一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于电测与光测方法研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法， 尤其涉及一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法，属于混凝土断裂损伤分析技术领 域。
【背景技术】
[0002] 混凝土结构的裂缝是建筑研究上的高难课题，其设计理论体系发展大致可分三个 阶段：断裂力学分析阶段、塑性分析阶段、弹性分析阶段；断裂力学作为专门研究带裂缝固 体强度及裂缝扩展规律的科学，可有效且合理地分析混凝土结构的响应。
[0003] 半世纪来，国内外研究学者相继提出了适用于混凝土类非线性材料的断裂模型， 如虚拟裂缝模型、双参数断裂模型、双K断裂模型等等；其中，我国徐世烺教授提出的双K断 裂模型汲取前人模型优点，将混凝土裂缝前端断裂过程区的粘聚力与可解析的应力强度因 子概念相结合，完整描述了混凝土破坏全过程。
[0004]目前国内的结构物裂缝的检测方法，至今也没有具备广泛普及潜力的数字化检测 和分析专用设备；虽然也有一些混凝土裂缝检测仪问世，但这些仪器大多都由稳压源、传感 器、显示装置等组成，其主要是针对大型混凝土建筑物的检测，如对大坝、大型渡槽、桥梁等 结构内部混凝土浇灌情况进行检查，而对于一般性的民用建筑出现的结构物外部裂缝性问 题的检查，作用则显得十分有限；因此，在这种情况下，迫切需要一种省时省力、高效、精确、 成本低廉、检测自动化的检测方式来替代以往传统方式，而电测与光测相结合正是一种有 效而有实际的方法。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术的不足，本发明提供一种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方 法；将光测法DIC技术与传统的电测方法相结合，进行楔入劈拉试件的断裂试验；结合双目 立体视觉技术，采用高速摄像机，实时采集试件各个变形阶段的散斑图像，利用光学系统全 场测量提供的局部和全局应变分布和裂纹生长信息，确定混凝土的起裂韧度；通过对混凝 土断裂韧度这一性能指标的进一步研究，有效防止新建混凝土结构的危害性裂缝的发生。
[0006] 本发明所采用的技术方案为：
[0007] -种研究混凝土断裂过程区材料力学行为方法，包括以下步骤：
[0008] (1)制作原级混凝土试件；在试件顶部预制裂缝，粘结钢块；
[0009] (2)测量试件外形尺寸和楔形加载架的质量；
[0010] (3)在试件的预制裂缝尖端两侧设置应变片；在试件底部标出四分点的位置；
[0011] (4)将试件通过加载滑轮连同楔形加载架安装到试验机上；在预制裂缝中间安装 刀口薄钢板；在试件顶端的两侧固定设置夹式引伸仪；用于测量试件在试验时裂缝开展的 线性位移；
[0012] (5)通过试验机对试件进行加载，加载的同时，利用动态应变仪通过应变片采集数 据；利用高精度CCD相机对试件表面图像进行采集；直至试件被破坏；
[0013] (6)对采集数据和采集图像进行处理分析，得到分析结果。
[0014] 进一步，所述试件根据测试材料制作有至少一组；一组里包括多个相同的试件，且 对每组里多个试件在24小时内进行试验处理分析。
[0015] 进一步，步骤（1)所述试件的尺寸为300mmX300mmX200mm;所述裂缝的缝宽为 3_± 1_;缝长为150_±2mm;所述钢块的厚度为30_± 1_，宽度为75_± 1_。
[0016] 进一步，所述粘结钢块包括对所述试件粘贴面进行打磨的步骤，且所述钢块通过 环氧类结构胶与所述试件粘贴固定。
[0017] 进一步，步骤（1)所述制作原级混凝土试件包括以下步骤：
[0018] A、将原级配混凝土拌合物浇筑在提前做好的试模内，对其进行振捣、成型；
[0019]B、拆模、编号、养护，直至规定的试验龄期。
[0020] 进一步，所述高精度C⑶相机包括百万像素镜头。
[0021] 进一步，步骤（5)所述的图像采集过程中还包括利用高亮LED直流光源进行补光 的过程。
[0022] 进一步，步骤（6)所述对采集数据和采集图像进行分析处理包括以下步骤：
[0023]A、弹性模量E的计算：
[0024]
[0025]式中：
[0026] a。是预制裂缝长度；h。是刀口薄钢板的厚度；h是试件高度；
[0027] Cl是时间的初始V/F值，F为对试件施加的力，V为夹式引伸仪在试件上测得的裂 缝张开位移，由试件F-V曲线的上升段之直线段上任一点的V、F计算，Cl=V夕匕；
[0028] B、临界有效裂缝长度的计算：
[0029]
[0030]式中：
[0031]h。是刀口薄钢板的厚度；Vc是裂缝口张开位移临界值；h是试件高度；
[0032]E是计算弹性模量；t是试件的厚度；FH_是最大水平荷载；
[0033] C、尖稳断裂韧庠的计筧：
[0034]
[0035]
[0036] FH_是最大水平荷载；t是试件的厚度；h是试件高度；a。是预制裂缝长度；
[0037] FH_应按下式计算：
[0038]
[0039] 式中：
[0040] m是楔形加载架的重量，若楔形加载架固定在试验机上则不计入；g是重力加速 度，取 9.81m/s2;
[0041] D、起裂韧度的计算：
[0044] FHQ是起裂水平荷裁：a_是有效裂絲长庠，
[0042]
[0043]
[0045] FHQ按下式计算：
[0046] 式中，FQ是起裂荷载；
[0047] 根据起裂韧度确定断裂韧度，所述断裂韧度以每组多个试件测得的起裂韧度算术 平均值作为试验结果，剔除掉超出平均值15%的试件；
[0048] E、裂缝图像分析：
[0049] 通过Matlab的ImageProcessing工具箱对采集到的裂缝图像进行处理和分析，所 述处理和分析包括裂缝定位、图像分割、裂缝宽度测量、裂缝长度测量、裂缝密度；具体分别 由裂缝定位、图像分割、裂缝宽度测量、裂缝长度测量、裂缝密度计算五个模块实现；
[0050] ①裂缝定位模块：
[0051] 主要通过人机交互的方式确定结构物图像中裂缝区域的范围，或需分析计算的范 围，以便进一步分析和测量计算；
[0052] ②图像分割模块：
[0053] 实现结构裂缝图像阀值化分割、形态学除噪、孔洞孔隙填充、边缘光滑、形态学重 构、边缘跟踪等一系列功能，最终获取裂缝边缘边界像素坐标数组；
[0054] ③裂缝宽度测量模块：
[0055] 通过距离函数找到分布于观测线两侧的相邻裂缝边界像素点，再通过插值求出观 测点和裂缝边缘的交点，最后求出观测线在裂缝之间的线段长度，所得即为观测线处的裂 缝宽度；
[0056] ④裂缝长度测量模块：
[0057] 在图像分割后的基础上，将图像转成黑白二值图像并置白后，再对图像中裂缝部 分标一记描述，最后描述属性选择裂缝外切椭圆的长轴长度，这是与目标物具有相同二阶 中心矩的椭圆的长轴，由于裂缝边缘是不规则的，进行累加计算后结果可以近似地认为等 于长轴；
[0058] ⑤裂缝密度计算模块：
[0059] 对已经标记的结构物裂缝二值图像的像素个数进行计算，得到的数值与结构物全 部观测区域图像的像素个数求商，得到的比值即为观测区域裂缝像素数所占比例，也就是 本研究提出的裂缝密度。
[0060] F、电测数据处理分析：
[0061] 将动态应变仪中获取的随时间变化的应变值收集存储在Excel中，将数据过滤去 噪后，根据试件加载时的受力分析得出测点处的真实应力计算公式
[0062]
[0063] 计算出相应测点处的应力值；
[0064] 式中：h为试件顶部未粘结钢块时试件的高度；a。为试件预制缝长；a为夹式引伸