本发明涉及基于数字图像相关法的钢筋与混凝土粘结应力分布测试装置和方法。
背景技术：
1、钢筋与混凝土之间的粘结机理比较复杂，影响因素也比较多。由于拉拔试件制作简单和测试方便，被广泛用来测量钢筋与混凝土之间的粘结强度以及钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系。常见的拉拔试件包括单端加载试件和双端加载对拉试件。其中，单端加载试件，如图1所示，由于混凝土加载端受压，往往会使测得的钢筋粘结力大于实际的钢筋粘结力。双端加载对拉试件为采用两侧对拉的加载形式，如图2所示，可以避免加载端受压，因此使测得的钢筋粘结力更加接近实际情况。然而，由于混凝土的覆盖，现有的这些试件均很难直接观察到钢筋在混凝土中的粘结滑移过程，也无法观测到钢筋与混凝土内部的粘结滑移关系、裂缝的萌生和扩展情况、以及试件内部中钢筋与混凝土的应力应变分布情况，因此难以准确获得施工时钢筋在混凝土中粘结强度和混凝土中钢筋所需的锚固长度。
技术实现思路
1、针对上述提出的问题，本发明提供一种基于数字图像相关法的钢筋与混凝土粘结应力分布测试装置和方法，通过将现有的试件改进并结合数字图像，可以直观观测到钢筋在混凝土中的粘结滑移过程，同时通过基于数字图像相关法进行计算，可准确获得钢筋与混凝土之间的应力应变分布及钢筋在混凝土中的粘结应力分布；进而可准确的计算出钢筋在混凝土中粘结强度和混凝土中钢筋所需的锚固长度。具体技术方案如下：
2、首先，本发明提供一种基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试装置，包括拉拔试件、图像记录设备和拉拔实验机；
3、所述拉拔试件包括辅助夹持部和测试本体部；
4、所述辅助夹持部包括固定混凝土块和辅助夹持加强筋；
5、所述测试本体部包括测试混凝土块和待测试加强筋；
6、所述测试混凝土块的截面积小于等于固定混凝土块的截面积大小的一半，其通过浇筑方式粘合在固定混凝土块的端面上；且所述测试混凝土块的一个侧面与固定混凝土块端面中线所在的平面重合，即为测试观察面；
7、所述辅助夹持加强筋为整根的加强筋，其埋设在固定混凝土块的中心位置；
8、所述待测试加强筋为沿中轴线纵剖的半根加强筋，其弧面部嵌设在测试混凝土块的测试观察面上，且其端面圆心与辅助夹持加强筋的端面圆心对正设置；
9、所述测试混凝土块的测试观察面及待测试加强筋的纵剖面上均布设有散斑；
10、所述拉拔实验机用于双端加载对拉所述拉拔试件；
11、所述图像记录设备用于捕获记录拉拔实验过程中待测试加强筋在测试混凝土块中的相对运动过程以及散斑的位置变化。
12、前述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试装置，所述固定混凝土块的强度明显大于测试混凝土块的强度，所述辅助夹持加强筋埋设在固定混凝土块中的锚固长度不小于其直径长度的5倍；所述待测试加强筋的下端面与测试混凝土块的底面平齐。
13、前述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试装置，所述辅助夹持加强筋和待测试加强筋为钢筋或者纤维增强复合材料筋。
14、前述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试装置，所述散斑的大小根据图像记录设备的像素以及测试范围确定，直径大小为测试范围的长度和宽度与图像记录设备(2)的像素分辨率的长度和宽度比值大小的3～5倍。
15、前述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试装置，所述散斑的均匀分布在测试观察面及待测试加强筋的纵剖面上，且散斑的总面积占测试观察面及待测试加强筋的纵剖面面积的一半。
16、前述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试装置，所述图像记录设备为工业相机，其像素为200万～500万pixels。
17、其次，本发明提供一种基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试方法，包括如下步骤：
18、s1：制备拉拔试件：采用混凝土浇筑法制备权利要求1-6任意一项所述的拉拔试件；
19、s2：加载测试：将制备的拉拔试件夹持在拉拔实验机上，根据设定的实验加载程序控制拉拔实验机对拉拔试件的两端加载拉力；
20、s3：图像捕获：将图像记录设备对准拉拔试件的测试观察面，并拍摄捕获拉拔实验前后的图像，记录待测试加强筋和测试混凝土块之间发生粘结滑移的过程；所述图像记录设备拍摄的时间间隔为0.1s～0.5s。
21、s4：数字图像相关法分析：通过图像记录设备捕获的待测试加强筋和测试混凝土块之间发生粘结滑移前后的图像来定量分析待测试加强筋位移和测试混凝土块变形程度，进而通过计算得出钢筋和混凝土之间的应力和应变分布。
22、前述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试方法，步骤s1中，所述制备拉拔试件包括如下子步骤：
23、s1-1：根据需求设计并制作相应的试件模具；
24、s1-2：将步骤s1-1中制备的模具按要求组装，并将辅助夹持加强筋和待测试加强筋按要求设置在指定位置；
25、s1-3：先将用于制备固定混凝土块的相关材料浇筑在其相应的模腔内，并在凝固前将用于制备测试混凝土块的相关材料浇筑在其相应的模腔中；
26、s1-4：根据混凝土养护规定进行养护，待其凝固后脱模，获得拉拔试件预成品；
27、s1-5：根据采用的图像记录设备像素大小及测试范围，在制备的拉拔试件预成品的测试观察面上绘制散斑，获得用于拉拔试验的拉拔试件成品。
28、前述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试方法，步骤s4中，所述数字图像相关法分析具体包括如下子步骤：
29、s4-1：图像预处理：将步骤s3中获取的系列图像进行预处理，去除噪声提高图像质量，并按照拍摄顺序进对各图像进行编号；
30、s4-2：子集划分：将所有图像都导入软件，以拉拔实验加载前的图像作为参考图像，发生粘结滑移后的图像为变形图像；并将参考图像的测试观察面及待测试加强筋的纵剖面划分成若干个子集以备分析；所述子集为正方形或矩形区域；所述子集大小为30～50pixels，步长为5～10pixels。
31、s4-3：子集跟踪：通过在参考图像和变形图像之间进行搜索最佳匹配，跟踪所选择的子集在变形图像中的新位置，确定散斑的应变；
32、s4-4：应力应变计算：对全部子集进行计算，通过数学方法分析待测试加强筋与测试混凝土块之间的位移数据以及测试混凝土块的变形数据，经计算得到待测试加强筋与测试混凝土块之间的应力应变数据；
33、s4-5：粘结应力分布分析：根据应力应变计算结果，得到待测试加强筋在测试混凝土块中的应力应变分布及粘结应力分布，从而能确定待测试加强筋在测试混凝土中加强筋所需的锚固长度。
34、前述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试方法，步骤s4-5中，所述应力应变计算过程为：
35、1)根据待测试加强筋上的拉力和粘结力平衡可得：
36、δfsab＝uδlσo (ⅰ)
37、式中：
38、u为粘结应力；
39、l为待测试加强筋单位长度；
40、∑o为待测试加强筋截面周长；
41、ab为待测试加强筋截面面积；
42、fs为待测试加强筋单位长度两端的应力差；
43、2)以db为待测试加强筋直径，变形可得：
44、
45、3)再次变形可获得粘结力u为：
46、
47、4)将待测试加强筋等分成n段，每段的长度为：
48、
49、式中：
50、l为待测试加强筋埋设在测试混凝土中的锚固长度；
51、δli表示待测试加强筋的任一段的长度；
52、5)则加载实验过程中，待测试加强筋与混凝土每点之间的粘结应力近似计算为：
53、
54、式中：
55、u(n-1)为第n-1段粘结应力；
56、fs(n-1)为第n-1段一端钢筋应力；
57、fsn为第n段一端钢筋应力；
58、db为待测试加强筋直径。
59、6)由于钢筋的自由端粘结力为0，所以
60、un＝0(ⅵ)。
61、前述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试方法，步骤s4-5中，所述确定待测试加强筋在测试混凝土中加强筋所需的锚固长度为：根据步骤s4-4中计算获得的各段待测试加强筋的粘结力的计算结果及待测试加强筋自身的的屈服强度，计算待测试加强筋应在测试混凝土中加强筋所需的锚固长度，计算公式为：
62、
63、式中：
64、fy为待测试加强筋自身的的屈服强度
65、l’为待测试加强筋应在测试混凝土中加强筋所需的锚固长度。
66、本发明具备的有益效果如下：
67、1)本发明拉拔试件，在现有的拉拔试件基础上改进，将测试的部分“剖开”，去除混凝土遮挡，使得拉拔试验过程中可以观察到钢筋在混凝土中发生粘结滑移和混凝土收到破坏的全过程，以及混凝土中裂缝的萌生和扩展的过程，突破了现有拉拔试件的限制，具有极好的实用价值。
68、2)本发明测试装置，通过在拉拔试件的测试观察面上布设散斑，结合图像记录设备，即可通过数字图像相关法计算出钢筋在混凝土中应力应变分布及钢筋在混凝土中的粘结应力分布，结构简单，测试结果精确，具有良好的推广价值。
69、3)本发明方法的基本原理为：通过分析变形钢筋和混凝土之间发生粘结滑移前后捕获的图片来测量变形和位移，进而可以得出钢筋和混凝土之间的应力和应变分布；首次将数字图像相关法应用到分析钢筋与混凝土之间的应力应变分布及钢筋在混凝土中的粘结应力分布，原理清晰，分析结果可靠；且经过计算得到钢筋和混凝土的应力应变分布进而可以准确计算出钢筋在混凝土中的粘结应力分布，克服了现有测试方法的弊端，具有突出的特点及显著的进步。
1.基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试装置，其特征在于：包括拉拔试件(1)、图像记录设备(2)和拉拔实验机(3)；
2.根据权利要求1所述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试装置，其特征在于：所述固定混凝土块(111)的强度明显大于测试混凝土块(121)的强度，所述辅助夹持加强筋(112)埋设在固定混凝土块(111)中的锚固长度不小于其直径长度的5倍；所述待测试加强筋(122)的下端面与测试混凝土块(121)的底面平齐。
3.根据权利要求2所述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试装置，其特征在于：所述辅助夹持加强筋(112)和待测试加强筋(122)为钢筋或者纤维增强复合材料筋。
4.根据权利要求1所述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试装置，其特征在于：所述散斑(4)的大小根据图像记录设备(2)的像素以及测试范围确定，其直径大小为测试范围的长度和宽度与图像记录设备(2)的像素分辨率的长度和宽度比值大小的3～5倍；
5.根据权利要求4所述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试装置，其特征在于：所述图像记录设备(2)为工业相机，其像素为200万～500万pixels。
6.基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试方法，其特征在于：步骤s1中，所述制备拉拔试件包括如下子步骤：
8.根据权利要求6所述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试方法，其特征在于：步骤s4中，所述数字图像相关法分析具体包括如下子步骤：
9.根据权利要求8所述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试方法，其特征在于：步骤s4-5中，所述应力应变计算过程为：
10.根据权利要求8所述的基于数字图像相关法的加强筋与混凝土粘结应力分布测试方法，其特征在于：步骤s4-5中，所述确定待测试加强筋在测试混凝土中加强筋所需的锚固长度为：根据步骤s4-4中计算获得的各段待测试加强筋的粘结力的计算结果及待测试加强筋自身的屈服强度，计算待测试加强筋应在测试混凝土中加强筋所需的锚固长度，计算公式为：
