扩展机制和特征进行分析。结果表明:复合应力状态下岩石的损伤演化具有明显的阶段性;主要断裂形态为翼裂纹和次生裂纹,均为拉剪复合型裂纹;翼裂纹起裂位置随加载角度增大向试件中心靠近,沿曲线路径向加载点扩展,扩展中主导机制为拉伸;次生裂纹从柱面边缘起裂,以较平直路径向切缝尖端或切缝上某处扩展,扩展过程快速而不稳定,拉伸与剪切在其扩展机制中所占比重随加载角度变化。     

异形盾构管片原型试验混凝土裂缝宽度预测与可视化

预测和可视化监测异形盾构管片混凝土裂缝宽度和开展规律对站立式原型异形盾构管片加载系统的研发以及后续的异形盾构管片优化设计至关重要.通过梁荷载试验完善了体积率为2%的CF50钢锭铣削型钢纤维混凝土最大裂缝宽度理论公式,同时创新性地在原型管片结构试验领域引入非接触式应变光学测量系统,对管片拱顶内弧面关键区域进行裂缝实时监测.研究结果表明,基于三维数字图像技术(DIC-3D)可定义管片裂缝出现时机判定和裂缝宽度计算方法.管片裂缝宽度经历了初始、稳定和加速等三阶段发展过程,最终确定出异形盾构衬砌结构极限覆土深度为18.5 m.梁荷载试验所获最大裂缝宽度理论公式中的相关设计参数是有效的,未来可结合壳-弹簧模型计算管片内力结果进行异形盾构管片裂缝宽度的科学预测.     

温度与荷载共同作用下钢筋混凝土桩的细观损伤

为探究港口码头不同环境因素对码头桩身材料特性的劣化影响而降低桩身承载能力,通过PFC3D（颗粒流分析程序Particle Flow Code 3D)建立三维颗粒流离散元钢筋混凝土桩模型开展研究。对温度-应力模型进行建立,选取热学参数,构建了温度热管模型,通过分级加热,得到了钢筋混凝土桩的横向拉伸应变、纵向压缩应变以及微裂缝生长数量随温度变化曲线;调整模型混凝土粗骨料占比与强度等级,研究其对对钢筋混凝土桩受热损伤的影响;通过施加温度场的模型进行水平加荷载后,得到的应力应变曲线;基于模型微裂隙数量的损伤变量,并构建了损伤变量-轴向应变曲线,进一步分析了温度-荷载共同作用的损伤规律。结果表明：混凝土轴向压缩应变和横向拉伸应变会随温度的增加而逐渐升高,细观微裂隙数量会随温度的升高而增长;粗骨料占比升高会使受热初始损伤增加;温度的升高,材料的宏观力学性能出现了不同程度的降低。     

基于数字图像相关技术的混凝土剪切破坏实验研究

剪切破坏是工程实际中混凝土破坏的主要形式之一,而对其进行全场非接触的观测和研究却仍面临着一些困难,因而结合数字图像相关技术(digital image correlation,DIC)对混凝土的直接剪切破坏问题开展实验研究。分别对旧混凝土、未凿毛新旧结合混凝土及凿毛新旧结合混凝土三种不同类型的试样进行剪切破坏时的对照实验,具体对破坏时的应力应变分布,破坏断面情况,破坏时强度大小等进行比较。实验中将混凝土边缘外表层切除,以展现出的内部纹理作为数字图像相关技术所需要的自然散斑场;采用高分辨率的数字相机对发生剪切变形的混凝土表面进行图像采集,再通过DIC技术进行后处理以获得剪切破坏过程中变形场的分布。实验结果表明在承受剪切载荷时,经过凿毛处理的新旧结合混凝土粘合面的应变范围、应变分布复杂程度、应变数值均大于未凿毛处理试件,因而确定凿毛新旧结合混凝土试件的抗剪强度大于未凿毛新旧结合混凝土试件;研究结果同时验证了DIC技术在混凝土剪切破坏测试中的有效性和可靠性,即DIC技术可以更直观和全面地获得混凝土剪切应变分布情况,适用于混凝土结构剪切破坏的监测。     

光测法在混凝土表面裂缝测量中的应用

针对采集到的裂缝图像特征,提出一种裂缝定量分析法,即根据裂缝图像灰度.利用otsu提出的类判别法计算出图像分割的最佳阈值,进而提取图像的裂缝信息,然后通过编制的图像处理程序分析出研究区域的裂缝宽度及其方差.实验结果表明:该定量分析法处理图像效果好,数据稳定,相关的计算结果可为实际工程的安全可靠性评估提供准确的基础数据.经实践验证,该方法简单易行.     

基于图像分析技术的混凝土桥梁结构表面裂缝宽度检测

针对目前检测裂缝宽度时通常采用的接触式人工直接测量方法费时费力、且难以准确测量最大裂缝宽度的问题,基于图像分析技术的应用,提出采用在混凝土表面粘贴纯色标定块来标定、修正原始图像,并对其进行对比增强、平滑等一系列处理后直接在图像上确定裂缝宽度的无接触式测量方法.基于所提方法,分别以正拍和斜拍图像对一开裂混凝土梁的表面裂缝进行了检测,结果表明:基于正拍和斜拍图像确定的裂缝宽度的识别精度分别为93.4%和90.9%,表明该方法能有效检测混凝土结构表面的裂缝宽度.     

基于塑性损伤理论的钢筋混凝土锈胀裂纹模拟

基于混凝土的塑性损伤理论建立了钢筋混凝土保护层锈胀开裂的有限元模型.通过位移加载来模拟钢筋的锈胀作用,以最大应变作为混凝土损伤的判据,通过衰减混凝土弹性模量来实现混凝土损伤,研究了钢筋锈蚀引起的混凝土保护层内裂纹发生和扩展的轨迹.为了直观表示开裂轨迹,通过ABAQUS子程序USDFLD定义拉伸状态下的场变量f1,给出了内部裂纹、表面裂纹产生时对应的临界锈蚀率,探讨了钢筋直径、锈胀系数、保护层厚度对临界锈蚀率的影响.结果表明:侧向裂纹从混凝土内部钢筋表面开始扩展,竖向裂纹从混凝土保护层的外表面开始向内部扩展,且出现较晚;临界锈蚀率随着钢筋直径、锈胀系数的增大而减小,特别是锈胀系数的影响更显著,而...     

BOTDR用于钢筋混凝土T型梁变形监测的试验研究

介绍了布里渊光时域反射计(BOTDR)的分布式光纤应变测量原理,并应用BOTDR技术对钢筋混凝土T型梁加载后的应变分布进行了测量.试验表明,BOTDR的应变测量结果与应变片的测量结果具有很好的一致性,并监测到当荷载加至25 kN时,钢筋混凝土梁出现了裂缝.此外,由BOTDR的实测应变分布还推算出了梁的挠度.这些结果显示出BOTDR作为先进的分布式光纤传感监测技术能够准确地测量出钢筋混凝土结构的应变分布,将其用于钢筋混凝土结构的变形监测和损伤识别是可行的.     

混凝土单轴受压的损伤表征

混凝土受力破坏机理一直是土木工程领域研究的重点问题,针对混凝土单轴压缩状态下的损伤演变特征,分别选取不同强度下的混凝土试块进行压缩破坏试验,从中获取加压过程中不同荷载作用下试块表面的图像。应用分形理论,根据图像分析计算各个试块在不同状态下损伤的分形维数,并研究了试块初始损伤与其破坏速率之间的关联性,由此分析混凝土内部结构组成特征,揭示其破坏的放大效应过程。结果表明,随着荷载的增加,混凝土损伤的分形维数呈增大趋势,初始损伤越大,其破坏速率越快。C20混凝土由初始损伤分形维数最大的1.4177增加到后期的1.6314,平均增长率为0.0236,C50混凝土由初始损伤分形维数最大的1.3240增加到后期的1.5827,平均增长率为0.0349,强度较低的混凝土表现出较为明显的塑性破坏特征,混凝土内部结构的损伤通过分形路径进行加剧,表现出放大效应的过程,并最终演变为宏观裂纹的产生。该研究可为混凝土的结构演变与破坏机理的关联研究提供新的思路。     

基于数字图像技术的沥青混合料反射裂纹扩展行为

为了研究不同加载模式下的沥青混合料反射裂纹扩展行为,对复合小梁试件进行复合型和弯拉型破坏荷载试验以及不同应力比状态的疲劳试验,并基于数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)观测反射裂纹萌生至扩展全过程,从裂纹宽度、裂纹扩展路径、裂纹扩展高度及疲劳反射裂纹扩展速率深入分析其扩展行为。结果表明：沥青混合料反射裂纹扩展行为经历微裂纹萌生、微裂纹发展阶段、微裂纹向宏观裂缝转变、宏观裂缝快速发展4个阶段。反射裂纹扩展由主裂纹扩展以及次裂纹扩展构成,且次裂纹扩展速率高于主裂纹。采用logistic函数对混合料疲劳反射裂纹扩展量进行拟合是可靠的。研究成果对于完善沥青路面设计及其耐久性评价具有重要意义。     

基于数字图像相关的力学测试系统设计与应用

针对电测方法需在试件表面粘贴应变片及单点测量局限,将数字图像相关方法(Digital Image Correlation,DIC)引入到材料力学性能测试分析中。设计二维DIC系统,并将其应用于三点弯曲沥青混凝土梁的变形和应变全场测试。根据应变云图,可以直观地观察到弯曲正应变沿梁横截面线性分布的特点。实验结果表明,DIC方法可以实现变形和应变分布的全场非接触和准确测量,可为土木工程试验提供可靠的测试手段。