DIC三维应变测量系统在混凝土横梁加载裂纹扩展研究中的应用

裂缝是混凝土结构承载过程中的重要状态表征参数。由于其复杂的组成和力学机理，对混凝土的变形特征、应变分布和裂缝扩展进行细致研究，具有一定的困难和挑战。传统应变片和位移传感器的位置和数量受到空间的限制。超声波、声发射、射线探测、光纤光栅等方法难以对裂纹进行定量分析。因此，亟需一种新方案来研究混凝土结构变形和裂纹特性。

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，能够实现非接触全场裂纹的全自动、高精度测量。它通过获得散斑图的位移并对数据进行平滑处理，利用相关算法计算试件的应变，并基于数字图像处理规则检测裂纹的大小、长度、方向等特征，为混凝土加载实验提供一种全面、可靠、精确的裂纹测量手段。

DIC技术应用与创新点

1、基于主应变场的裂纹检测

使用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统进行裂纹扩展试验，可基于主应变场的裂纹定位，混凝土开裂使位移场出现梯度时, 开裂处的主虚应变增大。DIC软件通过分析主应变场中由于开裂而产生的特征，可实现裂缝的全场定位。

2、大视野全场应变测量

XTDIC三维全场应变测量系统，支持内、外参数分离的标定方式，解决混凝土横梁结构大视野下的标定难题；为使所有图像在单一、统一的坐标系统中排列，从而进行重建，可指定一个摄像机的局部坐标系统作为主要参考。

3、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, 可以保证大尺寸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

混凝土横梁加载实验

1、试件与加载

标准钢筋混凝土矩形梁试件，底部配筋。安装于万能试验机上进行三点弯曲加载，采用位移控制模式模拟准静态加载。

试样准备：在混凝土梁观测面（侧面）喷涂高对比度、细密、随机的黑白散斑图案，作为DIC跟踪的纹理特征。

混凝土横梁制作散斑图样

2、数据采集

试验机加载过程中，XTDIC三维全场应变测量系统与加载控制系统同步触发，按预设载荷同步采集左右相机图像序列。

DIC技术应用与分析：

1、全场位移与应变场获取

DIC软件对采集的图像序列进行处理，通过匹配左右视图和追踪散斑点的运动，计算试件表面全场三维位移场和全场应变场。

结果呈现：生成各加载阶段（如开裂荷载、屈服荷载、极限荷载附近及之后）的彩色云图，直观显示梁表面位移分布和应变（特别是主应变、最大拉应变）集中区域。

2、关键点位移与应变曲线

在DIC软件中，沿梁跨中底部（最大弯矩处）、裂缝预期路径（如弯剪段）、钢筋位置上方等关键位置定义虚拟的点或路径。

数据提取：提取这些关键点在所有加载步中的三维位移（如跨中挠度）和应变（如梁底最大拉应变）数据。

曲线绘制：

荷载-位移曲线：绘制试验机记录的荷载与DIC系统测得的跨中挠度曲线。

荷载-应变曲线：绘制荷载与关键点（如梁底中心点）的应变曲线。

这些曲线能清晰反映：

开裂点识别：荷载-应变曲线在混凝土抗拉强度达到时出现明显的转折点或突变（应变释放），比荷载-位移曲线更敏感地指示初始裂纹萌生。

裂缝发展阶段：曲线斜率变化反映刚度退化，与裂缝稳定扩展、快速扩展阶段对应。

1、横梁加载点处位移分析：

位移/应变场解算

在DIC软件中提取横梁左右两侧相同点位置，绘制出该点位移和应变的曲线图：

2号点位移曲线&3号点位移曲线

2、横梁跨中处位移分析：

位移/应变场解算

在DIC软件中提取横梁取跨中处关键点，绘制出该点位移的位移曲线图：

0号点位移曲线&1号点位移曲线

3、裂纹宽度测量与扩展分析

原理：DIC计算得到的全场三维位移场是测量裂缝宽度的基础。

方法：

1、裂缝识别：基于最大主应变云图或位移不连续区域，在DIC软件中识别并定义裂缝路径。

2、点对设置：在已识别的裂缝两侧（垂直于裂缝方向）定义一组或多组虚拟点对。点对的初始间距在未开裂状态或参考图像中确定。

3、宽度计算：DIC软件可自动计算沿裂缝路径上多点对的宽度值。

4、宽度演变曲线：绘制特定位置（如跨中裂缝最宽处）或沿裂缝长度的平均裂纹宽度随荷载或时间（挠度）变化的曲线。可绘制不同位置裂缝的宽度曲线进行对比。

横梁加载裂纹解算

在DIC软件中，取横梁左右两侧裂纹位置的关键点，将该点数据导出，可绘制出该点点距离的绝对值曲线图。

6号点距曲线&13号点距曲线

DIC技术应用价值

1、非接触、全场、连续：无需接触裂缝边缘，可在加载过程中连续、自动地测量沿裂缝路径任意位置的宽度。

2、高精度与分辨率：精度可达亚像素级（通常优于0.01mm），分辨率取决于散斑大小和相机分辨率。

3、量化扩展过程：精确记录裂缝从微张开到宏观扩展的全过程，捕捉裂缝宽度随荷载增长的规律（线性、非线性加速等）。

4、评估配筋与材料影响：通过对比不同配筋率、不同混凝土强度或掺合料的梁，DIC数据可定量分析这些因素对裂缝间距、宽度、扩展模式的影响，为优化设计和材料选择提供依据。

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，可以实无损、连续地监测混凝土结构加载全过程，精确识别初始开裂点和位置，直观呈现全场位移和应变演变，揭示裂缝萌生与扩展机理，自动、定量、连续地测量沿裂缝路径的宽度及其发展，提供丰富、精准的实验数据，可用于深入理解混凝土结构破坏机理、验证和改进理论模型、指导工程设计与评估，为提升结构安全性和耐久性提供重要的数据依据。