DIC技术在高桩码头结构安全性检测中的应用

程梦瑶 孙志伟

(重庆交通大学河海学院 重庆 400074)

DIC技术在高桩码头结构安全性检测中的应用

程梦瑶 孙志伟

(重庆交通大学河海学院 重庆 400074)

本文根据DIC技术基本原理，结合高桩码头构件及钢护筒模型试验，利用散斑测量程序，进行高桩码头钢护筒的模型试验。通过对收集的散斑图像进行测量分析，得出高桩码头钢护筒在变形过程中的应变值，由此验证DIC技术可用于高桩码头试验模型中主要受力构件的变形检测。今后在实际工程中，也可以利用DIC技术对类似高桩码头结构进行检测，以此来对码头结构的安全性进行评估。

数字图像相关方法；高桩码头；结构安全性

一、引 言

在长期的使用过程中，大多数高桩码头出现不同程度损坏,如不加以重视，将会造成的巨大损失。现有的有损检测方法容易造成码头结构的局部破坏，不利于结构的长期稳定。因此，现急需通过更加科学有效的方法检测码头的局部结构，从而有效的避免其破损结构对码头正常使用产生的不利影响。

本文以室内码头实验模型为依托，采用数字散斑原理[1]，对结构主要受力构件的应变进行测量分析，研究基于数字散斑原理[2]的高桩码头结构的安全性检测方法，进而使DIC技术能更好的运用于高桩码头的检测。

二、数字图像相关方法

(一)数字图像相关方法简介。数字图像相关方法(Digital Image Correlation)，是在20世纪80年代初由W.H.Peter和W.F.Ranson等人[3]提出利用光不直接接触物体原理，对物体变形前后位移进行测量。由于该方法基于全场测试表面变形的技术，因此在测量中有更加辽阔发展空间[4]。

(二)数字图像相关方法基本原理。数字图像相关方法是根据物体在变形前、后产生的散斑场，通过对照其相互关系来获取物体位移和变形的情况，在变形后的散斑场区域根据相关系数的极值条件辨别确定出对应于变形前的区域。该方法通过使用摄像机来取得变形前、后物体表面的数字图像，再对变形前后的图像进行相关运算，通过一系列计算最终得出被测物体表面所有点的位移及变形[5]。这就是数字图像相关法测量技术的基本原理，如图1所示。

图1 数字图像相关技术原理图

(三)亚像素问题。要获得亚像素位移主要有两条途径：一是提高数码相机的分辨率，这种方法受制于当前的数码相机的技术水平；二是采用插值计算方法，这里介绍最常用的Gaussian插值计算方法。

若相关系数的峰值在(i，j)点，其附近的相关系数可以用来拟合高斯函数曲线。高斯函数曲线假定为：

(1)

则X、Y方向上的高斯插值可按下式进行：

(2)

(3)

式中，c、k为常数；Ri,j为(i,j)点的相关系数。

三、钢护筒钢筋混凝土桩扭矩实验

根据DIC技术的基本原理，确定本文的散斑程序基本算法。为了更好的检验这套算法是否能有效的应用于实际工程中，本文结合单构件受力试验，通过对收集的散斑图像进行计算分析，得出单构件在变形过程中的应变值，进一步确定DIC技术在工程实际运用中的准确性及实用性。

(一)实验材料选择及试件尺寸。试件采用钢护筒钢筋混凝土桩，其中外壁钢护筒使用无缝钢管Q235，壁厚0.004m，且钢护筒内壁焊接8根二级钢筋(d=14mm)；内部的钢筋混凝土桩使用C30混凝土，桩长1.8m，直径为0.5m，其中纵筋为8根二级钢筋(d=14mm)，箍筋为螺旋箍筋一级钢筋(d=6mm)，间距为14cm。

(二)实验装置及实验步骤。本次试验在桩基构件的测试表面贴上应变片，通过与DH3821应变采集仪的读数来对比精度。该桩基试件放置在500吨级长柱结构试验机上，进行扭矩试验，摄像机的光轴与试件表面近似垂直。

在仪器加载前，摄像机首先拍摄一幅未变形前的试件图像作为参考，随后试验机在电脑控制下以3kN为一级,进行分级加载，每加载完一级后记录应变采集仪的读数，同时摄像机拍摄试件表面的图像。最后当桩基构件承受42kN扭矩作用时，停止实验。

(三)实验数据。对采集的图像利用Matlab进行数据处理，由于实验处理软件精度为0.01pixel，故加载之前在试件上画上一个10cm的刻度线，采集图像时，确定试件与图像之间放大倍数的标定为0.68mm/pixel，故单位像素的实际精度值0.0068mm。为了保证实验的正确性，在实际试件表面中心点处得出应变值再与数字散斑结果进行对比，如图2所示。

图2 桩基构件应变仪记录应变值与数字散斑计算应变值对比图

四、结论与问题

本文对影响高桩码头安全性的主要受力构件进行变形分析，验证DIC技术可用于高桩码头主要受力构件的变形检测。虽取得了一些成果，但尚有许多问题待进一步研究和探讨：

(1)由于实验条件的限制，本文仅完成了单个构件在单一荷载作用下的试验验证，建议可进行在多种荷载组合下，该方法的验证研究。

(2)对于三维曲面物体来说二维平面展示往往不够直观，如何深化单幅图片来重构三维实体变形还需继续完善模型。

(3)DIC相关测量对光强要求高，而在现场试验中往往光照条件较差，需进一步改进像素匹配算法增加测量的稳定性和成功率。

(4)本文应用数值散斑程序的精度还有待提高，此外这种测量方法往往是在Matlab平台上运行，如何使其在便携设备上实现散斑程序的运行，还需要进一步的探究。

[1]单宝华,欧进萍,赵仁孝等.散斑图像相关数字技术原理及应用[J].实验力学,2003,19(3):409-418.

[2]吴太广.数字图像相关方法及其应用研究[D].长沙理工大学,2010.

[3]Peters WH,Ranson WF.Digital image techniques in experimental stress analysis[J].Optical Engineering,1982,21(3);427-432.

[4]孟利波,马少鹏,金观昌.数字散斑相关测量中亚像素位移测量方法的比较[J].实验力学,2003,18(03)：343.346.

[5]张怀清,蒲琪,代祥俊,云海.基于数字散斑相关方法的微位移测量[J].山东理工大学学报(自然科学版),2009,23 (1):49-52.