姚越，李海旺*,魯明達(dá),張潔,宋夏蕓,晁陽,周興敏

(1.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院, 太原 030024;2.普渡大學(xué)西北校區(qū) 機(jī)械與土木工程, 美國印第安納州 46323)

0 引言

在土木工程領(lǐng)域，常常對結(jié)構(gòu)體系或構(gòu)件進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)，其中塑性變形的檢測為長期困擾抗震試驗(yàn)的關(guān)鍵問題[1]。國內(nèi)外相關(guān)實(shí)驗(yàn)常使用傳統(tǒng)的測量手段，由于儀器精度不足和人工影響較大等原因，造成了測量數(shù)據(jù)存在較大誤差，并不能為試驗(yàn)提供可靠的數(shù)據(jù)支持，也不能滿足日益增長的試驗(yàn)數(shù)據(jù)需求。而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，3D掃描儀也開始滲入如科學(xué)、醫(yī)療、建筑等各個(gè)領(lǐng)域，但是國內(nèi)外利用3D掃描儀在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)收集數(shù)據(jù)方面的普及還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還是依靠傳統(tǒng)的測量方法來收集數(shù)據(jù)。因此，本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《強(qiáng)震下螺栓球結(jié)構(gòu)超低周疲勞性能與評定方法研究》對塑性變形數(shù)據(jù)采集的的要求，利用3D掃描儀獲取球桿試件的循環(huán)荷載作用下彎曲、開裂直至斷裂的空間彈塑性變形形態(tài)，并根據(jù)掃描得到的變形數(shù)據(jù)結(jié)果，對試件在循環(huán)荷載下的彈塑性性能進(jìn)行描述，以證明數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性可滿足基金項(xiàng)目對試驗(yàn)數(shù)據(jù)要求并總結(jié)出四面各個(gè)掃描法和試件橢圓化變形直觀圖創(chuàng)新了數(shù)據(jù)表達(dá)和結(jié)果呈現(xiàn)，說明3D掃描儀在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中呈現(xiàn)的科學(xué)全面、精確直觀的特點(diǎn)。

1 Artec EVA 3D掃描儀塑性變形采集方案

1.1 Artec EVA 3D掃描儀的基本原理

圖1 Artec EVA 3D掃描儀

Artec EVA 3D掃描儀[2](圖1)構(gòu)建的3D模型利用三角測距原理，模型內(nèi)設(shè)有高清攝影機(jī)(擁有3D捕捉功能)及閃光燈。當(dāng)開始工作的時(shí)候，閃光燈將發(fā)射激光線到目標(biāo)物上構(gòu)成原理所需的三角形(一般由激光光點(diǎn)、攝影機(jī)與激光本身組成)，此方法是由WILL等[3-4]提出設(shè)想并加以應(yīng)用的。在激光照射到目標(biāo)時(shí)，由于目標(biāo)表面曲率不同，表面上產(chǎn)生不同方向的折射和散射，此時(shí)高清攝像機(jī)捕捉這些光線，得到點(diǎn)云[5](目標(biāo)物表面采樣點(diǎn)的集合)，同時(shí)目標(biāo)物表面紋理信息也被記錄[6]，為了每個(gè)掃描點(diǎn)云可以獲得足夠的測距精度及位置精度，該掃描儀采用自動(dòng)的、實(shí)時(shí)的、自適應(yīng)的激光聚焦技術(shù)[7]。高精度三維模型的生成，是由掃描器的自身數(shù)據(jù)處理和點(diǎn)云所得紋理信息(通過自動(dòng)插補(bǔ)物體表面形狀并整合掃描)得到的[8]。

本次試驗(yàn)所使用掃描儀工作范圍為0.100～1.000 m，數(shù)據(jù)精度要求為0.1 mm，角度范圍在0°～90°，所以為獲得一個(gè)試件的空間變形形態(tài)，需要沿高度方向平均分段，并在各段水平面范圍內(nèi)分四部分(水平角度為90°)測量并記錄數(shù)據(jù)，稱該掃描方式為四面各個(gè)掃描法。由于該手持型掃描儀在掃描過程中對于操作的移動(dòng)速度和距離目標(biāo)物的距離有要求，因此本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了如圖2所示的自動(dòng)升降支架[9]，該支架系統(tǒng)由本試驗(yàn)小組自主設(shè)計(jì)，利用電瓶器、400 W電動(dòng)機(jī)和渦輪減速器來控制速度，將掃描儀安裝在承臺上，由連接鏈條控制位移變化。為方便控制該系統(tǒng)，設(shè)置了可調(diào)節(jié)速度的遙控器，配合控制盒的變頻器面板進(jìn)行無極變速，使得該系統(tǒng)具有穩(wěn)定、勻速、操作方便的特點(diǎn)。當(dāng)試驗(yàn)構(gòu)件發(fā)生大幅度彎曲之后，就需要人工的手持掃描儀進(jìn)行四面掃描(圖3)。

圖2 自動(dòng)升降支架與控制器與控制臺細(xì)節(jié)

圖3 人工掃描

Fig.3 Manual scanning

該試驗(yàn)采用的是四面各個(gè)掃描法，在計(jì)算機(jī)上得到的結(jié)果即為試驗(yàn)桿件的一個(gè)片面，因此需要在拼接時(shí)對齊選取的三對多視角數(shù)據(jù)中相同位置標(biāo)定點(diǎn)，從而將各個(gè)視角掃描數(shù)據(jù)拼接生成整體模型(圖4)。在拼接后要進(jìn)行表面的處理，可以得到更為清晰與實(shí)際的掃描模型(圖5)。

在處理3D掃描儀的流程為：采集掃描數(shù)據(jù)——降噪處理——拼接——表面處理——測量所需數(shù)據(jù)。

圖4 模型的拼接

圖5 對比圖

Fig.5 Comparison chart

1.2 螺栓球球桿試件低周疲勞試驗(yàn)的概述

1.2.1 試驗(yàn)桿件的選用

本試驗(yàn)依據(jù)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的要求，分別選用規(guī)格為直徑60 mm、壁厚3.5 mm，直徑76 mm、壁厚3.75 mm，直徑114 mm、壁厚3.75 mm的圓鋼管，研究桿件往復(fù)受壓屈曲、水平撓度、桿端力和桿端位移的滯回關(guān)系、桿件截面橢圓化及空間變形形態(tài)等超低周疲勞性能[10]。而且桿件與套筒采用Q235B級鋼材、強(qiáng)度10.9級高強(qiáng)螺栓、螺栓球直徑180 mm的45號鋼球。

1.2.2 試驗(yàn)加載裝置的設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)是通過FCS電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)對高強(qiáng)螺栓管球組合試件施加往復(fù)荷載[11]，并且將下部螺栓球固定，上部螺栓球連接可豎向滑動(dòng)的三向限位支撐體系，使其只能豎向移動(dòng)(圖6)。

FCS電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)[12]：試驗(yàn)加載裝置采用FCS電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)控制、加載執(zhí)行和油源(分油器及管路)三部分組成，該系統(tǒng)可以通過計(jì)算機(jī)控制加載，加載方式可以選擇荷載控制和位移控制，且最大行程為±500 mm、最大荷載為1 000 kN、荷載傳感器精度為0.3 %且位移傳感器精度為0.05 %。

三向限位支撐體系[13]：該體系由可滑動(dòng)的鉤扣、三根圓鋼管(長度可調(diào))和豎向滑槽組成。長度可調(diào)的圓鋼管通過法蘭圓盤上的三根螺桿調(diào)節(jié)圓鋼管長度，并且圓鋼管一端與聯(lián)系梁連接，另一端與法蘭圓盤焊接。為保證在試驗(yàn)時(shí)上部螺栓球在只能空間內(nèi)豎向移動(dòng)，在加載時(shí)利用鉤扣的限制作用使得上部螺栓球只能在豎向滑槽內(nèi)平穩(wěn)滑動(dòng)(圖7)。

圖6 試件加載裝置實(shí)物圖

Fig.6 Test piece loading device

圖7 三向限位支撐體系的細(xì)部構(gòu)造與實(shí)際樣式

Fig.7 Detail structure of three-way limit support system

1.2.3 試驗(yàn)加載制度的設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用的加載制度是力和位移混合加載，是根據(jù)GB/TI 5248—2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞破壞方法》[14]的要求，具體實(shí)施制度為在試件達(dá)到屈服前先采用控制力的方法逐級施加荷載，待到桿件屈服后采用控制位移的方法逐級施加荷載，加載制度為不對稱式的加載。

1.2.4 試驗(yàn)對變形(包括彈性與塑性變形)檢測的需求

本試驗(yàn)需要對試件的塑性變形從多個(gè)方面進(jìn)行采集。主要采用3D掃描儀對試件的豎向變形、水平側(cè)移變形、截面橢圓化變形及塑性鉸形狀尺寸等進(jìn)行測量，并利用全站儀與游標(biāo)卡尺對其測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證3D掃描儀測量的精度，意在將3D掃描儀測量技術(shù)可以成功應(yīng)用于結(jié)構(gòu)體系或構(gòu)件的抗震相關(guān)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集之中。

1.2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集步驟闡述

本試驗(yàn)利用3D掃描儀對選定試驗(yàn)組數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐次收集。具體步驟包括：

① 試驗(yàn)荷載加載。利用FCS電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)對模擬的單次荷載進(jìn)行加載，并留存加載有試件的變形圖像便于與后期掃描結(jié)果進(jìn)行對比；

② 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集。荷載加載結(jié)束后，針對試件的中部撓度變化和橢圓化變形分別利用NST—360 R型全站儀和游標(biāo)卡尺進(jìn)行收集記錄；與此同時(shí)利用3D掃描儀對整個(gè)桿件運(yùn)用四面各個(gè)掃描法進(jìn)行掃描工作；

③ 后期數(shù)據(jù)處理。對已記錄的數(shù)據(jù)和掃描結(jié)果進(jìn)行處理，并對同次同點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行做差并得到相對誤差，驗(yàn)證3D掃描儀科學(xué)直觀和精確全面等特點(diǎn)。

2 螺栓球球桿試件彈塑性變形采集結(jié)果對比

在本次試驗(yàn)當(dāng)中，需要3D掃描儀工作的區(qū)間，包括上下螺栓球和試件，高度區(qū)間為0.000～2.400 m。在試驗(yàn)初期，單根試件的彎曲變形較小，為了省時(shí)省力，需用自動(dòng)升降支架進(jìn)行掃描采集；在試驗(yàn)過程中試件發(fā)生較大的彎曲時(shí)(桿件中部與初始狀態(tài)桿件中部同一位置且直線距離差大于60 mm)，掃描儀無法準(zhǔn)確做到掃描完整，因此此時(shí)需要改換人工手持儀器沿試件彎曲趨勢掃描的方法。下面對比本試驗(yàn)中用 3D掃描儀所采集的數(shù)據(jù)和常規(guī)測量儀器收集的數(shù)據(jù)，來對3D掃描儀的精度進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 試驗(yàn)思路闡述

為研究3D掃描儀在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的可應(yīng)用性，本文將選取一組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析并總結(jié)，對比在同時(shí)同點(diǎn)利用3D掃描儀和傳統(tǒng)測量方法所得數(shù)據(jù)，得出3D掃描儀可行性好、精確度高、全面直觀和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)論。

2.2 選取試驗(yàn)組別介紹

為研究3D掃描儀在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的應(yīng)用，選取了本次試驗(yàn)當(dāng)中的M20高強(qiáng)螺栓與直徑76 mm、壁厚3.75 mm的圓鋼管組配試件的一次試驗(yàn)進(jìn)行分析，得出結(jié)論。該試件的加載制度如表1所示。

表1 構(gòu)件拉壓動(dòng)作指令

注：壓/拉構(gòu)件動(dòng)作指令是由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)決定，先荷載控制后位移控制

2.3 與常規(guī)測量儀器的測量數(shù)據(jù)對比

本次試驗(yàn)中，為了研究3D掃描儀所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對比3D掃描儀測量的數(shù)據(jù)和常規(guī)測量手段得到的數(shù)據(jù)，其中需要對桿件中部的水平撓度變化方面(NST—360 R型全站儀)和桿件橢圓化程度方面(游標(biāo)卡尺)的研究，得到3D掃描儀在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中可行性好的特點(diǎn)。

對試件中點(diǎn)水平撓度數(shù)據(jù)分析，將對幾個(gè)具有代表性命令下的荷載狀態(tài)進(jìn)行掃描采集。桿件中點(diǎn)標(biāo)定點(diǎn)的撓度全站儀測量數(shù)據(jù)和掃描儀測量數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表2所示。

表2 試件中點(diǎn)水平撓度

圖8 桿件中部的水平荷載撓度變化對比曲線

由表2可知，當(dāng)荷載幅值增加時(shí)撓度將呈現(xiàn)較大增加，相同荷載幅值下隨著循環(huán)次數(shù)增加，撓度也有增大。掃描儀數(shù)據(jù)與全站儀數(shù)據(jù)對比曲線如圖8所示，誤差保持在5 %左右，撓度值較小時(shí)誤差較大，撓度較大時(shí)誤差較小。對于出現(xiàn)的誤差，我認(rèn)為出現(xiàn)在平整全站儀、照準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)和儀器本身的精度；還包括在拼接掃描結(jié)果時(shí)的誤差。

由圖8可知，3D掃描儀測量結(jié)果與全站儀測量結(jié)果擬合度很高，表明3D掃描儀的測量的精度滿足要求。

2.4 試件的空間變形形態(tài)采集

3D掃描儀擁有直接獲取檢測對象表面三維數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，因此在本次試驗(yàn)當(dāng)中，將3D掃描儀后期處理后得到的3D模型與的試驗(yàn)照片的對比，如圖9所示。由圖9可見，兩者一致性很好。

(a)原始桿件

(b)受壓18 mm第一次

(c)受壓18 mm第三次

(d)受壓18 mm第五次

2.5 試驗(yàn)桿件的細(xì)部分析與圓鋼管截面橢圓化分析

在得到試驗(yàn)桿件的后期處理3D模型后，通過對比實(shí)際拍照的圖片，可以完全清晰的看到桿件的細(xì)節(jié)變化(圖10)，還可以得到3D掃描儀在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中實(shí)用性高的特點(diǎn)。而且3D掃描儀可以預(yù)判桿件在斷裂之前的預(yù)兆(裂紋與凹陷等)，判斷桿件在斷裂前的細(xì)部特點(diǎn)等變化，分析斷裂后的斷口形態(tài)，因此在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中3D掃描儀的加入是具有科學(xué)性與必要性的。

(a)原始狀態(tài)桿件細(xì)節(jié)圖

(b)壓18 mm第一次桿件細(xì)節(jié)圖

(c)壓18 mm第五次桿件細(xì)節(jié)圖

對于圓鋼管截面橢圓化，從定義層面來說，就是構(gòu)件彎曲會(huì)導(dǎo)致圓鋼管截面發(fā)生橢圓化變形，且橢圓的短軸方向?yàn)闃?gòu)件整體失穩(wěn)方向。在本次試驗(yàn)當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)橢圓化變形發(fā)展至一定程度時(shí)會(huì)引起試件的局部屈曲，這是由于試驗(yàn)采用的往復(fù)循環(huán)加載會(huì)引起圓鋼管截面橢圓化的進(jìn)一步發(fā)展，構(gòu)件的抗彎剛度隨之降低引起的[15]。在實(shí)際試驗(yàn)當(dāng)中，無法取出正在試驗(yàn)的桿件的圓截面來觀察其橢圓化變形，因此通過Artec EVA 3D掃描儀來截取桿件中點(diǎn)斷面線，觀察橢圓化變形過程，可以幫助我們判定在某一特定加載制度下桿件發(fā)生局部屈曲的大概時(shí)刻，還可以通過測量得到試驗(yàn)桿件的塑性鉸的大小，本次試驗(yàn)的塑性鉸為238 mm。同時(shí)，在桿件中點(diǎn)位置向桿端取間隔為200 mm的8個(gè)點(diǎn)(圖11)，使用游標(biāo)卡尺測量這四組直徑的變化以監(jiān)控桿件橢圓化變形程度，并對3D掃描儀測量結(jié)果進(jìn)行對比(表3)，同時(shí)可以驗(yàn)證桿件發(fā)生屈曲的時(shí)刻與修正掃描工藝。

(a)初始狀態(tài)

(b)橢圓化變形

(c)橢圓化變形

表3 3D掃描儀與游標(biāo)卡尺對試件指定點(diǎn)直徑測量數(shù)據(jù)對比

由表3可知，對試件指定點(diǎn)的直徑測量結(jié)果可知，3D掃描儀與游標(biāo)卡尺的測量結(jié)果差值均小于0.5 mm且相對誤差小于0.5 %，即可認(rèn)為Artec EVA 3D掃描結(jié)果模型的精度較高，滿足試驗(yàn)要求。

2.6 3D掃描儀試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集優(yōu)缺點(diǎn)闡述

經(jīng)過多次實(shí)際操作總結(jié)，可以得到3D掃描儀在收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)體現(xiàn)出的一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。具體如下：

① 3D掃描儀的數(shù)據(jù)處理結(jié)果十分精確，可以直觀的觀察利用配套軟件處理后的桿件并進(jìn)行高精度測量；

② 3D掃描儀在操作時(shí)相對傳統(tǒng)測量方法不需耗費(fèi)太久的時(shí)間，工作效率較高；

③ 3D掃描儀本身儀器重量輕巧，易于攜帶和使用；

④ 3D掃描儀在操作過程中需要保持較高的穩(wěn)定性，尤其在大變形期間對于操作者的要求較高；

⑤ 3D掃描儀對試驗(yàn)環(huán)境要求較高，試件和環(huán)境的色彩明亮對比要求高，否則很難在配套軟件中清晰呈現(xiàn)。

3 結(jié)論

本文闡述了3D掃描儀在螺栓球節(jié)點(diǎn)球桿組合試件的超低周疲勞試驗(yàn)塑性變形采集中的應(yīng)用，驗(yàn)證了3D掃描儀的可行性和精確性，并提供了四面各個(gè)掃描法和試件橢圓化變形直觀圖，打破了傳統(tǒng)測量方法的局限性。并得到以下結(jié)論與建議：

① 在需要采集塑性變形的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中，采用高精度3D掃描儀可以幫助全方位的采集塑性變形數(shù)據(jù)，定量分析試件的塑性變形形態(tài)。

② 設(shè)計(jì)的自動(dòng)升降裝置，避免了人工操作穩(wěn)定性差的弊端，有助掃描儀高效精確掃描試件的空間變形形態(tài)。

③ 通過傳統(tǒng)測量儀器全站儀與游標(biāo)卡尺采集同一試件在同一時(shí)間同一測點(diǎn)的數(shù)據(jù)對比，證明利用3D掃描儀收集的數(shù)據(jù)在滿足試驗(yàn)要求的前提下得到大幅的提升。

④ 3D掃描儀在試驗(yàn)過程中的具體操作還需要更加便捷與廣泛，對于現(xiàn)存問題需要針對性的深度研究與改進(jìn)。