DIC技术用于新型装配式框架节点抗震试验损伤研究

研究背景与目标

装配式钢结构建筑中，梁柱节点的连接性能是影响整体结构安全性与抗震能力的关键。钢管约束混凝土节点具有承载力高、延性好等优势，但其在复杂受力下的局部变形机制、应变分布规律及损伤累积过程尚缺乏精细观测手段。

数字图像相关（DIC）技术作为一种先进的非接触式全场变形测量方法，近年来在土木工程结构试验领域得到了广泛应用。本文以装配式钢管约束混凝土梁柱节点抗震性能试验为背景，介绍新拓三维DIC技术在节点核心区应变场分析、裂缝萌生与扩展追踪、破坏模式判别等方面的典型应用。研究表明，DIC技术能够有效克服传统接触式测量方法的局限性，为装配式节点的力学行为分析和设计优化提供实验数据支撑。

梁柱节点监测核心难点

装配式钢管约束混凝土梁柱节点。通常采用端板、螺栓、法兰等连接件实现梁柱的快速拼装。然而，这类节点在地震作用下的受力性能、破坏模式及失效机理尚需深入研究。

▶ 装配式节点在反复荷载下，柱端钢管局部屈曲行为难以量化；

▶ 传统方法无法捕捉核心区三维应变演化与破坏模式的关联性；

▶ 需建立考虑损伤累积的节点滞回模型指导工程应用。

DIC技术解决方案

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，可监测试件柱端表面应变，观察其破坏模式，分析关键节点的滞回曲线、延性和耗能能力等抗震性能指标，有助于建立适合于装配式节点的修正损伤模型，为装配式框架结构工程应用提供理论与试验支撑。

▶ DIC技术可实时监测柱端表面三维应变场，关联破坏模式；

▶ 基于全场位移数据提取滞回曲线、延性、耗能能力等抗震指标；

▶ 构建修正损伤模型，为装配式框架设计提供依据。

DIC技术具体应用

梁柱试件：装配式钢管约束混凝土梁柱节点试件。核心区采用钢管约束高强混凝土，梁柱通过高强螺栓连接的环形端板实现装配式连接。试件表面喷涂高对比度、细密、稳定的随机散斑图案。

加载方式：采用拟静力低周分级往复循环加载，模拟地震作用。加载装置配备力传感器和位移传感器。

DIC关键监测区：DIC系统采集帧率与加载设备位移/力信号严格同步；DIC系统测量幅面4*3米，重点观测节点核心区、柱端钢管壁（屈曲敏感区）、环板连接区域、梁端塑性铰区域。

DIC技术关键应用与成果

1、全场变形模式可视化

XTDIC三维全场应变测量系统，可清晰捕捉节点在各级荷载下的整体变形模式：如梁的弯曲变形、核心区的剪切变形；局部相对位移：如环板与钢管/混凝土之间的微滑移、螺栓孔附近的变形。

梁柱节点横向位移场

顶部关键点位移分析：

提取梁端顶部角点位移，绘制“顶点左右运动-荷载曲线”。顶点位移滞回曲线（DIC数据直接输出），此关键位移参数与梁柱刚度变化密切相关。

梁柱顶部关键点位移分析

梁柱顶点左右运动曲线

价值：直观验证了节点位移由弹性均匀分布→塑性局部集中的渐变过程情况，揭示了装配式连接在反复荷载下的工作性能。

2、应变场映射与应力集中识别

DIC技术分析节点关键区域（尤其是环板边缘、钢管角部、核心区混凝土表面）的全场面内应变分布和主应变/方向，可精确识别最大拉/压应变位置及其随荷载的变化。

关键发现：环板与钢管焊接根部，钢管约束混凝土交界面附近存在显著的应变集中，是潜在的损伤萌生点。核心区混凝土在剪切作用下，表现出明显的斜向主压应变带。

混凝土梁柱节点应变场

价值：为评估节点应力状态、识别薄弱环节提供了直接、详尽的实验证据，远超传统点式测量的信息量。

3、裂缝萌生、扩展与损伤演化全过程监测

成果：DIC技术通过分析位移场不连续性和局部高应变区域，精确捕捉混凝土表面微裂缝的萌生位置、开裂时刻、扩展路径和宽度变化，监测钢管局部屈曲的发生与发展过程。

循环荷载下，微裂纹沿节点扩展，同时核心区混凝土出现斜向剪切微裂缝；大位移角下，核心区混凝土裂缝贯通，形成明显剪切斜裂缝带，环板局部区域应变剧增，最终破坏模式（核心区混凝土压溃、环板撕裂或屈曲）。

DIC识别的裂缝萌生、扩展序列图

DIC分析裂纹宽度曲线

价值：动态、定量地揭示了节点在反复荷载下的损伤累积机理和失效路径，为建立更准确的数值模型和损伤评估方法提供了基础。

4、节点性能定量评价

利用DIC全场数据，可计算节点核心区的剪切变形、梁端转角、塑性铰区长度等关键性能参数，评估节点的刚度退化、耗能能力、延性系数。

价值：为评价节点抗震性能提供了更全面、更可靠的实验数据支撑。

节点循环加载破坏情况

研究结论与DIC价值体现

本案例展示了数字图像相关（DIC）技术在“大尺寸装配式节点”等变形监测与破坏模式分析中的重要贡献。数字图像相关（DIC）技术在全场测量、数据丰富性、验证数字模型方面具有显著优势。与点传感器不同，DIC能够提供完整的位移场和应变场，从而可以精确识别应力集中与损伤的区域，例如节点周围或裂纹位置和扩展过程。通过提取关键点的位移曲线，能够以无与伦比地分析节点的滞回曲线、延性和耗能能力等抗震性能指标。

然而，DIC测量方法并非没有挑战。测量质量很大程度上取决于实验条件，特别是校准、光照和散斑。准备工作不足会引入偏差，尤其是在高应变率下。此外，循环加载会产生显著的裂纹损伤，接触式测量方案难以动态捕捉，这凸显了将数字图像相关法（DIC）的可靠性与更广的应用价值。

与其他测量方法相比，数字图像相关法（DIC）的优势在于能够提供现象的全面视图，而应变计只能提供特定的数据点，这些数据点通常不足以验证复杂的3D模型。与仅限于测量加速度的加速度计不同，DIC可以直接捕捉全场应变，可对装配式框架结构性态水平进行参数量化，为抗震性能评估及适用适配性提供实验数据依据。