DIC技术：铁路道桥箱梁四点弯曲载荷下的应变与裂纹全场分析

前言：

道桥箱梁，作为桥梁结构中的关键承重构件，凭借高抗扭刚度、优异的承载能力以及施工便捷性，在现代铁路工程中有着广泛的应用。目前，大量早期建设的铁路道桥已进入服役后期，面临结构老化、疲劳损伤及裂纹扩展等安全隐患。

传统的箱梁变形测试操作繁琐，且离散式的应变数据覆盖范围有限，最终测量结果准确性也易受人为因素影响。为了提高测试效率，某研究团队引入了新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，凭借非接触、全场测量、高精度、高时空分辨率等优势，成为箱梁结构健康监测与损伤演化研究的高效、便捷的测量方案。

箱梁四点弯曲加载试验

相较于三点弯曲，四点弯曲在道桥箱梁试样中部形成均匀纯弯段（剪力为零），更真实反映道桥梁体在轮载作用下的受力状态。其优势包括：

应力状态纯粹：避免剪切力干扰，精准聚焦弯曲应力导致的损伤；

裂纹定位可控：纯弯段为裂纹萌生提供预设区域，便于跟踪扩展路径；

多级载荷兼容性：支持阶梯式加载-卸载循环，模拟实际列车通过产生的循环应力历史。

箱梁四点弯曲实验场景

DIC技术应用与创新点

传统应变片与引伸计存在明显局限：

点测量局限：无法捕捉全场应变梯度及局部畸变；

裂纹监测盲区：难以实时捕捉随机萌生的微裂纹；

接触式干扰：引伸计安装可能影响脆性开裂行为。

DIC技术以非接触、全场测量优势突破瓶颈，成为复杂损伤分析的首选方案。

1、全场应变动态追踪

实时获取纯弯段全域应变场云图，量化压缩区/受拉区的应变不对称性；

识别荷载转移路径与主应变场，实现裂纹全场定位。

2、裂纹演化定量分析

基于亚像素位移算法，实现裂纹宽度（0.01mm级）、扩展速度与分形特征的精准测量；

关联应变局部化带与宏观裂纹的时空演化规律。

3、卸载残余变形表征

通过多级卸载阶段的残余应变场，评估结构件的塑性损伤累积程度。

箱梁四点弯曲试验过程

实验准备

针对接近4m测量视场，采用新拓三维XTDIC-CONST-12M三维全场应变测量系统进行图像采集，工业相机镜头采用12mm定焦镜头，畸变小、成像质量高，针对大幅面照片采集，保证精度的准确。

DIC技术采集图像实验场景

实验过程

1、道桥箱体表面的散斑制备，采用白色自喷漆涂料配合黑色油墨，利用滚轮制作黑白相间的散斑图案。

2、采用XTDIC三维全场应变测量系统双目工业相机，搭建测量视场，使用十字标尺对被侧面和相机进行全局标定，得到相机参数和世界坐标系。

3、XTDIC系统双目工业相机拍摄实验过程的照片，实验采用多级加载的方式，最后分级卸载。

4、使用XTDIC分析软件对其进行数据分析，得到位移云图，应变云图和裂缝扩展等数据。

实验数据分析

1、加载状态分为15级，卸载为5级。以下为15级加载状态下、5级卸载状态下的取点位移云图和取点位移曲线图：

2、加载和卸载过程中应变云图和裂缝宽度变化，采用XTDIC软件分析点点距离功能，分析应变云图中，应变集中位置即裂缝张开的位置，来代表裂缝张开的宽度。共选取0-5六个裂缝张开处的宽度值变化。

裂缝云图

裂缝0宽度值变化

裂缝1宽度值变化

裂缝2宽度值变化

裂缝3宽度值变化

裂缝4宽度值变化

裂缝5宽度值变化

3、从应变云图中分析，除了主裂缝外，还有小的应变集中处存在细小的裂缝。

4、以下为多级加载和卸载过程中，箱梁的位移和应变变化云图。

加载状态第0-5级位移变化云图

加载状态第6-11级位移变化云图

加载状态第12-15级位移云图

卸载位移云图变化

应变云图较之位移云图变化较为不明显，因此选取四个级别作为对比。

加载应变云图变化

卸载应变云图变化

应用总结

本案例成功将新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，应用于退役铁路道桥箱梁的四点弯曲多级载荷与卸载测试，实现了对全场应变分布及裂纹萌生、扩展全过程的高精度、非接触式动态监测。测试结果不仅揭示了箱梁结构损伤演化规律，也为铁路基础设施的剩余寿命评估、维修策略制定及安全运营决策提供了科学依据。

数字图像相关DIC技术在退役结构健康监测领域的应用，正逐步从“辅助手段”走向“核心工具”，未来将在铁路、桥梁、航空、核电等高安全要求领域发挥更广泛的作用。