散斑图像相关数字技术在薄壁钢管混凝土长柱变形测量中的应用

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1、散斑图像相关数字技术在薄壁钢管混凝土长柱变形测量中的应用第21卷第4期2006年8月实验力学JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSVol

2、21NO.4Aug.2006文章编号:1001-4888(2006)04—0527—06散斑图像相关数字技术在薄壁钢管混凝土长柱变形测量中的应用王言磊,欧进萍(哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江I50090)摘要:薄壁钢管混凝土构件作为新发展的组合构件,对其研究具有非常重要的意义.文中首先介绍了散斑图像相关数字技术的基本原理,然后给出了变形计算公式.为弥补传统测量方法的不足,在薄壁钢管混凝土长柱偏压破坏实验中,引

3、入了散斑图像相关数字技术,对长柱跨中截面的全过程变形(位移)进行了测量,并对测量结果进行了分析与讨论,同时还与传统测量方法所得结果进行了对比分析.实验结果与分析表明:该方法具有较高的精度和工程可用性,可克服传统测量方法中的一些弊端,且对实验设备和测量环境要求不高,很适合现场非接触测量.关键词:散斑图像相关;薄壁钢管混凝土;非接触测量中图分类号:TU317文献标识码:A0引言目前,普通钢管混凝土构件无论在工程应用方面,还是在理论研究方面,都取得了显着的成就,并有了新的理论体系"钢管混凝土统一理论"L1].但薄壁钢管混凝土构件的研究才刚刚展开,因此,对薄壁钢管混凝土构件的研

4、究将具有十分重要的意义口].由于测量仪器和方法的限制,目前对于钢管混凝土试件的变形(位移)测量,多采用电位移计,百分表等传统测量方法],它们常受到空间,测点数,量程与试件表面的相互干扰,电磁干扰及安装条件等制约,结果常常不能令人满意.为弥补上述测量方法的不足,文中将应用散斑图像相关数字技术来测量薄壁钢管混凝土长柱偏压破坏全过程中的变形信息.1方法原理散斑图像相关数字技术是根据物体表面散斑图像在变形前后的相关性来确定物体变形信息的一种非接触测量方法.如图1所示,物体变形前后的散斑图像由电荷耦合器(ChargeCoupledDevice,CCD)摄像机采集,再通过图像采集卡

5、转换成数字图像存人计算机.因为在物体发生变形时人工散斑灰度基本保持不变,所以本方法采用人工散斑.实验前在物体表面刷白漆制黑斑,形成对比度很强的图像,以增强系统抗噪声干扰能力.散斑图像相关分析是在变形前的散斑图像中选取一个特征斑作为样本散斑,在变形后的散斑图像中,寻找与此斑点相对应的特征斑作为目标散斑,可认为样本散斑因物体变形而运动到目标散斑的位置,二者重心的坐标差就是物体表面在该特征斑处的位移.只要测量过程中特征斑不剥落,不超出图像*收稿日期:2005—05—31:修订日期:2006—05—22基金项目:国家863计划资助项目(2001AA602023)通讯作者:王言磊

6、(1978一),男,博士研究生,主要从事结构健康监测和检测研究.E—mall:chinaren@hit.edu.cn实验力学(2006年)第21卷测量范围,就能以其形状,位置等信息被识别出来.这样,物体的位移测量问题就转化为一个散斑图像相关分析的数字计算过程.图1测量系统示意图图2物体变形前后特征斑的位移示意图Fig.1SketchofmeasurementsystemFig.2SketchofthedisplacementofcharacteristicspotbeforeandafterobjectSdeformation图2为同一坐标系下物体变形前后的某一特征斑.

7、该特征斑在变形前位于P处,变形后移动到P.处,(z,),(z-,-)分别为其变形前后的重心坐标,它沿OX轴和oy轴方向上的位移量分别为和,则特征斑的位移计算公式为{U～~X1一-㈩显然,确定样本散斑和目标散斑的重心坐标是获得位移测量的核心内容.根据重心检测方法[7_,特征斑的二维重心坐标可由下式计算:∑~jxg(x,)∑∑yg(x,)z一L一一_一(2)∑∑g(,)∑∑g(x,)式中,,X和定义为特征斑所在区域,g(x,)为散斑图像的灰度值.对于二值化图像,则式(2)中g(x,)一1,此时式(2)变成了计算特征斑的二维形心坐标.将式(2)代人式(1)即可获得位移信息.经

8、实验分析,本文所建测量系统的位移灵敏度为0.08像素嘲.2实验准备2.1试件设计设计试件包括2个方形截面长柱和2个八边形截面长柱,试件的设计参数见表1.为保证钢管与混凝土共同受力,在试件两端均以10ram厚,宽度超试件截面20ram长的钢端板与钢管焊接,且端板及空钢管的几何中心要对中.表1薄壁钢管混凝土长柱设计参数Tab.1Designparametersofthin-walledconcretefilledsteeltubularslendercolumns2O30402010.6717.O9822.82721.O10.027O.O59