秦世偉, 趙 瑋, 武亞軍, 陳 俊

(上海大學(xué)土木工程系, 上海 200444)

為保證橋梁的安全使用, 須定期對其進行變形檢測,獲取荷載狀態(tài)下橋梁的變形信息[1-2]．目前橋梁變形檢測多使用全站儀進行“以點代面”的測量,即通過部分目標控制點的坐標變化獲得橋梁的水平和垂直位移數(shù)據(jù)[3-4], 此類傳統(tǒng)單點測量方法具有局限性且效率較低[5]．三維激光掃描技術(shù)具有速度快、范圍廣、精度高等特點,結(jié)合了全站儀和攝影測量的優(yōu)點, 彌補了傳統(tǒng)測量手段的不足[6], 能直觀可靠地實現(xiàn)目標的三維重構(gòu)．Park等[7]利用三維激光掃描技術(shù)對鋼梁進行位移變形監(jiān)測,通過點云數(shù)據(jù)獲得位移變形;黃承亮等[8]對橋梁進行三維激光掃描, 通過Geomagic軟件對橋梁進行變形分析和穩(wěn)定性判斷; 鄧曉隆等[9]對拱橋模型進行加載試驗,利用MATLAB分析點云數(shù)據(jù)得到模型的變形值．目前相關(guān)研究重點集中在三維激光掃描技術(shù)在構(gòu)件變形檢測中的可行性,但對測量結(jié)果的工程測量精度鮮有討論．本文對構(gòu)件變形檢測結(jié)果進行探討, 通過有限元軟件MIDAS Civil建立模型, 計算相同工況下試驗鋼梁的變形值, 將三維激光掃描結(jié)果與百分表位移計測量結(jié)果對比，進行精度評價,驗證激光掃描技術(shù)在橋梁檢測中的有效性．

1 簡支梁掃描試驗

1.1 加載試驗

試驗主要儀器為徠卡P40型激光掃描儀(測角精度8″, 測距精度1.2 mm+10 ppm)、索力機械JRC-215型單作用千斤頂、三量322-185型百分表、上海實干SN-NL型壓力傳感器, 在試驗簡支鋼梁跨中分別施加10, 20 kN的集中力, 對比點云數(shù)據(jù)建模變形分析的位移量與百分表測量值, 試驗流程如圖1所示．

1.2 標靶布置和數(shù)據(jù)獲取

圖2為試驗標靶及設(shè)備布置圖．試驗工字鋼梁有效長度為1.1 m, 鋼梁兩端45°角位置處設(shè)置2個測站,設(shè)置激光掃描儀的垂直分辨率為0.001 m, 水平分辨率為0.002 m．標靶布置完成后開始獲取鋼梁的點云數(shù)據(jù), 記錄百分表初始讀數(shù),然后對鋼梁施加預(yù)定荷載后記錄百分表讀數(shù),再次獲取標靶位置后掃描獲取鋼梁點云數(shù)據(jù),每站掃描后,檢查點云是否完整無遮擋,最后遷站并重復(fù)上述步驟獲取其余點云數(shù)據(jù), 測量完成后使用USB閃存盤進行點云數(shù)據(jù)的傳輸用于內(nèi)業(yè)處理．

1.3 點云數(shù)據(jù)處理

運用徠卡掃描儀配套的Cyclone軟件和Geomagic Qualify軟件對點云進行拼接、裁剪、去噪和封裝等操作,并進行位移變形對比分析．

1) 拼接裁剪．在Cyclone軟件中查看點云數(shù)據(jù)的完整性,選擇基于標靶自動拼接,該軟件基于迭代鄰近算法[12]進行拼接,并生成拼接誤差報告．點云拼接完成后,將試驗梁以外的點云數(shù)據(jù)在軟件中裁剪,以保證軟件處理速度．

3) 三角網(wǎng)格化．完成點云的拼接裁剪后, 用Qualify軟件處理點云數(shù)據(jù), 主要分為點階段和三角網(wǎng)格階段[14]．在點階段過程中,首先對點云著色、去除孤點．部分點云數(shù)據(jù)的點之間沒有明顯拓撲關(guān)系,須進行三角網(wǎng)格優(yōu)化處理．通過“封裝”命令將點云數(shù)據(jù)構(gòu)建成Delaunay三角網(wǎng)格模型,并對一些孔洞縫隙進行填充和搭橋等方式的“修補”,刪除模型中的釘狀物,通過“網(wǎng)格醫(yī)生”命令自動檢測并糾正錯誤的多邊形網(wǎng)格,得到表面質(zhì)量優(yōu)化的多邊形模型．

2 變形分析

2.1 試驗結(jié)果

首先將目標模型對齊在同一坐標系下, 通過軟件對受力測試模型和參考模型(未加載的模型)進行變形分析,設(shè)位移閾值為5 mm, 位移偏差色譜圖見3．由圖3可知,試驗簡支梁位移變形主要在-2.6 ～ 1.4 mm之間, 受壓向下的位移變形值在跨中位置處最大,并向兩端逐漸減?。捎谥ё姆聪蜃饔昧?簡支梁兩端有反向的位移變形,但對模型跨中位移變形分析的影響可以忽略．受力10 kN時, 百分表位移計與激光掃描測得的位移變形值分別為1.540, 1.602 mm, 誤差為4%; 受力20 kN時, 百分表位移計與激光掃描測得的位移變形值分別為2.467, 2.516 mm, 相對誤差為2%．均滿足橋梁撓度檢測中的誤差要求．

2.2 有限元分析

將試驗鋼梁實際彈性模量E0、試驗梁類型和截面尺寸輸入MIDAS軟件中, 隨后建立節(jié)點單元模型, 為便于計算將簡支梁分成8個單元由9個節(jié)點連接,每個獨立單元長度為0.137 5 m．參照實際工況對簡支梁進行模擬試驗,對跨中節(jié)點施加豎向荷載20 kN, 運行結(jié)構(gòu)分析獲得有限元模擬運算結(jié)果,有限元輸出的位移結(jié)果見圖4．由圖4可知, 有限元模型跨中位移變形為2.625 mm, 與激光掃描測量值僅相差0.109 mm,各個關(guān)鍵點處的變化趨勢也基本相同, 驗證了三維激光掃描變形檢測的精確性．

3 結(jié)語

相比于傳統(tǒng)測量手段,基于激光點云數(shù)據(jù)的位移變形檢測速度快、精度高,三維激光掃描技術(shù)檢測的試驗簡支梁位移變形與百分表測量值、有限元模擬值的誤差都在5%以內(nèi), 符合一般橋梁檢測的標準．三維激光掃描技術(shù)還可用于橋梁建模,實現(xiàn)橋梁的變形檢測和彈性模量測量．

由于試驗材料和加載條件的限制,故本試驗簡支梁存在變形不明顯的問題．后續(xù)還可以完善點云精度評價標準以更好地指導(dǎo)點云處理,促進激光掃描檢測技術(shù)的廣泛運用．