多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)在變形灌漿套筒單向拉伸試驗中的應(yīng)用

戴云彤 鄭永峰 管東芝 蔣漢陽 郭正興 楊?？?何小元

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)

多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)在變形灌漿套筒單向拉伸試驗中的應(yīng)用

戴云彤 鄭永峰 管東芝 蔣漢陽 郭正興 楊?？?何小元

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)

為研究鋼筋套筒灌漿連接的受力性能,建立了適用于大曲率復(fù)雜曲面變形測量的多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng),并利用此系統(tǒng)對一種變形灌漿套筒進(jìn)行了單向拉伸試驗,跟蹤測量了套筒表面的全場變形信息.結(jié)果表明:多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)能夠完整重建灌漿套筒的三維形貌,并獲得套筒表面任意位置的變形狀態(tài),包括傳統(tǒng)應(yīng)變片方法難以測量的套筒變形段凹槽處變形;將套筒表面應(yīng)變分布規(guī)律與應(yīng)變片測試結(jié)果和有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比,證實了多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)的可靠性.多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)為研究灌漿套筒的連接性能提供了直觀且全面的新試驗手段,也為大曲率復(fù)雜曲面的三維形貌與變形測量提供了有效的測試方法.

鋼筋套筒灌漿連接;變形灌漿套筒;多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān);變形測量;單向拉伸

作為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一,鋼筋套筒灌漿連接是指在鋼筋與加工的套筒連接器之間填充高強(qiáng)快硬的無收縮灌漿料,依靠漿料凝固硬化后材料間的黏結(jié)咬合作用來完成鋼筋連接.國內(nèi)外眾多研究者們已對該連接方式進(jìn)行了理論和試驗研究[1-3].已有的試驗研究都是利用電阻應(yīng)變片測量套筒表面的應(yīng)變分布,以研究灌漿套筒的受力性能.傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變測試方法屬于單點測量,所得結(jié)果僅為測點范圍內(nèi)的平均值,存在一定的局限性.光學(xué)測量方法因其無損、全場測量等特點,已被廣泛應(yīng)用于變形測量中.其中,三維數(shù)字圖像相關(guān)(3D-DIC)測量方法[4],以其非接觸、無損、全場測量等優(yōu)勢,在實驗力學(xué)和工程應(yīng)用中獲得了成功應(yīng)用和較好發(fā)展[5-6].然而,灌漿套筒形狀基本為圓柱形或紡錘形,3D-DIC方法在測量此類大曲率復(fù)雜曲面試件時具有明顯的缺陷:① 視場受限.受曲率影響,被測表面不同位置在視場中會相互遮擋,易產(chǎn)生視覺盲點;受鏡頭景深影響,容易散焦.② 分辨率降低.為了讓視場完整清晰地覆蓋整個曲面,需要改變鏡頭配置或者調(diào)節(jié)相機(jī)工作距離,從而損失空間分辨率.

為解決以上問題,將3D-DIC方法與多相機(jī)同步采集系統(tǒng)相結(jié)合,形成多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)(MC-DIC)系統(tǒng),以實現(xiàn)基于聚類方法的大曲率復(fù)雜曲面的全表面測量.MC-DIC系統(tǒng)利用多個相機(jī)拍攝被測表面不同的小區(qū)域,通過系統(tǒng)標(biāo)定將測量點的坐標(biāo)值統(tǒng)一至同一整體坐標(biāo)系下,獲得被測表面連續(xù)的全場三維變形信息.本文利用由4個相機(jī)組成的MC-DIC系統(tǒng),對單向拉伸荷載下文獻(xiàn)[3]中的變形灌漿套筒的全場變形進(jìn)行了跟蹤測量.

1 測量原理

為解決3D-DIC方法在測量如GDPS套筒這類大曲率復(fù)雜曲面試件時存在的問題,將3D-DIC方法和多相機(jī)同步采集系統(tǒng)相結(jié)合,建立了基于聚類方法的MC-DIC系統(tǒng),以實現(xiàn)大曲率復(fù)雜曲面的全表面測量.以半徑為R的圓柱為例(見圖1),將被測圓柱面展開成一個長為2πR的長形面,全周表面被分成若干個小區(qū)域,利用多個相機(jī)組成的若干個3D-DIC子系統(tǒng)分別拍攝這若干個小區(qū)域.為實現(xiàn)連續(xù)的全周變形測量,對于表面任意一點,必須存在至少2個相機(jī)進(jìn)行觀測,且相鄰的小區(qū)域之間需要有一定的視場重疊區(qū)域.按照以上要求布置相機(jī)后,對采集到的圖像組進(jìn)行3D-DIC運(yùn)算.即對圖像中每一個子區(qū)進(jìn)行立體匹配,若子區(qū)僅在一組3D-DIC子系統(tǒng)測量范圍中,則直接進(jìn)行三維重構(gòu);若子區(qū)同時在2組及以上3D-DIC子系統(tǒng)測量范圍(如相鄰子區(qū)域的視場重疊區(qū)域)內(nèi),則選擇殘差較小的3D-DIC子系統(tǒng)作為該子區(qū)的最佳計算系統(tǒng),并進(jìn)行三維重構(gòu).根據(jù)系統(tǒng)標(biāo)定將多個相機(jī)中測量點的坐標(biāo)值統(tǒng)一至同一整體坐標(biāo)系下,進(jìn)而獲得被測表面連續(xù)的三維變形場.詳細(xì)原理可參見文獻(xiàn)[7-8]中用于板形試件測量的多相機(jī)系統(tǒng).

圖1 多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)示意圖

文獻(xiàn)[9]中的離散化360°全周變形測量系統(tǒng)由8個相機(jī)組成4套3D-DIC子系統(tǒng)搭建而成,4套子系統(tǒng)單獨(dú)標(biāo)定,相互獨(dú)立,僅能測量被測表面不同部位的離散化變形數(shù)據(jù),無法獲得具有連續(xù)性的全周變形場.Wang等[10]提出的多相機(jī)系統(tǒng)也由多套3D-DIC子系統(tǒng)組成,每個子系統(tǒng)由獨(dú)立的相機(jī)對構(gòu)成,單獨(dú)標(biāo)定并測量被測表面不同部位的變形,然后通過三維拼接將不同子系統(tǒng)獲得的形貌和變形數(shù)據(jù)拼接形成全局點云.文獻(xiàn)[11]中對圓柱的全周變形進(jìn)行測量前,利用單相機(jī)重構(gòu)一個標(biāo)準(zhǔn)物的三維坐標(biāo),然而此標(biāo)準(zhǔn)物難以獲取,且標(biāo)定過程較為繁瑣.與上述多相機(jī)系統(tǒng)不同,本文提出的MC-DIC系統(tǒng)利用普通3D-DIC的平板標(biāo)定板進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定,將多個相機(jī)統(tǒng)一至同一整體坐標(biāo)系下,能夠獲得柱形試件表面連續(xù)的全周變形場,且相機(jī)數(shù)量不局限于偶數(shù).該系統(tǒng)已被成功應(yīng)用于口腔印模的復(fù)雜表面形貌測量中[12],下面將進(jìn)一步開展其在大曲率復(fù)雜曲面應(yīng)變測量方面的研究.

為驗證MC-DIC系統(tǒng)的可靠性,在GDPS套筒一側(cè)半表面上粘貼軸向應(yīng)變片,另一側(cè)半表面由MC-DIC系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測.本文提出的MC-DIC系統(tǒng)包含2個3D-DIC子系統(tǒng)(見圖2),每個子系統(tǒng)測量套筒表面的1/3區(qū)域,2個子系統(tǒng)的視場重疊區(qū)域約為套筒表面的1/6區(qū)域.整套系統(tǒng)中,2個相機(jī)先相互串聯(lián)構(gòu)成子系統(tǒng),2個子系統(tǒng)再分別由火線連接到電腦的2個采集卡上.每個相機(jī)均與硬同步觸發(fā)控制連接,保證4個相機(jī)圖像采集的同步性.

圖2 4個相機(jī)組成的MC-DIC系統(tǒng)示意圖

2 試驗

本文研究的GDPS套筒采用無縫鋼管通過滾壓工藝?yán)浼庸ざ?鋼管外徑為42 mm,壁厚3.5 mm,鋼材彈性模量為206 GPa,屈服強(qiáng)度為395 MPa,抗拉強(qiáng)度為495 MPa,伸長率為20.5%.如圖3所示,套筒外表面存在多道環(huán)狀倒梯形凹槽,相應(yīng)的套筒內(nèi)表面設(shè)置多道凸環(huán)肋,可以有效提高套筒與內(nèi)部填充灌漿料以及套筒與外部混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度.下面以兩端凹槽數(shù)量為3道、連接鋼筋直徑為16 mm、鋼筋錨固長度為5d的GDPS套筒為例,闡述MC-DIC系統(tǒng)在灌漿套筒單向拉伸試驗中進(jìn)行變形測量的可靠性和有效性.

圖3 GDPS套筒

試件在MTS試驗機(jī)上進(jìn)行單向拉伸,鋼筋斷裂或被拔出時終止加載.試驗裝置見圖4,主要包括4個分辨率為2 448×2 048 像素的Point Grey GRAS-50S5M-C型工業(yè)相機(jī)(像元尺寸為3.45 μm)、4個焦距為25 mm的Kowa鏡頭和2個電壓為250 V、功率為25 W的LED光源.試驗中每加載5 kN,記錄一次應(yīng)變片數(shù)據(jù)并采集一次圖像.

圖4 試驗現(xiàn)場與試件

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 荷載-位移曲線

試驗中觀察到的破壞形態(tài)為套筒外鋼筋被拉斷破壞,灌漿套筒起到了有效的鋼筋連接作用.如圖5所示,與單根鋼筋拉伸相似,灌漿套筒的荷載-位移曲線大致分為4個階段:① 曲線上升段,荷載和位移呈線性關(guān)系,套筒內(nèi)鋼筋與灌漿料之間相互擠壓;② 水平段,屬于鋼筋屈服階段;③ 二次上升段,即鋼筋強(qiáng)化階段,套筒內(nèi)鋼筋與灌漿料之間充分?jǐn)D壓;④ 下降段,即鋼筋頸縮階段.

圖5 荷載-位移曲線

3.2 套筒形貌重構(gòu)及應(yīng)變對比

為了驗證MC-DIC系統(tǒng)在大曲率復(fù)雜表面測量時的優(yōu)勢,先后采用傳統(tǒng)雙相機(jī)3D-DIC系統(tǒng)與MC-DIC系統(tǒng)對同一個GDPS套筒進(jìn)行三維重構(gòu).圖6為雙相機(jī)3D-DIC系統(tǒng)重構(gòu)出的套筒三維形貌.由圖可知,套筒兩側(cè)的大部分形貌有所丟失,僅能恢復(fù)中間區(qū)域的三維形貌,且變形段凹槽處的形貌不能較好地恢復(fù),存在較多缺口.相比之下,MC-DIC系統(tǒng)可以完整地恢復(fù)出套筒三維形貌(見圖7),能夠獲得套筒表面任意位置處的變形信息,包括應(yīng)變片難以測量的套筒變形段凹槽處變形.

由于軸向應(yīng)變片得到的是應(yīng)變片長度范圍內(nèi)的平均應(yīng)變,因此,提取應(yīng)變片粘貼位置處軸對稱區(qū)域的MC-DIC系統(tǒng)所有計算點的應(yīng)變平均值作

(a) 三維散斑圖

(b) 三維形貌云圖

(a) 三維散斑圖

(b) 三維形貌云圖

為MC-DIC系統(tǒng)的測量結(jié)果,并與應(yīng)變片數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,結(jié)果見圖8.由圖可知,MC-DIC系統(tǒng)的應(yīng)變測量結(jié)果與應(yīng)變片測試結(jié)果趨勢一致.在加載前期,兩者的數(shù)值較為吻合;隨著拉伸量的增大,兩者的相對誤差也隨之增大.引起誤差的原因主要為,MC-DIC系統(tǒng)取值區(qū)域與應(yīng)變片粘貼區(qū)域并非同一區(qū)域,僅為軸對稱位置,試件內(nèi)部鋼筋、灌漿料、套筒三者之間的相互作用并非完全對稱,尤其是在加載后期套筒內(nèi)鋼筋與灌漿料之間充分?jǐn)D壓,導(dǎo)致套筒兩側(cè)對稱位置的外表面應(yīng)變不完全一致.

3.3 套筒應(yīng)變分布規(guī)律

圖9為MC-DIC系統(tǒng)計算得到的GDPS套筒表面軸向應(yīng)變分布圖.由圖可知,套筒的光滑段和變形段表現(xiàn)出不同的應(yīng)變分布規(guī)律:套筒中部光滑段的軸向應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變,并且由中間向兩側(cè)減小;在套筒兩端變形段中,凹槽間的軸向應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變,凹槽處有應(yīng)變集中現(xiàn)象,第1道凹槽處尤為明顯.隨著拉伸的進(jìn)行,套筒外表面應(yīng)變逐漸增大.MC-DIC系統(tǒng)得到的軸向應(yīng)變云圖與文獻(xiàn)[3]中有限元分析得到的軸向應(yīng)力云圖分布規(guī)律一致.

(a) 應(yīng)變片粘貼區(qū)域及MC-DIC系統(tǒng)取值區(qū)域

(b) 對比曲線

圖9 MC-DIC系統(tǒng)獲得的不同荷載下GDPS套筒 表面軸向應(yīng)變分布圖

圖10為套筒表面不同區(qū)域的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線.由圖可知,套筒中部光滑段(Z5～Z9區(qū)域)的軸向應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變;套筒兩端變形段凹槽間(Z1,Z3,Z11,Z13區(qū)域)的軸向應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變;凹槽處(Z2,Z4,Z10,Z12區(qū)域)的軸向應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變,其應(yīng)變值明顯大于其他位置.套筒外表面各位置處的軸向應(yīng)變基本隨加載呈線性增長.圖11為套筒軸向應(yīng)變分布圖.由圖可知,套筒的軸向應(yīng)變沿套筒長度方向的分布曲線為近似對稱分布,曲線分為3段,左、右段對應(yīng)套筒變形段的應(yīng)變,中部對應(yīng)套筒光滑段的應(yīng)變.套筒光滑段軸向應(yīng)變由中部向兩端衰減;變形段凹槽間承受壓應(yīng)變,凹槽處承受拉應(yīng)變并向套筒端部衰減,且凹槽處的拉應(yīng)變值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他位置.上述結(jié)果與文獻(xiàn)[3]中應(yīng)變片測試得到的分布規(guī)律一致.

(a) 套筒表面不同區(qū)域編號

(b) 荷載-套筒軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

圖11 套筒軸向應(yīng)變分布圖

4 結(jié)語

針對GDPS套筒這類大曲率復(fù)雜曲面試件的變形測量,本文建立了由4個相機(jī)組成的多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng),對單向拉伸荷載下的GDPS套筒進(jìn)行了跟蹤測量.結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠完整地重構(gòu)出套筒的三維形貌,有效監(jiān)測套筒表面任意位置的變形過程,包括應(yīng)變片難以測量的套筒變形段凹槽處變形.MC-DIC系統(tǒng)的應(yīng)變計算結(jié)果與應(yīng)變片測試數(shù)據(jù)具有一致的變化趨勢,數(shù)值上也較為吻合.同時,加載過程中的應(yīng)變變化云圖與以往研究中的應(yīng)變片測試結(jié)果和有限元分析結(jié)果一致.利用MC-DIC系統(tǒng)對GDPS套筒表面進(jìn)行全場變形測量是可靠有效的.MC-DIC系統(tǒng)為大曲率復(fù)雜曲面的形貌與變形測量提供了新的測試手段.

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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

第47卷第1期2017年1月 東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol．47No．1Jan．2017DOI：10．3969/j．issn．1001-0505．2017．01．027

2016-05-30. 作者簡介: 戴云彤(1990—)，女，博士生；何小元(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，mmhxy@seu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(11272089，11327201，11332012，11532005)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(KYLX15_0094).

戴云彤，鄭永峰,管東芝，等.多相機(jī)數(shù)字圖像相關(guān)在變形灌漿套筒單向拉伸試驗中的應(yīng)用[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,47(1):159-163.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.01.027.

TU39.04; O348.1

A

1001-0505(2017)01-0159-05