DIC技术在混凝土结构开裂监测的应用

沈阳++王丽芬++张昌进

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。

图1（a）为200×200像素的混凝土表面图像，这里选取混凝土表面中心位置41×41像素区域为图像子区域，进行相关性统计计算，结果如图1（b）所示，在相关系数C分布图中有明显的主峰且数值为1。通过相关系数搜索方法得到表面像素级位移分布，并采用曲面拟合法来达到亚像素的位移测量精度，对亚像素位移场采用数值微分运算可以得到混凝土表面变形。

2 DIC技术应用实验

2.1 实验过程

实验采用混凝土强度为C25，几何尺寸为1700mm×180mm×100mm，纵筋为HPB235，箍筋为HPB300，保护层厚度为20mm的钢筋混凝土梁进行四点弯曲实验，采用逐级加载，每次加载为0.5kN，直到混凝土表面出现连通的宏观裂缝。实验过程中采用两台分辨率为1920×1080pixels的CCD相机对试块表面图像进行采集，CCD相机搭配M0814-MP的日本Computar百万像素镜头，并采用LED补光灯进行照明。为了提高实验精度，本文采用人工喷涂制作散斑图像，即用白色涂料喷涂在混凝土梁表面，用黑色油漆笔随机点上黑点，实验装置图如2所示。

试验前首先进行像素的标定，本次实验标定结果为0.01293mm/pixel，本次实验采用的子区域大小为41×41

pixels，搜索步长为5个像素单位，未进行相关的像素点位移通过得到的相关位移数据进行亚像素差值得到。定义临界破坏应变为100με，紫色区域为损伤应变小于临界破坏应变区域，红色区域为损伤拉应变超过临界破坏应变的区域，并且损伤应变值越大，颜色越亮，可以认为红色区域即为表面损伤的分布区域。

从图3中3组试样应变场云图可以看到，加载过程中不同程度都出现了局部应变集中现象，可以认为应变集中区就是混凝土局部损伤相对严重的区域，也是裂缝出现概率较大的区域。图3（a）荷载为12kN时，混凝土梁表面出现零星损伤区域；当荷载为17kN时，混凝土梁表面出现4条呈竖向分布损伤带，且高度超过梁高的1/2，但混凝土表面并未开裂；当荷载为25kN时，混凝土梁表面出现肉眼可见的宏观裂缝，裂缝开展路径与损伤区域发展路径吻合。

2.2 开裂位置检测

DIC技术是通过统计学相关性匹配的亚像素插值得到位移场，故能得到全局性的位移变化量，通过像素标定将像素单位转化为物理单位便可得到相关参数。裂纹可以简单理解为物体表面位移的突变，混凝土结构裂缝分布位置及其宽度大小是快速对结构进行安全评估的重要参数。

如图4所示，数字图像相关技术分析的应变场可以获得混凝土结构裂缝形状特征，而裂缝的宽度则通过平行混凝土梁底部位移场计算得出。图4（a）中分别为加载12kN、15kN、17kN和25kN时的水平像素点的水平位移图，由于裂纹开裂导致位移分布曲线中出现明显的突变，突变位置在观测区域的400、800和1400像素单位位置，在25kN时候已经出现了约为2mm的位移突变这与图3中（c）、（f）的宏观裂缝符合。通过对损伤区域两侧固定两点测量，可以得到混凝土结构表面开裂宽度变化量，图4（b）中为观测区域内的裂缝开口大小随加载变化图，当荷载为25kN时，两处裂纹开口变化明显增长，混凝土结构表面宏观裂缝迅速扩张。

3 结论

①通过CCD相机记录记录混凝土表面位移变化，采用DIC技术对图像序列处理分析，表明DIC技术可以检测混凝土表面受损区域和裂缝开裂路径。

②采用数字图像相关技术能有效的检测出混凝土结构裂缝发展的信息，通过实验表明混凝土开裂前出现应变集中区域，而这些区域与结构破坏形态有关，在施工过和维护过程中通过这些应变集中区的跟踪监测，采取有效的手段避免出现安全事故。

③采用数字图像分析技术符合大数据时代的潮流。然而结构裂缝只是作为结构性能和工作状态的一个方面，对裂缝研究应用必须与结构静力和动态性能指标数据分析相结合，才能准确评价结构的性能。

参考文献：

[1]王春生，周江，吴全有，等.既有混凝土桥梁疲劳寿命与安全评估[J].中外公路学报，2012，25（6）：101-107.

[2]金伟良，吕清芳，赵羽习.混凝土结构耐久性设计方法与寿命预测研究进展[J].建筑结构学报，2007，28（1）：7-13.

[3]牟云，韩彬.桥梁无损检测技术的研究现状与发展[J].城市建设理论研究，2013，16（1）：194-195.

[4]李俊如，高建光，王耀辉.超声波检测混凝土裂缝及裂缝成因分析[J].岩土力学，2001，22（3）：291-293.

[5]何勇，姜帅，毛江鸿，等.结构裂缝的分布式光纤监测方法及试验研究[J].土木建筑与环境工程，2012，34（1）：1-6.

[6]韩依颖，刘乃盛，蔡永昌.基于DIC方法的混凝土压缩试件裂纹识别[J].土木建筑环境工程，2015，37：51-55.

[7]Pan Bing. Recent progress in digital image correlation[J]. Experimental Mechanic， 2011， 51（7）：1223-1235.

[8]曾祥福，刘程林，马少鹏.高速三维数字图像相关系统及其动载三维变形测量[J].北京理工大学学报，2012，32（4）：364-369.

[9]杨宇航.数字散斑相关方法的研究[D].长春：长春理工大学，2014.

[10]MA S P， JIN G C. Digital speckle correlation method improved by genetic algorithm[J]. Acta Mechanica Solida Sinica， 2003， 16（4）： 366-373.