VIC-3D非接触全场应变测量系统在土木工程领域的应用实践
技术文章 · 土木工程发布时间：2026-08-13 作者：Yang.l
数字图像相关法（Digital Image Correlation, DIC）作为一种成熟的光学测量技术，已逐步成为土木工程中材料与结构力学性能测试的重要手段。其基本原理是在被测表面制备随机散斑图案，通过双目立体视觉系统捕捉变形前后散斑场的灰度信息变化，基于亚像素级匹配算法求解物面各点的三维坐标、位移及应变张量，从而实现非接触式全场测量。
一、测量原理与系统构成
VIC-3D 系统通过在被测物表面制作高对比度散斑图，利用双相机从不同视角同步采集变形过程中的序列图像，追踪散斑特征点在像素层面的位移，经优化 DIC 运算获得二维或三维空间内的形貌、位移及应变数据。
系统操作流程标准化程度较高：人工散斑制备 → 系统立体标定 → 加载过程同步采集 → 自动追踪解算应变/位移场。其优势在于无需在被测面预埋或粘贴任何传感器，避免了传统应变片带来的刚度干扰与布设盲区，且原始图像数据支持事后反复分析处理。
混凝土材料力学性能测试
四点弯曲疲劳测试：配合 MTS 疲劳试验机，加载频率 10Hz，VIC-3D 系统实现载荷、温度等信号的时间同步及相位同步控制，可获取循环数、载荷、变形及裂纹尖端应变演化、裂纹长度与宽度变化的连续数据。
四点弯曲疲劳测试-exx变化云图
轴拉与抗压性能测试：针对 UHPC（超高性能混凝土，试件尺寸 0.6m×2m）及普通混凝土块，可稳定测量 10⁻⁵ 量级的小应变，准确反映泊松效应及非线性变形阶段的应变局部化现象。
UHPC轴拉性能试验主应变结果云图
混凝土块试样
混凝土块抗压测试试验结果-3D形貌、主应变、位移等变化云图
抗剪性能测试：应用于 0.6m×3m 缠绕复材混凝土梁，实现剪切破坏过程中主应变场与剪切滑移带的全程捕捉。
混凝土梁抗剪性能试验现场
混凝土梁抗剪性能测试-试验结果-x轴方向应变云图
二、结构静力与抗震性能测试
大尺寸梁静载与裂纹扩展：针对 3m 大尺寸混凝土梁，可追踪裂纹起裂、扩展路径及尖端应变集中现象；
6m×3.5m 缩比建筑模型静载测试及剪力墙拉压变轴力低周反复试验，均实现了全场位移与应变的精确量化。
地震模拟振动台试验：在高速铁路桥上行车安全测试中，系统可同步记录地震激励下轨道-桥梁系统的相对位移与变形响应。
三、岩土与地下工程测试
隧道截面振动测试：监测动力荷载下隧道衬砌的变形模式与应变分布。
隧道截面振动测试-现场设置
地基挖掘施工变形：实时追踪基坑开挖过程中邻近结构的变形响应，为施工安全评估提供数据支撑。
地基基坑开挖变形监测-现场架设
地基基坑开挖变形监测——位移 U 与主应变 e1 变化云图与曲线
砂石骨料打桩过程监测：捕捉动态冲击荷载下散体材料的颗粒运动与变形规律。
砂石骨料打桩过程监测-现场设置
砂石骨料打桩过程监测-试验结果-位移V变化云图
四、大型工程结构现场测试
62m 泵车支臂现场变形测量：在展臂工况下实现大跨度金属结构的全场形变检测。
五、技术特点与适用场景
该技术在混凝土开裂机理研究、大型结构健康监测、岩土动力学试验等对全场变形信息有较高需求的场景中，相比传统点式测量具有显著优势。
技术特性一览
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 测量维度 | 二维/三维形貌、位移、应变、速度、加速度、模态等 |
| 非接触测量 | 无附加质量影响，适用于高温、高压、动载等环境 |
| 全场数据 | 数万级测点密度，可识别应变局部化与裂纹扩展 |
| 数据可追溯 | 图像数据支持多次分析，无需重复试验 |
六、结语
从实验室尺度的小试件到百米级的工程结构，VIC-3D 系统正在为土木工程的科学研究与工程实践提供可靠的全场变形数据支撑。无论是材料层面的微观损伤机制探索，还是结构层面的安全性评估，光学测量技术都在以其独特的优势，弥补传统测试手段的局限。
随着土木工程向着更高、更复杂、更精细的方向发展，对测量技术的要求也在不断提高。我们将继续深耕 DIC 技术在土木领域的应用，为科研工作者和工程师提供更精准、更高效的测量解决方案。
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