三維掃描技術(shù)在模塊通廊荷載試驗(yàn)變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

李萬(wàn)慶，馮明宇，孟文清，3，張亞鵬，3，劉 爽

(1.河北工程大學(xué) 管理工程與商學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；3.河北省裝配式結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，河北 邯鄲 056038)

三維激光掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型的測(cè)量技術(shù)，與以往傳統(tǒng)的單點(diǎn)式采集數(shù)據(jù)方式不同，它是利用三維激光掃描儀掃描得到目標(biāo)物表面點(diǎn)云的三維空間坐標(biāo)，該技術(shù)也被稱(chēng)為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式、全自動(dòng)、高精度的立體式掃描技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體全面的測(cè)量[1-3]，彌補(bǔ)了單點(diǎn)式測(cè)量方法的不足，具有獲取數(shù)據(jù)速度快、獲取數(shù)據(jù)信息量大、精度高、非接觸測(cè)量等諸多優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)逐漸應(yīng)用到一些新的環(huán)境領(lǐng)域：采石采礦、建筑設(shè)計(jì)、變形監(jiān)測(cè)、隧道工程、質(zhì)量控制等[4，5]，如在某氣膜球倉(cāng)施工過(guò)程中，使用三維激光掃描技術(shù)成功監(jiān)測(cè)了施工過(guò)程倉(cāng)壁的整體變形。

模塊通廊是一種具備模塊化施工能力的新型通廊結(jié)構(gòu)，工作效率高，施工周期短。這種模塊式通廊在批量應(yīng)用實(shí)際工程之前，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能研究，由于這種通廊結(jié)構(gòu)是由不規(guī)則外型的構(gòu)件組裝而成，在變形監(jiān)測(cè)中傳統(tǒng)單點(diǎn)式測(cè)量不能反應(yīng)結(jié)構(gòu)整體變形的變化規(guī)律。將三維激光掃描技術(shù)引用到結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的變形監(jiān)測(cè)中，可以獲取高精度、高分辨率的數(shù)字模型，一方面可以避免傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析的局部性和片面性，另一方面也可驗(yàn)證三維激光掃描技術(shù)在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的適用性與精確性。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)對(duì)象為模塊式單輸送帶輸煤通廊單跨，通廊主體結(jié)構(gòu)為Q235-B的鋼框架結(jié)構(gòu)，底板采用KST板。結(jié)構(gòu)跨度為36m，采用簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，橫截面寬度3.6m，通廊結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示；試驗(yàn)擬通過(guò)此通廊結(jié)構(gòu)足尺模型進(jìn)行分級(jí)加載及破壞性試驗(yàn)，了解并掌握這種結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)性能，進(jìn)而得

到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖2所示。試驗(yàn)豎向荷載采用分級(jí)加載，位移測(cè)量通過(guò)位移計(jì)布置與三維掃描同步進(jìn)行，單點(diǎn)測(cè)量所使用的位移計(jì)布置在底縱梁下方，軸網(wǎng)及位移計(jì)布置如圖3所示。期間觀測(cè)的內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的整體變形及最大撓度，結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力極限時(shí)的破壞形態(tài)。

圖1 模塊式通廊結(jié)構(gòu)(斷面圖)(mm)

圖2 通廊實(shí)體模型圖

圖3 軸網(wǎng)和位移計(jì)布置圖(mm)

2 試驗(yàn)難點(diǎn)及解決方案

2.1 試驗(yàn)難點(diǎn)

1)得到通廊整體結(jié)構(gòu)和任意位置的變形信息。試驗(yàn)要求得到在不同荷載等級(jí)下結(jié)構(gòu)的整體變形、各構(gòu)件任意位置變形情況以及最大變形發(fā)生部位，得到結(jié)構(gòu)各構(gòu)件不同位置在相應(yīng)荷載等級(jí)下的位移數(shù)據(jù)和荷載位移曲線，而位移計(jì)只能得到某個(gè)點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)。

2)位移測(cè)量精度需滿足試驗(yàn)需求。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)量精度要求較高，測(cè)量?jī)x器的性能及誤差也應(yīng)與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的規(guī)模、目的相適應(yīng)。

2.2 解決方案

1)針對(duì)位移測(cè)量方式不再選用傳統(tǒng)的單點(diǎn)式位移計(jì)，而是選用三維掃描技術(shù)得到結(jié)構(gòu)的全方位三維模型。三維掃描儀Trimble TX8具有360°×317°的視場(chǎng)角和每秒1000000點(diǎn)的數(shù)據(jù)獲取速度，能快速全方位非接觸式獲取目標(biāo)內(nèi)、外表面的精確數(shù)據(jù)。三維掃描儀的工作原理是在被測(cè)對(duì)象周?chē)侠聿贾脺y(cè)站，在每個(gè)測(cè)站進(jìn)行三維掃描，可得到測(cè)站間對(duì)象的三維點(diǎn)云模型。通過(guò)Real Works將配準(zhǔn)后的點(diǎn)云圖進(jìn)行裁剪，去除冗余點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可得到通廊的三維點(diǎn)云模型[6，7]。三維點(diǎn)云越密集點(diǎn)云間距越小，則精度越高。

2)為保證測(cè)量時(shí)的精度將采用系列措施。三維掃描儀Trimble TX8在其整個(gè)120m測(cè)程范圍內(nèi)都可以保持高精度測(cè)量，測(cè)距系統(tǒng)誤差小于1mm，而對(duì)于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)來(lái)說(shuō)精度要求更高，在測(cè)量過(guò)程和點(diǎn)云數(shù)據(jù)整合過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生誤差，為保證準(zhǔn)確和提高精度，將采用以下測(cè)量手段[8]：①測(cè)站布置盡量多。則點(diǎn)云數(shù)疏密與測(cè)站布置數(shù)成正比，測(cè)站布置越多，則測(cè)站與測(cè)站間重合的點(diǎn)云數(shù)目則越多，這樣更能減少點(diǎn)云間距造成的誤差；②掃描分為粗略掃描和精細(xì)掃描，粗掃完成后可進(jìn)行視圖裁剪，裁剪出的視圖可進(jìn)行精細(xì)掃描，即在既定角度內(nèi)進(jìn)行掃描且保持更高精度、高密度的點(diǎn)云獲取；③保證現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的安靜，減少噪音和震動(dòng)；④在布置球狀目標(biāo)靶的同時(shí)，新增加黑白目標(biāo)靶；在每次掃描過(guò)程中，球狀目標(biāo)靶布置合理即完全可完成掃描任務(wù)和配準(zhǔn)工作，新增黑白目標(biāo)靶可使每個(gè)測(cè)站連接更加緊密，重合度大大提高，從而使目標(biāo)靶帶來(lái)的誤差降至最低。

數(shù)據(jù)采集完成后使用Real Works軟件對(duì) 點(diǎn)云進(jìn)行裁剪、去噪等處理，同時(shí)進(jìn)行點(diǎn)云分割，利用分割工具把不需要的點(diǎn)云刪除，留下研究對(duì)象的點(diǎn)云信息。通過(guò)以上的處理，可以得到只含有通廊的完整三維點(diǎn)云模型，如圖4所示。

圖4 去噪配準(zhǔn)后的通廊點(diǎn)云圖

3 測(cè)量結(jié)果分析

3.1 變形分析

加載前首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次三維掃描，得到通廊加荷前的初始形態(tài)三維點(diǎn)云圖；在荷載試驗(yàn)過(guò)程中，每級(jí)荷載加載完畢直至穩(wěn)定后，對(duì)通廊結(jié)構(gòu)再進(jìn)行一次三維掃描，得到該荷載級(jí)別下的三維點(diǎn)云圖；通過(guò)對(duì)比設(shè)計(jì)圖與初始形態(tài)的點(diǎn)云圖可以得到結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷，通過(guò)對(duì)比各級(jí)荷載下的三維點(diǎn)云圖與初始形態(tài)的三維點(diǎn)云圖可以得到變形部位的發(fā)展情況。

3.1.1 初始缺陷的監(jiān)測(cè)

傳統(tǒng)的檢測(cè)初始幾何缺陷的方法一般為肉眼觀察，對(duì)于不規(guī)則結(jié)構(gòu)很難定量地描述初始缺陷的大小、深度、形狀等。利用Real Works的切片和數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，將豎向預(yù)加載前的點(diǎn)切片點(diǎn)云與設(shè)計(jì)圖導(dǎo)入到一個(gè)文件中進(jìn)行對(duì)比，很容易可以看到通廊某一位置在初始狀態(tài)就與設(shè)計(jì)不同，明顯看出波紋板上部弧形部位A面有凹陷，變形約為20mm，現(xiàn)以距3軸800mm位置處剖切為例，如圖5所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，波紋板已出現(xiàn)多處凹陷。經(jīng)檢查，A面5、6軸之間凹陷處1，深度約為16mm；A面8、9軸之間凹陷處2，深度約為21mm，凹陷范圍約在高度2850～3450mm處。

圖5 距3軸800mm處波紋板初始變形示意圖

3.1.2 任意位置變形的監(jiān)測(cè)

圖6 距1軸12966mm剖切位置波紋板最大位移

通過(guò)任意豎向剖切得到的單片點(diǎn)云與初始形態(tài)的單片點(diǎn)云圖做對(duì)比，可得到此位置的結(jié)構(gòu)變形信息。以豎向780kN持荷狀態(tài)下的點(diǎn)云切片與豎向預(yù)加載卸荷點(diǎn)云切片進(jìn)行對(duì)比，分別在A面5、6軸之間凹陷處1、在B面8、9軸之間凹陷處2處進(jìn)行剖切，得到的點(diǎn)云切片如圖6、圖7所示；其中通廊A面波紋側(cè)板凹陷處1最大水平位移為86.55mm，凹陷處2最大水平位移為67.69mm。

圖7 距13軸12946mm剖切位置波紋板最大位移

同樣，也可在某位置進(jìn)行水平剖切，得到某個(gè)高度上的通廊單片點(diǎn)云，再與初始形態(tài)的點(diǎn)云圖做對(duì)比，可明顯看出通廊在此平面上的變形情況；在豎向873kN持荷狀態(tài)下，沿支座底部向上偏移3180mm進(jìn)行剖切為例，明顯看出在此平面上波紋側(cè)板的變形位置與大小，通過(guò)豎向和水平剖切，然后進(jìn)行點(diǎn)云切片對(duì)比，可以得到通廊表面任意位置的變形情況。變形明顯部位區(qū)域的水平變形量見(jiàn)表1。

3.2 測(cè)量精度分析

為了驗(yàn)證三維掃描儀的精度，將單點(diǎn)式測(cè)量與

三維掃描技術(shù)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)點(diǎn)云處理可以觀察豎向預(yù)加載卸荷后與豎向873kN持荷狀態(tài)下底縱梁的變形情況，并且可以得到底縱梁在873kN持荷狀態(tài)下相對(duì)于預(yù)加載卸荷后任意位置的變形信息。單點(diǎn)式測(cè)量中位移計(jì)所測(cè)值與三維掃描技術(shù)位移所測(cè)值見(jiàn)表2，從表2中可以看出，兩種方式測(cè)值相差很小，基本保持在1mm內(nèi)，說(shuō)明三維掃描技術(shù)這種測(cè)量方式與位移計(jì)測(cè)值基本吻合，同時(shí)能為傳統(tǒng)測(cè)量方式起到補(bǔ)充變形數(shù)據(jù)的作用[9，10]。

表1 A面波紋板剖切位置水平位移 mm

表2 兩種測(cè)量方法底縱梁位移值對(duì)比 mm

注：上述測(cè)點(diǎn)位移值均為與豎向預(yù)加載卸荷所測(cè)值之差。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)模塊式通廊進(jìn)行三維激光掃描，高效快速地獲得了高精度、高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分析處理后可得到通廊表面任意位置的變形信息，以及整體變形、初始變形信息。對(duì)三維掃描與傳統(tǒng)儀器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，兩種方式測(cè)得的通廊變形信息基本符合，誤差小，滿足精度要求，而且三維激光掃描技術(shù)克服了單點(diǎn)式測(cè)量技術(shù)的局限和不足，同時(shí)也可為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加工制造和力學(xué)性能分析提供大量、充分的數(shù)據(jù)。因此，利用三維掃描技術(shù)可以全面監(jiān)測(cè)通廊結(jié)構(gòu)受荷過(guò)程中的變形情況，信息可靠、全面，此技術(shù)可作為一種高效的量測(cè)手段應(yīng)用于大型工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。