散斑圖像相關(guān)數(shù)字技術(shù)在薄壁鋼管混凝土長柱變形測量中的應(yīng)用

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1、散斑圖像相關(guān)數(shù)字技術(shù)在薄壁鋼管混凝土長柱變形測量中的應(yīng)用第21卷第4期2006年8月實(shí)驗(yàn)力學(xué)JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSVol

2、21NO.4Aug.2006文章編號(hào):1001-4888(2006)04—0527—06散斑圖像相關(guān)數(shù)字技術(shù)在薄壁鋼管混凝土長柱變形測量中的應(yīng)用王言磊,歐進(jìn)萍(哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江I50090)摘要:薄壁鋼管混凝土構(gòu)件作為新發(fā)展的組合構(gòu)件,對(duì)其研究具有非常重要的意義.文中首先介紹了散斑圖像相關(guān)數(shù)字技術(shù)的基本原理,然后給出了變形計(jì)算公式.為彌補(bǔ)傳統(tǒng)測量方法的不足,在薄壁鋼管混凝土長柱偏壓破壞實(shí)驗(yàn)中,引

3、入了散斑圖像相關(guān)數(shù)字技術(shù),對(duì)長柱跨中截面的全過程變形(位移)進(jìn)行了測量,并對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行了分析與討論,同時(shí)還與傳統(tǒng)測量方法所得結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析表明:該方法具有較高的精度和工程可用性,可克服傳統(tǒng)測量方法中的一些弊端,且對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測量環(huán)境要求不高,很適合現(xiàn)場非接觸測量.關(guān)鍵詞:散斑圖像相關(guān);薄壁鋼管混凝土;非接觸測量中圖分類號(hào):TU317文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0引言目前,普通鋼管混凝土構(gòu)件無論在工程應(yīng)用方面,還是在理論研究方面,都取得了顯著的成就,并有了新的理論體系"鋼管混凝土統(tǒng)一理論"L1].但薄壁鋼管混凝土構(gòu)件的研究才剛剛展開,因此,對(duì)薄壁鋼管混凝土構(gòu)件的研

4、究將具有十分重要的意義口].由于測量儀器和方法的限制,目前對(duì)于鋼管混凝土試件的變形(位移)測量,多采用電位移計(jì),百分表等傳統(tǒng)測量方法],它們常受到空間,測點(diǎn)數(shù),量程與試件表面的相互干擾,電磁干擾及安裝條件等制約,結(jié)果常常不能令人滿意.為彌補(bǔ)上述測量方法的不足,文中將應(yīng)用散斑圖像相關(guān)數(shù)字技術(shù)來測量薄壁鋼管混凝土長柱偏壓破壞全過程中的變形信息.1方法原理散斑圖像相關(guān)數(shù)字技術(shù)是根據(jù)物體表面散斑圖像在變形前后的相關(guān)性來確定物體變形信息的一種非接觸測量方法.如圖1所示,物體變形前后的散斑圖像由電荷耦合器(ChargeCoupledDevice,CCD)攝像機(jī)采集,再通過圖像采集卡

5、轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像存人計(jì)算機(jī).因?yàn)樵谖矬w發(fā)生變形時(shí)人工散斑灰度基本保持不變,所以本方法采用人工散斑.實(shí)驗(yàn)前在物體表面刷白漆制黑斑,形成對(duì)比度很強(qiáng)的圖像,以增強(qiáng)系統(tǒng)抗噪聲干擾能力.散斑圖像相關(guān)分析是在變形前的散斑圖像中選取一個(gè)特征斑作為樣本散斑,在變形后的散斑圖像中,尋找與此斑點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的特征斑作為目標(biāo)散斑,可認(rèn)為樣本散斑因物體變形而運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)散斑的位置,二者重心的坐標(biāo)差就是物體表面在該特征斑處的位移.只要測量過程中特征斑不剝落,不超出圖像*收稿日期:2005—05—31:修訂日期:2006—05—22基金項(xiàng)目:國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2001AA602023)通訊作者:王言磊

6、(1978一),男,博士研究生,主要從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和檢測研究.E—mall:chinaren@hit.edu.cn實(shí)驗(yàn)力學(xué)(2006年)第21卷測量范圍,就能以其形狀,位置等信息被識(shí)別出來.這樣,物體的位移測量問題就轉(zhuǎn)化為一個(gè)散斑圖像相關(guān)分析的數(shù)字計(jì)算過程.圖1測量系統(tǒng)示意圖圖2物體變形前后特征斑的位移示意圖Fig.1SketchofmeasurementsystemFig.2SketchofthedisplacementofcharacteristicspotbeforeandafterobjectSdeformation圖2為同一坐標(biāo)系下物體變形前后的某一特征斑.

7、該特征斑在變形前位于P處,變形后移動(dòng)到P.處,(z,),(z-,-)分別為其變形前后的重心坐標(biāo),它沿OX軸和oy軸方向上的位移量分別為和,則特征斑的位移計(jì)算公式為{U～~X1一-㈩顯然,確定樣本散斑和目標(biāo)散斑的重心坐標(biāo)是獲得位移測量的核心內(nèi)容.根據(jù)重心檢測方法[7_,特征斑的二維重心坐標(biāo)可由下式計(jì)算:∑~jxg(x,)∑∑yg(x,)z一L一一_一(2)∑∑g(,)∑∑g(x,)式中,,X和定義為特征斑所在區(qū)域,g(x,)為散斑圖像的灰度值.對(duì)于二值化圖像,則式(2)中g(shù)(x,)一1,此時(shí)式(2)變成了計(jì)算特征斑的二維形心坐標(biāo).將式(2)代人式(1)即可獲得位移信息.經(jīng)

8、實(shí)驗(yàn)分析,本文所建測量系統(tǒng)的位移靈敏度為0.08像素嘲.2實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備2.1試件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)試件包括2個(gè)方形截面長柱和2個(gè)八邊形截面長柱,試件的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1.為保證鋼管與混凝土共同受力,在試件兩端均以10ram厚,寬度超試件截面20ram長的鋼端板與鋼管焊接,且端板及空鋼管的幾何中心要對(duì)中.表1薄壁鋼管混凝土長柱設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1Designparametersofthin-walledconcretefilledsteeltubularslendercolumns2O30402010.6717.O9822.82721.O10.027O.O59