预应力钢绞线拉伸实验研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 苏州科技学院学报（工程技术版）　第２０卷　第４期　Ｊ．ｏｆ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｓｕｚｈｏｕ　Ｖｏ１．２０　Ｎｏ．４　２００７年ｌ２月　（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　Ｄｅｃ．２０ｏ７　预应力钢绞线拉伸实验研究　蒋　明，　陆荣庆，　尚春来，　陈　烨，　祝　伟　（苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州２１５０１１）　摘　要：钢绞线最大力伸长率是衡量其材料特性的一项重要力学性能指标，如何精确测量该指标是长期以来一直在　探索的问题。本文设汁了测量钢绞线最大力伸长率的新系统，该系统采用电测量数据与图像实时同步采集和图像序　列变形分析相结合的方法，此方法在测量过程中，非接触测量试件的变形，克服了目前钢绞线测量中的弊端。实现了　钢绞线最大力伸长率的测量，提高了测量的精度和可靠性。　关键词：钢绞线；最大力伸长率；同步采集　中图分类号：０３４８　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—０６７９（２００７）０４—００２０—０３　钢绞线是钢厂用优质碳素结构钢经过冷加工成丝、再经回火和多根丝绞捻等加工而成，具有塑性好、强　度高和铺设方便等优点，目前在桥梁、高层楼房、大型厂房等建筑物中广泛使用。由于钢绞线在断裂前已经　散开或者部分断裂，因此ＧＢ／Ｔ５２２４２２００３１　规定以最大力伸长率作为钢绞线的一项重要性能指标，如何精确　测量该指标是长期以来一直在探索的问题Ｉ２＾３１。传统力学性能自动测定仪器是利用安装在试样上的引伸计和　安装在试验机工作台上的位移计来绘制拉伸曲线（试样屈服以前利用引伸计采样，屈服之后利用位移计工　作）。其缺点是引伸计必须在试样断裂之前取下以免损坏，由安装在试验机工作台上的位移计顶替引伸计进　行检测工作，其所测得的实际上是试验机工作台之间的相对位移，它包含试样的延伸和试样与夹具之间的相　对滑动，还包含夹具与横梁间的滑移及夹具与横梁的变形，用此值来表达试样的延伸量显然要大于真实值，　往往容易得出错误的结论。针对上述弊端，近年来产生了一些改进装置Ｉ２－３１，主要特点是将细丝按所定标距固　定在被测钢绞线上，当钢绞线拉伸时，细丝随钢绞线的伸长而同时伸长，这样将钢绞线的伸长量的测量转化　为对细丝伸长量的测量。这些方法从一定程度上解决了钢绞线的测量问题，但同时对卡具的要求相应较高。　目前还没有一个完全精确的实验能够测量出钢绞线在最大力下的变形和伸长率等。　为解决上述钢绞线测量过程中的不足，本文设计了一种测量钢绞线伸长量的新方法一图像分析法，此方　法以图像采集和分析代替位移传感器，把视觉影像和物理量的变化实时结合，因其测试分析过程的非接触，　可克服目前钢绞线测量中的弊端。　采用图像分析法的一个主要难题是拉伸试验机在加载过程中荷载是变化的，因此需实现力传感器信号　与ＣＣＤ图像信息的同步采集。目前，多传感器同步技术有了一定的进展，ＮＩ公司的ＰＸＩ体系结构提供了技　术支持，文献【４～５】详细介绍了ＰＸＩ实现多传感器同步的原理和方法；文献【６】在虚拟仪器开发平台ＬａｂＶＩＥＷ　下，利用板卡上多功能子系统问硬件时钟关系实现了微秒级高速时间同步，并将此方法应用到随机扫描成像　系统中；文献【７】探讨了电测量与图像同步采集的问题。本文基于ＰＸＩ体系结构，在平台ＬａｂＶＩＥＷ下，采用系　统时钟触发实现力传感器信号与ＣＣＤ图像的同步采集。运用本文方法对所测试件进行实时同步跟踪，并用　图像相关技术对被测物的变形进行计算机自动分析，克服了以往引伸计标距过小、容易损坏、误差大等问题。　对比实验表明，该方法可实现钢绞线最大力伸长率的测量，具有较高测量精度和可靠性。　１　实验原理　１．１　实验装置　实验装置如图１示，硬件由液压式万能试验机、力传感器、钢绞线专用夹具、ＣＣＤ及图像卡组成；专用测　【收稿日期】２００７－１０—１０　【作者简介】蒋明（１９６１一），女，江苏苏州人，副教授，硕士。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４期　蒋　明等：预应力钢绞线拉伸实验研究　２１　试软件系统采用ＬａｂＶＩＥＷ软件编程实现。　本装置测力系统是由力传感器直接检测被测对象的受力，由数据采集卡存人计算机。变形测量系统采　用ＣＣＤ图像采集和序列图像变形分析软件。如图２所示，在被测试件上采用人工喷涂的方法在设定标距的　两端喷涂人工散斑，用ＣＣＤ对准被测试件，利用ＭＡＴＲＯＸ图像采集卡采集图像。本测量系统的关键是电测　量（力传感器信息）与图像（位移信息）的同步采集，其实现采用了美国ＮＩ公司的ＰＸＩ数据采集系统，ＰＸＩ的星　形触发总线可提供超高性能的同步特性。星形触发总线在系统插槽和相邻外部插槽之间使用一条专用的触　发线，最多可连接１３个外部插槽。该插槽装有一个星形触发控制器，能对其它外部模块提供非常精确的触　羔　发信号。本测试装置运用ＰＸＩ力传感器采集模块和外部图像采集模块，在ＬＡＢＶＩＥＷ程序圈平台下，使用时间　一～～　控制外触发信号，同时触发力传感器数据采集和图像采集系统，实现同步测试，测试流程图见图３。　∑一　图Ｉ　实验装置图　图２测试系统图　图３测试系统原理图　１．２数字散斑相关法计算变形　数字图像相关法是一种高精度、非接触式全场位移测试方法。以被测物表面的自然纹理或人工喷涂的　随机斑点做为表面位置信息的载体（称为散斑图），利用记录物体变形前和变形后位置信息的两幅散斑图之　问的相关性，将散斑图数字化后输入到计算机，由计算机通过相关运算实现位移测量。　数字图像相关方法的基本原理１９　０１是在变形前后的两幅图中取大小均为ｍ￣ｍ的两块模板，其灰度分布　分别为ｆ　，　（１≤ｉ√≤ｍ），基于统计学原理，这两块模板的相似度可定义为：　其中，　，　＝　１　。ｃ称为相关系数。若两模板完全　一致，Ｃ＝Ｉ，相反，若两模板完全不相关，则Ｃ＝Ｏ。　图４位移计算　如图４所示，在图（ａ）中取模板Ａ，在（ｂ）图运用数字图像相关原理搜索与模板Ａ相似的模板Ａ　，比较变　形前后标记点的位置变化，进而获得受力变形量△。钢绞线伸长率￣＝Ａ／Ｌｏｘ１００％，△为钢绞线最大荷载下的　伸长量；Ｌ０为标距。　通过成像镜头、ＣＣＤ和图像采集卡将被测物被测区域转化为由５７６ｘ７６８个像素组成的数字化图像。变　形前后的散斑图像之间像素的位置发生了相对移动，像素每移动一个单位长度（即两个相邻像素之间的距　离，也称一个像素）相当于该像素对应的几何点移动了视场几何边长的７６８分之一的距离。通常数字图像相　关方法的测试精度可达０．０１个像素。在这一精度水平上的位移测试精度可以达到　较高的水平。　２钢绞线实验结果　实验所用钢绞线规格：ｌｘ７，　１５．２　ｍｎｌ，有粘结。标距Ｐｏ＝６２０　ｍｍ＝６７０　ｐｉｘｅｌｓ；（￣　ＧＢ／Ｔ５２２４２２００３钢绞线拉伸试验标距ｉ＞４０　ｄ＝６１０　ｍｍ）。图像标定：０．９２５　ｍｍ／ｐｉｘ，测　试精度为９．２５￣１０－３　ｍｍ。图５为钢绞线拉伸实验过程中光测图，实验所得数据见表　１。所测钢绞线最大力伸长率符合ＧＢ／Ｔ５２２４２—２００３标准（伸长率３．５％）。　Ｆ＝０　Ｆ￣＝２６８　ｋＮ　图５钢绞线测试图　维普资讯 http://www.cqvip.com

２２　苏州科技学院学报（工程技术版）　２００７年　表１钢绞线伸长率　３结论　图像相关变形测量，光路简单、对环境要求较低、非接触且可以获得全场的信息，对于大变形材料的应变　测量有很高的精度，所以图像相关在引伸计不适用的大变形的材料试验上有广阔的应用前景。对于一些柔　性材料测量和温度场内变形测量的问题也同样适用。　作为一种光学传感器，本文方法可根据测试对象的需要测量不同标距的变形，而无需增加硬件要求，尤　其可实现其它方法难以测量的大标距变形，且测量精度高。　本文将光学测量方法用于材料力学性能的测试，解决了力信号数据采集和图像采集的同步控制问题，克　服目前钢绞线测量中变形测量不准确、不能全程测量等弊端，并用这套系统成功地实现了钢绞线最大力下伸　长率的测试。测量结果可靠、准确。　参考文献：　【ｌ】ＧＢ，ｒ５２２４２２ｏｏ３，预应力混凝土用钢纹线【Ｓ】．　【２ｌ付广龙，黄跃平，胥明．绞线拉伸真实全曲线测定方法的研究【Ｊ１．试验技术与试验机，２００６，（１）：３１—３４、　【３１王建华，白鹏翔，胡大琳．预应力混凝土结构用钢绞线伸＆量测试装置研究ｆＪ】．传感技术学报，２００６，１９（４）：ｌ　１２５一ｌ　１２８．　ｆ４　Ｄｕｒａｉａｐｐａｈ，Ｌｏｋｅｓｈ．Ｂｕｉ４１ｌｄｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｕｓｉｎｇ　ｔｉｍｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ＰＸＩ［Ｃ］．ＩＥＥＥ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｒｅａｄｉｎｅｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ。２００２：　２２７—２４Ｏ．　【５】Ｅ　Ｂａｒｒｅｒａ，Ｍ　Ｒｕｉｚ，Ｓ　Ｌ６ｐｅｚ，Ｄ　Ｍａｃｈ６ｎ，Ｊ　Ｖｅｇａ．ＰＸＩ—ｂａｓｅｄ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ［Ｊ］．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００６，５３（３）：９２３—９２６．　１６ｊ　Ｒｏｂｅｒｔ　Ｈ　Ｂｉｓｈｏｐ．ＬＡＢＶＩＥＷ７实用教程ＩＭ］．乔瑞萍，林欣，等，译．北京：电子工业出版社，２００３．　【７】金观昌．计算机辅助光学测量【Ｍ】．北京：清华大学出版杜，１９９７：１４３—１７４．　【８】侯振德，徐莲云．一种基于图像相大的双图像法测量细观试件弹性模量的方法『Ｊ】．实验力学，２００１，１６（４）：４２２－４２６．　【９】美国，ＡＳＴＭＡ４１６／Ａ４１６Ｍ一９９１ＳＪ．　【ｌＯＪ郑维，黄世霖，张金换．图像运动分析在汽车被动安全研究中的应用ｆＪ】．公路交通科技，２００３，２０（３）：１５１－１５４．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ　Ｐｒｅ－Ｓｔｒｅｓｓｅｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｓｔｒａｎｄ　Ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ　ＪＩＡＮＧ　Ｍｉｎｇ，ＬＵ　Ｒｏｎｇ—ｑｉｎｇ，ＳＨＡＮＧ　Ｃｈｕｎ－ｌａｉ，ＣＨＥＮＧ　Ｙｅ，　ＺＨＵ　Ｗｅｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵＳＴＳ，Ｓｕｚｈｏｕ　２１　５０１　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒａｎｄ　ｍａｘｉｍａｌ　ｌｏａｄ　ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ　ｆｏｒ　ｓｃａｌｉｎｇ　ｉｔｓ　ｍａｔｅｒｉｌａ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｔｈｉｓ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐｒｏｂｅｄ　ｆｏｒ　ａ　ｌｏｎｇ　ｔｉｍｅ．　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｈａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａ　ｎｅｗ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍａｌ　ｌｏａｄ　ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒａｎｄ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｍｂｉｎｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｒｃｅ　ｄａｔａ　ｐｌｕｓ　ｉｍａｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｍａｇｅ　ｓｅｒｉｅｓ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒａｎｄ　ｍａｘｉｍａｌ　ｌｏａｄ　ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ　ｏｖｅｒｃｏｍｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒａｎｄ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｒｅ＇，ｄｌ　ｚｅ￥ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒａｎｄ　ｍａｘｉｍａｌ　ｌｏａｄ　ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｎｈａｎｃｅｓ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒａｎｄ；ｍａｘｉｍａｌ　ｌｏａｄ　ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ