多相机数字图像相关在变形灌浆套筒单向拉伸试验中的应用

2017-02-21戴云彤郑永峰管东芝蒋汉阳郭正兴杨福俊何小元

东南大学学报（自然科学版） 2017年1期

关键词：数字图像凹槽套筒

戴云彤郑永峰管东芝蒋汉阳郭正兴杨福俊何小元

(东南大学土木工程学院, 南京 210096)

多相机数字图像相关在变形灌浆套筒单向拉伸试验中的应用

戴云彤郑永峰管东芝蒋汉阳郭正兴杨福俊何小元

(东南大学土木工程学院, 南京 210096)

为研究钢筋套筒灌浆连接的受力性能,建立了适用于大曲率复杂曲面变形测量的多相机数字图像相关系统,并利用此系统对一种变形灌浆套筒进行了单向拉伸试验,跟踪测量了套筒表面的全场变形信息.结果表明:多相机数字图像相关系统能够完整重建灌浆套筒的三维形貌,并获得套筒表面任意位置的变形状态,包括传统应变片方法难以测量的套筒变形段凹槽处变形;将套筒表面应变分布规律与应变片测试结果和有限元分析结果进行对比,证实了多相机数字图像相关系统的可靠性.多相机数字图像相关为研究灌浆套筒的连接性能提供了直观且全面的新试验手段,也为大曲率复杂曲面的三维形貌与变形测量提供了有效的测试方法.

钢筋套筒灌浆连接;变形灌浆套筒;多相机数字图像相关;变形测量;单向拉伸

作为装配式混凝土结构的关键技术之一,钢筋套筒灌浆连接是指在钢筋与加工的套筒连接器之间填充高强快硬的无收缩灌浆料,依靠浆料凝固硬化后材料间的黏结咬合作用来完成钢筋连接.国内外众多研究者们已对该连接方式进行了理论和试验研究[1-3].已有的试验研究都是利用电阻应变片测量套筒表面的应变分布,以研究灌浆套筒的受力性能.传统的电阻应变测试方法属于单点测量,所得结果仅为测点范围内的平均值,存在一定的局限性.光学测量方法因其无损、全场测量等特点,已被广泛应用于变形测量中.其中,三维数字图像相关(3D-DIC)测量方法[4],以其非接触、无损、全场测量等优势,在实验力学和工程应用中获得了成功应用和较好发展[5-6].然而,灌浆套筒形状基本为圆柱形或纺锤形,3D-DIC方法在测量此类大曲率复杂曲面试件时具有明显的缺陷:① 视场受限.受曲率影响,被测表面不同位置在视场中会相互遮挡,易产生视觉盲点;受镜头景深影响,容易散焦.② 分辨率降低.为了让视场完整清晰地覆盖整个曲面,需要改变镜头配置或者调节相机工作距离,从而损失空间分辨率.

为解决以上问题,将3D-DIC方法与多相机同步采集系统相结合,形成多相机数字图像相关(MC-DIC)系统,以实现基于聚类方法的大曲率复杂曲面的全表面测量.MC-DIC系统利用多个相机拍摄被测表面不同的小区域,通过系统标定将测量点的坐标值统一至同一整体坐标系下,获得被测表面连续的全场三维变形信息.本文利用由4个相机组成的MC-DIC系统,对单向拉伸荷载下文献[3]中的变形灌浆套筒的全场变形进行了跟踪测量.

1 测量原理

为解决3D-DIC方法在测量如GDPS套筒这类大曲率复杂曲面试件时存在的问题,将3D-DIC方法和多相机同步采集系统相结合,建立了基于聚类方法的MC-DIC系统,以实现大曲率复杂曲面的全表面测量.以半径为R的圆柱为例(见图1),将被测圆柱面展开成一个长为2πR的长形面,全周表面被分成若干个小区域,利用多个相机组成的若干个3D-DIC子系统分别拍摄这若干个小区域.为实现连续的全周变形测量,对于表面任意一点,必须存在至少2个相机进行观测,且相邻的小区域之间需要有一定的视场重叠区域.按照以上要求布置相机后,对采集到的图像组进行3D-DIC运算.即对图像中每一个子区进行立体匹配,若子区仅在一组3D-DIC子系统测量范围中,则直接进行三维重构;若子区同时在2组及以上3D-DIC子系统测量范围(如相邻子区域的视场重叠区域)内,则选择残差较小的3D-DIC子系统作为该子区的最佳计算系统,并进行三维重构.根据系统标定将多个相机中测量点的坐标值统一至同一整体坐标系下,进而获得被测表面连续的三维变形场.详细原理可参见文献[7-8]中用于板形试件测量的多相机系统.

图1 多相机数字图像相关系统示意图

文献[9]中的离散化360°全周变形测量系统由8个相机组成4套3D-DIC子系统搭建而成,4套子系统单独标定,相互独立,仅能测量被测表面不同部位的离散化变形数据,无法获得具有连续性的全周变形场.Wang等[10]提出的多相机系统也由多套3D-DIC子系统组成,每个子系统由独立的相机对构成,单独标定并测量被测表面不同部位的变形,然后通过三维拼接将不同子系统获得的形貌和变形数据拼接形成全局点云.文献[11]中对圆柱的全周变形进行测量前,利用单相机重构一个标准物的三维坐标,然而此标准物难以获取,且标定过程较为繁琐.与上述多相机系统不同,本文提出的MC-DIC系统利用普通3D-DIC的平板标定板进行系统标定,将多个相机统一至同一整体坐标系下,能够获得柱形试件表面连续的全周变形场,且相机数量不局限于偶数.该系统已被成功应用于口腔印模的复杂表面形貌测量中[12],下面将进一步开展其在大曲率复杂曲面应变测量方面的研究.

为验证MC-DIC系统的可靠性,在GDPS套筒一侧半表面上粘贴轴向应变片,另一侧半表面由MC-DIC系统进行监测.本文提出的MC-DIC系统包含2个3D-DIC子系统(见图2),每个子系统测量套筒表面的1/3区域,2个子系统的视场重叠区域约为套筒表面的1/6区域.整套系统中,2个相机先相互串联构成子系统,2个子系统再分别由火线连接到电脑的2个采集卡上.每个相机均与硬同步触发控制连接,保证4个相机图像采集的同步性.

图2 4个相机组成的MC-DIC系统示意图

2 试验

本文研究的GDPS套筒采用无缝钢管通过滚压工艺冷加工而成,钢管外径为42 mm,壁厚3.5 mm,钢材弹性模量为206 GPa,屈服强度为395 MPa,抗拉强度为495 MPa,伸长率为20.5%.如图3所示,套筒外表面存在多道环状倒梯形凹槽,相应的套筒内表面设置多道凸环肋,可以有效提高套筒与内部填充灌浆料以及套筒与外部混凝土之间的黏结强度.下面以两端凹槽数量为3道、连接钢筋直径为16 mm、钢筋锚固长度为5d的GDPS套筒为例,阐述MC-DIC系统在灌浆套筒单向拉伸试验中进行变形测量的可靠性和有效性.

图3 GDPS套筒

试件在MTS试验机上进行单向拉伸,钢筋断裂或被拔出时终止加载.试验装置见图4,主要包括4个分辨率为2 448×2 048 像素的Point Grey GRAS-50S5M-C型工业相机(像元尺寸为3.45 μm)、4个焦距为25 mm的Kowa镜头和2个电压为250 V、功率为25 W的LED光源.试验中每加载5 kN,记录一次应变片数据并采集一次图像.

图4 试验现场与试件

3 试验结果及分析

3.1 荷载-位移曲线

试验中观察到的破坏形态为套筒外钢筋被拉断破坏,灌浆套筒起到了有效的钢筋连接作用.如图5所示,与单根钢筋拉伸相似,灌浆套筒的荷载-位移曲线大致分为4个阶段:① 曲线上升段,荷载和位移呈线性关系,套筒内钢筋与灌浆料之间相互挤压;② 水平段,属于钢筋屈服阶段;③ 二次上升段,即钢筋强化阶段,套筒内钢筋与灌浆料之间充分挤压;④ 下降段,即钢筋颈缩阶段.

图5 荷载-位移曲线

3.2 套筒形貌重构及应变对比

为了验证MC-DIC系统在大曲率复杂表面测量时的优势,先后采用传统双相机3D-DIC系统与MC-DIC系统对同一个GDPS套筒进行三维重构.图6为双相机3D-DIC系统重构出的套筒三维形貌.由图可知,套筒两侧的大部分形貌有所丢失,仅能恢复中间区域的三维形貌,且变形段凹槽处的形貌不能较好地恢复,存在较多缺口.相比之下,MC-DIC系统可以完整地恢复出套筒三维形貌(见图7),能够获得套筒表面任意位置处的变形信息,包括应变片难以测量的套筒变形段凹槽处变形.

由于轴向应变片得到的是应变片长度范围内的平均应变,因此,提取应变片粘贴位置处轴对称区域的MC-DIC系统所有计算点的应变平均值作

(a) 三维散斑图

(b) 三维形貌云图

(a) 三维散斑图

(b) 三维形貌云图

为MC-DIC系统的测量结果,并与应变片数据进行比较,结果见图8.由图可知,MC-DIC系统的应变测量结果与应变片测试结果趋势一致.在加载前期,两者的数值较为吻合;随着拉伸量的增大,两者的相对误差也随之增大.引起误差的原因主要为,MC-DIC系统取值区域与应变片粘贴区域并非同一区域,仅为轴对称位置,试件内部钢筋、灌浆料、套筒三者之间的相互作用并非完全对称,尤其是在加载后期套筒内钢筋与灌浆料之间充分挤压,导致套筒两侧对称位置的外表面应变不完全一致.

3.3 套筒应变分布规律

图9为MC-DIC系统计算得到的GDPS套筒表面轴向应变分布图.由图可知,套筒的光滑段和变形段表现出不同的应变分布规律:套筒中部光滑段的轴向应变为拉应变,并且由中间向两侧减小;在套筒两端变形段中,凹槽间的轴向应变为压应变,凹槽处有应变集中现象,第1道凹槽处尤为明显.随着拉伸的进行,套筒外表面应变逐渐增大.MC-DIC系统得到的轴向应变云图与文献[3]中有限元分析得到的轴向应力云图分布规律一致.

(a) 应变片粘贴区域及MC-DIC系统取值区域

(b) 对比曲线

图9 MC-DIC系统获得的不同荷载下GDPS套筒表面轴向应变分布图

图10为套筒表面不同区域的荷载-应变关系曲线.由图可知,套筒中部光滑段(Z5～Z9区域)的轴向应变为拉应变;套筒两端变形段凹槽间(Z1,Z3,Z11,Z13区域)的轴向应变为压应变;凹槽处(Z2,Z4,Z10,Z12区域)的轴向应变为拉应变,其应变值明显大于其他位置.套筒外表面各位置处的轴向应变基本随加载呈线性增长.图11为套筒轴向应变分布图.由图可知,套筒的轴向应变沿套筒长度方向的分布曲线为近似对称分布,曲线分为3段,左、右段对应套筒变形段的应变,中部对应套筒光滑段的应变.套筒光滑段轴向应变由中部向两端衰减;变形段凹槽间承受压应变,凹槽处承受拉应变并向套筒端部衰减,且凹槽处的拉应变值远远大于其他位置.上述结果与文献[3]中应变片测试得到的分布规律一致.

(a) 套筒表面不同区域编号

(b) 荷载-套筒轴向应变关系曲线

图11 套筒轴向应变分布图

4 结语

针对GDPS套筒这类大曲率复杂曲面试件的变形测量,本文建立了由4个相机组成的多相机数字图像相关系统,对单向拉伸荷载下的GDPS套筒进行了跟踪测量.结果表明,该系统能够完整地重构出套筒的三维形貌,有效监测套筒表面任意位置的变形过程,包括应变片难以测量的套筒变形段凹槽处变形.MC-DIC系统的应变计算结果与应变片测试数据具有一致的变化趋势,数值上也较为吻合.同时,加载过程中的应变变化云图与以往研究中的应变片测试结果和有限元分析结果一致.利用MC-DIC系统对GDPS套筒表面进行全场变形测量是可靠有效的.MC-DIC系统为大曲率复杂曲面的形貌与变形测量提供了新的测试手段.

References)

[1]Ling J H, Rahman A B A, Ibrahim I S. Feasibility study of grouted splice connector under tensile load [J].ConstructionandBuildingMaterials, 2014, 50:530-539.DOI:10.1016/j.conbuildmat.2013.10.010.

[2]Henin E, Morcous G. Non-proprietary bar splice sleeve for precast concrete construction [J].EngineeringStructures, 2015, 83: 154-162. DOI:10.1016/j.engstruct.2014.10.045.

[3]Zheng Y, Guo Z, Liu J, et al. Performance and confining mechanism of grouted deformed pipe splice under tensile load[J].AdvancesinStructuralEngineering, 2016, 19(1): 86-103. DOI:10.1177/1369433215618296.

[4]Sutton M A,Orteu J J,Schreier H W.Imagecorrelationforshape,motionanddeformationmeasurements:Basicconcepts,theoryandapplications[M]. New York, USA: Springer, 2009: 70-79.

[5]Pan B, Li K, Tong W. Fast, robust and accurate digital image correlation calculation without redundant computations[J].ExperimentalMechanics, 2013, 53(7): 1277-1289. DOI:10.1007/s11340-013-9717-6.

[6]Shao X, Dai X, He X. Noise robustness and parallel computation of the inverse compositional Gauss-Newton algorithm in digital image correlation[J].OpticsandLasersinEngineering, 2015, 71: 9-19. DOI:10.1016/j.optlaseng.2015.03.005.

[7]Chen F, Chen X, Xie X, et al. Full-field 3D measurement using multi-camera digital image correlation system[J].OpticsandLasersinEngineering, 2013, 51(9): 1044-1052. DOI:10.1016/j.optlaseng.2013.03.001.

[8]Chen X, Yang L, Xu N, et al. Cluster approach based multi-camera digital image correlation: Methodology and its application in large area high temperature measurement[J].Optics&LaserTechnology, 2014, 57: 318-326. DOI:10.1016/j.optlastec.2013.08.005.

[9]陈振宁, 刘聪, 戴云彤, 等. BFRP 混凝土圆柱破坏全周监测与可靠性研究[J]. 工程力学, 2015, 32(12): 147-153. Chen Zhenning, Liu Cong, Dai Yuntong, et al. Full-circle monitoring and stability study of BFRP concrete columns[J].EngineeringMechanics, 2015, 32(12): 147-153. (in Chinese)

[10]Wang Y, Lava P, Coppieters S, et al. Application of a multi-camera stereo DIC set-up to assess strain fields in an Erichsen test: Methodology and validation[J].Strain, 2013, 49(2): 190-198. DOI:10.1111/str.12027.

[11]Degenhardt R, Kling A, Bethge A, et al. Investigations on imperfection sensitivity and deduction of improved knock-down factors for unstiffened CFRP cylindrical shells[J].CompositeStructures, 2010, 92(8): 1939-1946. DOI:10.1016/j.compstruct.2009.12.014.

[12]董帅, 戴云彤, 董萼良, 等. 应用多相机三维数字图像相关实现口腔印模三维重构[J]. 光学学报, 2015, 35(8): 159-164. Dong Shuai, Dai Yuntong, Dong Eliang, et al. Three-dimensional reconstruction of dental impression based on multi-camera three-dimensional digital image correlation method[J].ActaOpticaSinica, 2015, 35(8): 159-164. (in Chinese)

Application of multi-camera digital image correlation in uniaxial tensile test of deformed grouted sleeve

Dai Yuntong Zheng Yongfeng Guan Dongzhi Jiang Hanyang Guo Zhengxing Yang Fujun He Xiaoyuan

(School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To study the mechanical properties of grouted splice connection, a multi-camera digital image correlation system for deformation measurement of the complex surface with large curvature was established. The uniaxial tensile test of a deformed grouted sleeve was carried out by this system and the full-field deformation on the sleeve surface was measured. The results indicate that this multi-camera digital image correlation system can completely reconstruct the three-dimensional profile of the sleeve, and measure the deformation of any position on the sleeve surface, including the deformation of grooves on the deformed parts of the sleeve which are difficult for strain gauges to measure. By comparing the strain distribution obtained by the system with the experimental results of strain gauges and the finite element analysis results, the reliability of this multi-camera digital image correlation system is verified. The multi-camera digital image correlation provides the new means for the experimental study on the connection properties of the grouted sleeve, and also an effective approach for the three-dimensional profile and deformation measurement of complex surfaces with large curvature.

grouted splice connection; deformed grouted sleeve; multi-camera digital image correlation; deformation measurement; uniaxial tension