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摘 要：在建筑结构的工作应力检测中，常采用电测——环孔法测量混凝土的工作应力，由于该方法操作难度大，在工程中实用度并不高。因此，本文将数字图像技术引入到混凝土工作应力测量中，结合应力释放法测试混凝土的实际工作应力。该方法可以有效的解决传统电测——环孔法测量工作应力时引线与环孔的相互干扰问题，并可以提高测量精度，可以推广到实际工程中去。
关键词：混凝土；工作应力；数字图像相关技术；环孔法
随着我国经济的快速发展，国内建成的建筑物数目急剧地增加，混凝土材料在工程中的运用也越来越广泛。一般建筑物的使用寿命为50～100年，在使用过程中混凝土结构是否安全直接关系到整座建筑物的成败，决定着人民的生命安全和财产安全，影响着我国国民经济的稳步增长。混凝土结构的安全性不仅仅取决于前期的勘察、设计及施工过程的技术和管理，很大程度上依赖于后期对混凝土结构的健康监测和加固修复。建筑物结构的实际工作应力是检测建筑物是否健康的重要指标，也是建筑物加固修复的重要参数。因此，对混凝土结构的建筑物实际工作应力的量测是很有必要的。
由于混凝土材料的是非均质、不等向的，内部有气孔和缝隙，加之它微观的内应力、变形和裂缝形态都很复杂，使混凝土工作应力的测量变得非常困难。因此，如何既简单又准确地测量混凝土的工作应力成为实际工程中难以解决的问题之一。虽然，目前有很多学者在该方面的做了不少的研究，得出了一些研究成果，混凝土建筑物的工作应力测量方法基本有了一个方向，但仍然没有得出一个权威有力的测量方法，所以对混凝土工作应力的测量方法需要做进一步的研究。
1 工作应力的测量方法
1.1 引言
目前，不同工程领域中工作应力的测量方法不同。最常用的测量方法可分为两大类，一类是混凝土无破损检测方法，另一类是半破损或微破损方法。采用无破损检测方法往往测量过程繁琐、要求高，且有很大的测量误差，所以目前工程中多采用微破损方法测量混凝土的工作应力，以应力释放法为主。环孔法是应力释放法的一种，其操作简单，直接可靠的特点，使得环孔法成为混凝土建筑物工作应力测量的主要方法。
1.2 环孔法
环孔法的基本原理是采用局部破坏使环孔内混凝土应力释放，通过测定环孔内混凝土的应力释放值来估计和推断结构的实际应力。在测量结构某点的工作应力时，没有必要将结构构件完全截断，实际只需要在测点的周围开一定深度的环孔，解除测试点周围的约束产生弹性变形，结构表面的应力得以重新分布，当环孔深度达到一定值时，测点处的工作应力完全释放出来，通过测量测点处的应变变化情况，就可以求出该点的实际工作应力。应力释放值的测量一般以电测法为主，即采用应变片测量环孔内的应力释放值。
电测——环孔法测量混凝土结构的工作应力虽然原理简单、操作方便，但在工程中并没有广泛使用，主要有三个方面的原因。第一应变片测量应变时，所测应变值是其敏感栅覆盖面积内构件表面的平均应变，不能获得整个在测量区域的全程应变；并且应变片的读数易受到温度、湿度以及粘贴剂的影响；粘贴位置稍微偏移以为影响测量精度。第二是适用性不强，应变片需要用引线与静态应变仪连接，因此引线和切孔会相互干扰，容易造成应变片损坏，难以获得测量结果。第三，由于混凝土材料具有非均质性、各向异性的特点，导致测量误差较大。因此，对已有混凝土结构的工作应力测量方法仍在探索之中。
2 工作应力测量方法的提出
由于采用环孔法与应变片结合测试混凝土内工作应力存在各种缺陷，难以高效、客观、准确地识别混凝土的实际工作压力。因此本文提供一种基于数字图像相关方法的混凝土工作应力测量方法。数字图像相关方法是一种光学测量方法，用于测量物体表面的位移及应变。基本原理是使用数字摄像机采集被测物体表面的变形前后的散斑图像，再对散斑图像进行对比的算法，得出物体表面变形过程的全场位移和全场应变。数字图像相关方法不仅具有非接触、全场测量等电测法无法比拟的优势，而且相对于其他光测方法具有实验设备和过程简单、对光源及测量环境要求较低、易于实现测量过程的自动化、使用范围广泛等优势。
2.1 VIC-3D全场应变测量系统
VIC-3D全场应变测量系统是采用的数字图像相关技术原理生产出来的一套测量物体全场应变的仪器，该系统再测量过程中只需2台数字摄像机用于图像的采集，采集待测物体表面变形前及变形后的图像，经对比运算后可以得出3D全场应变的数据分布。
2.2 数字图像相关方法与环孔法的结合
首先通过打磨、喷漆等方式在混凝土结构表面形成人工散斑场，然后在混凝土表面切开一定大小和深度的槽，释放混凝土的应力，并利用固定的高精度相机获取环孔前后的混凝土表面数字图像，匹配对应图像子区获得表面的面内位移，再通过局部区域的位移场进行最小二乘拟合，得到局部区域位移分布场函数，最后通过对位移求偏导数可得环孔区域的全场应变场分布。由此可得到槽中心一定半径范围内的平均应变ε，采用公式σ=Eε，即可计算混凝土的工作应力，其中E为混凝土的弹性模量。
3 总结
本文在测量混凝土表面应变时采用非接触式的全场应变方法数字图像测量技术，无需在检测面上预埋应变片，最大程度地减小了混凝土切割与应变测量的干扰，减小了操作难度和测量误差。同时，通过全场应变测量，可以计算环孔中心一定范围内的平均应变，减少了由于混凝土表面非均匀性带来的测量误差。在满足测量精度的情况下，可以减小传统的应力释放的切割大小和深度，对混凝土的损坏性小，属于微损性检测，操作简单，可以方便地应用于现场，快速测量混凝土的工作应力。
参考文献：
[1] 沈旭凯.开槽法测试混凝土工作应力试验与研究[D].浙江大学硕士学位论文，2007，05.
[2] 林湘祁.混凝土工作压力测试的若干问题研究[D].杭州：浙江大学，2008.
[3] 王標才.基于应力释放法的预应力空心板桥现存应力检测的模型试验研究[D].重庆交通大学硕士论文，2009，03.
[4] 刘永森.环孔法测试混凝土工作应力试验研究.浙江大学硕士学位论文，2006，06.
[5] 于雪.环芯法测混凝土现存应力的高精度数字图像相关方法及其实验装置.东南大学硕士论文，2013，05.
作者简介：
邓世琴（1991-），重庆垫江人，硕士，水利工程专业，研究方向：水工建筑物设计理论及健康诊断技术方向。
关键词：混凝土；工作应力；数字图像相关技术；环孔法
随着我国经济的快速发展，国内建成的建筑物数目急剧地增加，混凝土材料在工程中的运用也越来越广泛。一般建筑物的使用寿命为50～100年，在使用过程中混凝土结构是否安全直接关系到整座建筑物的成败，决定着人民的生命安全和财产安全，影响着我国国民经济的稳步增长。混凝土结构的安全性不仅仅取决于前期的勘察、设计及施工过程的技术和管理，很大程度上依赖于后期对混凝土结构的健康监测和加固修复。建筑物结构的实际工作应力是检测建筑物是否健康的重要指标，也是建筑物加固修复的重要参数。因此，对混凝土结构的建筑物实际工作应力的量测是很有必要的。
由于混凝土材料的是非均质、不等向的，内部有气孔和缝隙，加之它微观的内应力、变形和裂缝形态都很复杂，使混凝土工作应力的测量变得非常困难。因此，如何既简单又准确地测量混凝土的工作应力成为实际工程中难以解决的问题之一。虽然，目前有很多学者在该方面的做了不少的研究，得出了一些研究成果，混凝土建筑物的工作应力测量方法基本有了一个方向，但仍然没有得出一个权威有力的测量方法，所以对混凝土工作应力的测量方法需要做进一步的研究。
1 工作应力的测量方法
1.1 引言
目前，不同工程领域中工作应力的测量方法不同。最常用的测量方法可分为两大类，一类是混凝土无破损检测方法，另一类是半破损或微破损方法。采用无破损检测方法往往测量过程繁琐、要求高，且有很大的测量误差，所以目前工程中多采用微破损方法测量混凝土的工作应力，以应力释放法为主。环孔法是应力释放法的一种，其操作简单，直接可靠的特点，使得环孔法成为混凝土建筑物工作应力测量的主要方法。
1.2 环孔法
环孔法的基本原理是采用局部破坏使环孔内混凝土应力释放，通过测定环孔内混凝土的应力释放值来估计和推断结构的实际应力。在测量结构某点的工作应力时，没有必要将结构构件完全截断，实际只需要在测点的周围开一定深度的环孔，解除测试点周围的约束产生弹性变形，结构表面的应力得以重新分布，当环孔深度达到一定值时，测点处的工作应力完全释放出来，通过测量测点处的应变变化情况，就可以求出该点的实际工作应力。应力释放值的测量一般以电测法为主，即采用应变片测量环孔内的应力释放值。
电测——环孔法测量混凝土结构的工作应力虽然原理简单、操作方便，但在工程中并没有广泛使用，主要有三个方面的原因。第一应变片测量应变时，所测应变值是其敏感栅覆盖面积内构件表面的平均应变，不能获得整个在测量区域的全程应变；并且应变片的读数易受到温度、湿度以及粘贴剂的影响；粘贴位置稍微偏移以为影响测量精度。第二是适用性不强，应变片需要用引线与静态应变仪连接，因此引线和切孔会相互干扰，容易造成应变片损坏，难以获得测量结果。第三，由于混凝土材料具有非均质性、各向异性的特点，导致测量误差较大。因此，对已有混凝土结构的工作应力测量方法仍在探索之中。
2 工作应力测量方法的提出
由于采用环孔法与应变片结合测试混凝土内工作应力存在各种缺陷，难以高效、客观、准确地识别混凝土的实际工作压力。因此本文提供一种基于数字图像相关方法的混凝土工作应力测量方法。数字图像相关方法是一种光学测量方法，用于测量物体表面的位移及应变。基本原理是使用数字摄像机采集被测物体表面的变形前后的散斑图像，再对散斑图像进行对比的算法，得出物体表面变形过程的全场位移和全场应变。数字图像相关方法不仅具有非接触、全场测量等电测法无法比拟的优势，而且相对于其他光测方法具有实验设备和过程简单、对光源及测量环境要求较低、易于实现测量过程的自动化、使用范围广泛等优势。
2.1 VIC-3D全场应变测量系统
VIC-3D全场应变测量系统是采用的数字图像相关技术原理生产出来的一套测量物体全场应变的仪器，该系统再测量过程中只需2台数字摄像机用于图像的采集，采集待测物体表面变形前及变形后的图像，经对比运算后可以得出3D全场应变的数据分布。
2.2 数字图像相关方法与环孔法的结合
首先通过打磨、喷漆等方式在混凝土结构表面形成人工散斑场，然后在混凝土表面切开一定大小和深度的槽，释放混凝土的应力，并利用固定的高精度相机获取环孔前后的混凝土表面数字图像，匹配对应图像子区获得表面的面内位移，再通过局部区域的位移场进行最小二乘拟合，得到局部区域位移分布场函数，最后通过对位移求偏导数可得环孔区域的全场应变场分布。由此可得到槽中心一定半径范围内的平均应变ε，采用公式σ=Eε，即可计算混凝土的工作应力，其中E为混凝土的弹性模量。
3 总结
本文在测量混凝土表面应变时采用非接触式的全场应变方法数字图像测量技术，无需在检测面上预埋应变片，最大程度地减小了混凝土切割与应变测量的干扰，减小了操作难度和测量误差。同时，通过全场应变测量，可以计算环孔中心一定范围内的平均应变，减少了由于混凝土表面非均匀性带来的测量误差。在满足测量精度的情况下，可以减小传统的应力释放的切割大小和深度，对混凝土的损坏性小，属于微损性检测，操作简单，可以方便地应用于现场，快速测量混凝土的工作应力。
参考文献：
[1] 沈旭凯.开槽法测试混凝土工作应力试验与研究[D].浙江大学硕士学位论文，2007，05.
[2] 林湘祁.混凝土工作压力测试的若干问题研究[D].杭州：浙江大学，2008.
[3] 王標才.基于应力释放法的预应力空心板桥现存应力检测的模型试验研究[D].重庆交通大学硕士论文，2009，03.
[4] 刘永森.环孔法测试混凝土工作应力试验研究.浙江大学硕士学位论文，2006，06.
[5] 于雪.环芯法测混凝土现存应力的高精度数字图像相关方法及其实验装置.东南大学硕士论文，2013，05.
作者简介：
邓世琴（1991-），重庆垫江人，硕士，水利工程专业，研究方向：水工建筑物设计理论及健康诊断技术方向。