前言：混凝土结构服役过程中产生裂纹是不可避免的, 而裂纹的扩展是混凝土结构承载能力、耐久性及防水性降低的主要原因。目前检测混凝土表观裂纹仍以传统的人工方法为主, 用马克笔在混凝土表面绘制裂纹的大致走向。在测量混凝土裂纹的宽度时, 主要使用基于光学显微原理的裂纹测宽仪, 其测量精度较高, 但也只能得到裂纹某一点处的宽度。
东视传感研制出的实时三维位移应变测量仪能够实现全场裂纹的全自动、高精度测量。实时三维位移应变测量仪测量裂纹宽度的误差在0.010 ～ 0.017像素之间, 与理论预测相符, 且测量标准差在0.006 ～ 0.008像素之间, 测量结果很稳定，为混凝土实验提供了一种全面、可靠、精确的裂纹测量手段。
关键技术与创新点
基于主应变场的裂纹检测
当被测物体表面由于开裂使位移场出现梯度时, 开裂处的主虚应变会非常大, 明显区别于未开裂处。如果能利用主应变场中的这种由于开裂而产生的特征, 就能实现裂缝的全场定位。
裂纹扩展模拟实验
基于主应变场的裂纹定位
裂纹法线方向附近主应变场分布
多相机三维数字图像相关
对于大尺寸混凝土梁的变形测量, 使用多相机组成的相机网络, 可以保证全场变形测量分辨率与测量精度。
基于编码点的多相机外参统一
应用案例
混凝土梁抗弯实验
在试件表面贴上水转印散斑, 然后按一定间隔贴编码点并放置标尺, 利用单反相机从不同角度拍摄梁表面的编码点并完成编码点坐标三维重构。搭设两组双目系统A和B, 分别拍摄混凝土梁的左侧和右侧。利用本文提出的技术方法得到的梁在3个载荷级别下的全场裂纹示意图, 各裂纹的宽度和长度均为真实比例, 通过对比发现, 全场裂纹识别的效果很好,非常直观地反映混凝土梁表面的裂纹扩展与发展情况。
混凝土梁尺寸示意图及实验现场 (单位 mm)
混凝土梁表面全场裂纹分布图a
混凝土梁表面全场裂纹分布图b
为了追踪裂纹在不同载荷下的形态和扩展,下图(a)和下图(b)分别展示了跨中裂纹和左侧弯剪区斜裂纹随载荷的形态变化。跨中裂纹在70 kN左右开始出现, 而左侧斜裂纹在200 kN左右才出现。图中红色标记为裂纹最宽处, 均出现在大致同一位置。在相同载荷下, 梁弯剪区裂纹最宽值远大于梁跨中裂纹最宽值, 且扩展速度较快。斜裂纹出现较晚且扩展迅速, 当加载到300 kN左右时, 斜裂纹处发生明显破坏, 试件失效, 斜裂纹是导致混凝土梁失效的主要原因。
(a) 纯弯区裂纹变化
(b) 弯剪区裂纹变化
裂纹最大宽度变化图
工程应用价值
DIC技术凭借全面性、可靠性与精确性，成为混凝土工程裂纹测量中保障结构安全、优化维护决策的核心技术手段，显著提升工程质量管控效能。可用于新建工程质量管控、既有结构健康监测、科研与材料开发。