混凝土裂纹扩展过程的测量方法研究.pdf
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1、第 4期 ( 第 3 3 5 期) 吉 林 水 利 2 0 1 0年 4月 文章编号 1 0 0 9 2 8 4 6( 2 0 1 0 )0 4 0 0 2 7 0 3 混凝土裂纹扩展 过程 的测量方法研究 孙荣书 ,孙博,朱朝艳,王学志 ( 辽 宁工业大学 土木建筑学院,辽宁 锦 州 1 2 1 0 0 1 ) 摘要 介绍 了数字散斑法 、光弹性贴片法和云纹干涉法三种 测量方 法的发展 现状 ,这三种方法都可 用于正确测定混凝 土断裂参数和观测混凝土失稳断裂前裂缝扩展过 程。通过对三种方法 的优 劣对 比分析表明数 字散斑 法对太 多数 混凝土 断 裂实验研 宄有更好 的适用性 。 关键词
2、数字散斑 ,光弹贴片 云纹干涉;裂缝扩展过程 中图分类号TV 3 1 3 文献标识码 B 混凝土是一种多相复合材料其破坏和断裂机 理非常复杂,要了解混凝土断裂机理解决混凝土 结构物的裂缝扩展问题 ,首先需要正确测定混凝 土断裂参数和了解混凝土失稳断裂前裂缝扩展过 程与缝端附近区域的物理特性及其力学行为。因 此 ,在混凝土断裂力学研究 中直接观察混凝土试 件失稳断裂前裂缝稳定扩展过程对于进一步研究 混凝土的断裂机理和断裂特性有着重要的学术意 义和实际应用价值。 目前,光弹性贴片法 、云纹 干涉法、数字散斑法在观测混凝土裂纹扩展过程 应用最为广泛 ,本文对它们的研究现状作了介绍 并总结出这三种观测
3、方法的优缺点。 1 光弹性贴片法 光弹性贴片法将传统 的光弹性试验扩展用于 测量任何 结构材料制成 的不透 明模 型的表面应 变 。贴片是一薄层双折射材料 ( 通常是一种高聚 物) ,它是整片地 贴在需要 分析的原 型平 面上。 当原形受载 ,其表面应变即传递给贴片 ,以使原 型的应变场在贴片中再现 ( 需引入贴片厚度修正 系数) 。为使光路能在界面处反射 ,贴片是用一 种反射型胶粘剂粘贴的。当通过白光反射式光弹 性仪观察时,感受到应变的贴片即出现黑色的等 倾线和彩色的等差线。等倾线条纹提供主应变的 方向。当用正射光观察时 ,等差线条纹提供的是 主应 变差 ( 最大 切应变) ;当用 斜射光观
4、察 时, 它们提供的附加数据 ,可用来确定单个主应变的 数值和符号。全场的等倾线和等差线图案 ,可用 简单的反射式光弹性仪直接进行观察 ,也可拍摄 下来 ,以供事后分析。采用较先进的仪器 ,可用 补偿器逐点分析条纹图案 ,来确定条纹级数 ,并 将应变数值在数字读出装 置上显示出来 。 光弹性贴片法这一概 念,是 1 9 3 0年法 国梅 斯纳杰( M Me s n a g e r )首先提 出的,1 9 3 7年德 国奥普尔 ( Op p e 1 )再 次试验 验证。梅斯纳杰 曾 试将玻璃 片粘贴 到结 构上 ,但 由于玻璃 加工 困 难 ;弹性模量高 ,引起显著的增强效应 ;缺乏适 合的胶粘
5、剂将玻璃粘到结构上,致使这种方法未 能得到发展 。奥普尔 曾经使用 平的酚醛 塑料薄 片 ,也 由于薄片产生严 重的 “ 时间边缘 效应” , 缺乏牢固的胶粘剂 ,并且 只能用于平面,致使这 种方法未能在实际中得到应用 。 五十年代 ,有了环氧树脂 ,便能制成所需的 高强度胶粘剂和时间边缘效应相当低的光弹性贴 片。这时,由于法国的弗勒里 ( F l e u r y )和赞德 曼(Z a n d ma n) , 美 国 的 德 阿 戈 斯 汀 诺 ( D A g o s t i n o ) ,朱克 ( D r u c k e r ) ,以及 13 本 的河 田幸三等人在材料 、实验技术和仪器方面
6、所作的 贡献 ,致使光弹性贴片法获得迅速 的发展。 随着环氧树脂贴片材料和胶粘剂、薄片成形 技术和分析方法的发展 ,贴片法便获得普遍 的采 用 l l 。 2 云纹干 涉方法 云纹干涉法是八十年代初兴起的一种具有大 收稿 日期2 0 1 0 0 2 一O 8 基金项 目:国家 自然科 学基金资助项 目 ( 5 0 7 0 9 0 1 3 ) ,辽 宁省教 育厅科 学技术研 究项 目 ( 2 o o 6 B o 5 2 ) 作者简 介孙 荣书 ( 1 9 7 6 一) ,男 ,硕士 。讲师 ,研 究发展 方向 一 27 吉林水利 混凝土裂纹扩展过程的测量方法研究 孙荣书等 2 0 1 0年 4月
7、 量程、极好的条纹质量、非接触测量 、实时全场 观测和分析的高灵敏度的光学测量方法 ,通常使 用频率为 6 0 0 2 4 0 O线 ram 的高密度光栅 ,其 位移测量灵敏度 比传统的云纹法高几十倍甚至上 百倍。因此被誉为是八十年代以来实验力学领域 中的最重要的成果。云纹干涉法的发展过程从八 十年代初 ,D P o s t 将 高密度衍射光栅技术 引入 光测力学 ,提出云纹干涉法开始,此后便在国内 外迅速地发展起来。之后,戴福隆教授利用波前 干涉理论 ,科学地解释了云纹干涉法的基本原理 2 ,为云纹干涉法发展奠定了理论基础。迄今 为止,云纹干涉法在基本原理 、实验技术和测量 精度方面都得到了
8、很大的发展和改善。云纹干涉 法主要用 于物 体 面 内位移 场 ( U ,v ) 的测 量, 具有灵敏度高、条纹清晰、非接触和实时全场观 测等优点 。它在复合材料力学 ,断裂力学、细观 力学、微 电子封装等诸多方面都获得成功的应 用 ,解决了许多实际问题 。云纹干涉法是以试件 表面的高灵敏度云纹光栅作为变形 的传感载体 的,因而高质量的高灵敏度云纹光栅的制作及其 复制 也 成 为 该 方 法 推 广 应 用 的 关 键 技 术。 D P o s t 教授和戴福隆教授合作采用可动光源和 光刻技术制作全息位相型光栅 ,消除了散斑引起 的全息光栅的噪声,从而提高了全息光栅 的衍射 频率 。伍小平教授
9、等人用离子束方法制备了高密 度光栅。1 9 8 7年 ,A S k o b a y a s h i 所采 用 的三 步法复制高频光栅技术和光刻胶快速复制光栅技 术降低了刻栅的难度和成本,为云纹干涉法在普 通光学 实 验室 的应 用 提供 了可 能。D P o s t和 J D wo o d于 1 9 8 9年采用了高温复制光栅技术 和变形光栅复制技术 3 P I f j n和 D P o s t 在 1 9 9 1 年采用 等离 子蚀 刻 技术 制 出了零厚 度高 频光 栅【 4 ,使云纹干涉法可用于高温高压环境下的位 移测量。 近年来,云纹 干涉法 的应用 研究取得 了进 展 ,从宏观到细观
10、 ,从常温到高低温从静态到动 态 ,都存在有云纹干涉法成功应用的例子 无论 是在固体力学的基本规律研究中,还是在固体力 学与材料科学、生物科学、微电子学等学科的交 叉领域中,云纹干涉法都在发挥着重要的作用。 3 数字散斑法 数字散斑法也称数字相关散斑测量方法 ,这 种测量方法可分为相关搜索和相关迭代两种方 一 2 8一 法 。相关搜索方法测量的结果 只包含位移参量 , 而应变的获得是通过位移求导而求出;相关迭代 方法 的测量结果包含有位移和应变两组信息,是 一 种全场应变测量方法 。目前,国内学者大多采 用的是相关搜索方法 5 ,6 ,经过国内学者 的 努力,位移测量的灵敏度已达 0 0 1
11、0 0 5 p i x e l s C 6 2 。在数字相关散斑测量方法的应用研究方面 , 正朝着从常规材料 到新 兴材料 的测 量 7 ,8 , 从弹性问题测量到弹塑性问题测量 9 2 ,从常温 测量到高温测量,从宏观测量到细观测量的趋势 向前发展 E l 0 。纵观数字散斑相关 测量方法 的 发展历程和所取得的成果 ,可以发现数字相关测 量方法已经成为现代光测力学领域中引人注目的 新的测试方法。由于这 种方法基 于 C C D技术 , 计算机视觉技术 ,同时更 容易与显微技术结合 , 所以它必将在细观测量 、新材料研究和弹塑性应 力应变分析以及高温测量方面发挥重要的作用 。 3 1 数 字
12、散斑 相关 的基本 原理 在数字散斑相关实验 中,需要采集物体变 形前后的两幅散斑图像 ,这里分别将这两幅图像 表示为 f( x ,y )和 g( X ,y ) ,数字散斑相关计 算的基本思想就是在变形前的图像 f( X ,y )中 选取一个子区 ( 一般为矩形) ,利用 子区 中的散 斑灰度信息,在变形后 的图像 g( X ,y )中寻找 其所对应的位置 ,从而获得子 区位置和形状的变 化,从这些信息中,可以得到物体在这一点上的 位移和应变的数值 。 因此相关计算首先需找一组合适 的变量来表 征变形前后图像中子区的位移和变形 ,然后建立 一 个衡量图像相似的数学标准 ,以此判断在图像 g (
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