三維激光掃描技術(shù)在橋梁檢測中的應(yīng)用

文/韓波、陳志文

1 前言

在公路運(yùn)輸領(lǐng)域中，橋梁工程是非常重要的結(jié)構(gòu)組成，所以橋梁建設(shè)施工的環(huán)節(jié)中做好質(zhì)量控制非常重要。就當(dāng)前現(xiàn)狀而言，橋梁建設(shè)領(lǐng)域已經(jīng)逐步邁入“建養(yǎng)并重”的非常時期，大多數(shù)的橋梁項(xiàng)目需要進(jìn)行大中修。三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，能夠攻克地理環(huán)境問題。三維激光掃描是利用專業(yè)設(shè)備進(jìn)行各個結(jié)構(gòu)部分的檢測，從而得到空間坐標(biāo)與表面數(shù)據(jù)信息，形成三維模型。與傳統(tǒng)檢測技術(shù)對比分析，三維激光掃描技術(shù)的精度更高，功能性也更好，所以橋梁檢測中很多都會應(yīng)用該技術(shù)。

2 三維激光掃描技術(shù)原理分析

三維激光掃描技術(shù)屬于技術(shù)新穎的非接觸式測量技術(shù)，該技術(shù)全面應(yīng)用于橋梁工程的質(zhì)量檢測中，對測量行業(yè)起到了積極的促進(jìn)作用。該技術(shù)通過點(diǎn)云形式采集、存儲數(shù)據(jù)信息，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)單點(diǎn)測量的工作方式，并利用高密度數(shù)據(jù)網(wǎng)點(diǎn)確定被測量結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)、表面信息數(shù)據(jù)等，提升數(shù)據(jù)精度。與傳統(tǒng)測量技術(shù)對比分析，三維激光掃描技術(shù)不僅可以提高測量工作效率，其數(shù)據(jù)精度也非常高。按照不同的測距原理做好分析，可以將該技術(shù)分為干涉相位法、脈沖法、三角測距法等，下面將逐一分析常見的測量技術(shù)[1]。

2.1 干涉法測距原理

該技術(shù)是通過發(fā)射出連續(xù)性的激光光源，在光學(xué)的干擾系統(tǒng)影響下，明確相位差參數(shù)、儀器與待測量物體的間隔距離。通常，在距離測量中，干涉相位法應(yīng)用范圍比較大，數(shù)據(jù)精度也非常高，其精度一般可以達(dá)到毫米級。

2.2 脈沖測距法原理

如果要實(shí)施遠(yuǎn)距離的測距工作，那么脈沖測距法的應(yīng)用是比較廣泛的，其最遠(yuǎn)可以達(dá)到幾千米。但是對比來說，它的測量精度相對比較差。這種方法應(yīng)用的主要設(shè)備是發(fā)射接收器、信號處理器、計(jì)時裝置等。信號器在控制過程中，掃描儀可以直接發(fā)射出脈沖激光，在目測的表面進(jìn)行激光的反射，而接收器可以直接接收到相應(yīng)的信號，然后存儲到系統(tǒng)內(nèi)，并利用回波器掌握必要的信息，再通過計(jì)時器明確具體的脈沖運(yùn)行時間，然后根據(jù)時間與速度確定最終距離參數(shù)，形成數(shù)據(jù)模型。

2.3 激光三角法原理

與上述兩種測量方法對比分析，激光三角法主要是應(yīng)用于測量數(shù)據(jù)精度較高的測量工作中。其原理是應(yīng)用發(fā)射器進(jìn)行信號發(fā)射，并和待測量的物體與接收器裝置形成三角形，而這兩個裝置的間隔距離是已經(jīng)確定的，所以需要確定入射角和反射角，然后確定最終的測量距離，達(dá)到測量數(shù)據(jù)精度的要求。

3 工程概況

某橋梁項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案確定采用三塊連續(xù)預(yù)應(yīng)力箱梁的形式，跨徑尺寸30.13m+30.05m+29.98m，橋面結(jié)構(gòu)部分的寬度為9m，且投入使用在10年以上。但因?yàn)樵O(shè)計(jì)時間比較長，所以資料完善度較差。經(jīng)過多個方面的分析，本次工程管理人員決定選擇使用三維激光掃描儀裝置進(jìn)行橋梁的運(yùn)行情況分析和研究。在初步檢測之后可以確定，該橋梁項(xiàng)目屬于變截面的形式，在跨中截面的10m 范圍內(nèi)，對其截面點(diǎn)2.5m的位置上進(jìn)行測試[2]。

4 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用過程分析

4.1 三維掃描試驗(yàn)

在跨中梁底進(jìn)行位移數(shù)據(jù)測量環(huán)節(jié)，三維激光掃描技術(shù)檢測后的數(shù)據(jù)為0.64mm，因?yàn)楸敬喂こ讨袑儆谧兘孛娴男问?，所以各個結(jié)構(gòu)部分的尺寸有一定的不同，因此這個部分并不作為測量重點(diǎn)。該橋梁應(yīng)用的是跨中截面形式，可以利用CAD 進(jìn)行技術(shù)參數(shù)的核算和分析，獲取箱梁面的慣性參數(shù)。通過分析可知混凝土構(gòu)件強(qiáng)度確定為3.3186×1010N/m2。因此，本次工程的彈性模量和C45 混凝土強(qiáng)度相同，在進(jìn)行該橋梁的建模分析過程中可以將該數(shù)據(jù)作為材料屬性技術(shù)參數(shù)。由于本次橋梁投入使用年限較長，很多設(shè)計(jì)資料遺失或者不完全，因此為了使得加載試驗(yàn)更加精準(zhǔn)，我們需要利用有限元模型分析確定橋梁的加載具體情況，了解到變形參數(shù)值，然后分級進(jìn)行加載處理。如果變形參數(shù)和計(jì)算數(shù)據(jù)的偏差比較大或者在預(yù)計(jì)值之上，則應(yīng)該停止加載作業(yè)，否則將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞比較嚴(yán)重，威脅項(xiàng)目運(yùn)行的安全性[3]。

4.2 加載位置及工況分析

在加載位置與工況分析階段，主要采用建模方式對其進(jìn)行分析；設(shè)計(jì)屬性為城-A 級，并采用36t 加載汽車進(jìn)行試驗(yàn)。主要測試內(nèi)容包含結(jié)構(gòu)支點(diǎn)、橋梁跨中與橋梁結(jié)構(gòu)1/4 位置處。為了使檢測順利進(jìn)行，三維激光掃描測量第一、二跨與1/4 位置；為了準(zhǔn)確獲取橋梁應(yīng)用狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，從方便、快速方面出發(fā)，本次加載的工況主要分為兩個。工況一：測試第一跨正彎曲最大位移位置（圖1）；工況二：偏載條件下進(jìn)行第二跨正彎矩最大范圍內(nèi)開始位移參數(shù)的檢測（圖2）。

圖1 加載工況一

圖2 加載工況二

為了保證加載順利進(jìn)行，在不影響結(jié)構(gòu)性能的條件下可以對各個工況進(jìn)行細(xì)化分類，主要分為四級加載施工，且每次加載應(yīng)用一輛車進(jìn)行。按照該項(xiàng)目的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，并結(jié)合試驗(yàn)規(guī)定，靜載效率為0.8～1.05。工況一：對第一跨位置進(jìn)行檢測，該跨設(shè)計(jì)荷載以及試驗(yàn)荷載、實(shí)驗(yàn)效率分別為5162.78kN·m、5105.47kN·m、0.99；工況二：第二跨中檢測點(diǎn)位截面，其設(shè)計(jì)荷載、試壓荷載、實(shí)驗(yàn)效率分別為：4233.18kN·m、4275.51kN·m、1.01。通過不同工況分析，兩種工況下荷載效率全部達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.3 數(shù)據(jù)處理

通過對橋梁項(xiàng)目開展形變量的檢測，了解到形變數(shù)據(jù)信息，使數(shù)據(jù)精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，一般其可以達(dá)到毫米級，甚至能夠達(dá)到亞毫米級，周期效果比較高。在采集數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)，應(yīng)該應(yīng)用數(shù)據(jù)掃描儀器掌握必要的點(diǎn)面云數(shù)據(jù)信息；另外，還應(yīng)該設(shè)置8 個反射片結(jié)構(gòu)，做好數(shù)據(jù)精度的掃描和控制，并結(jié)合具體的測量工作需要，保證測量結(jié)束后能夠進(jìn)行拼接作業(yè)。有些傳感器中融合了三維掃描的方式，因此需要嚴(yán)格控制點(diǎn)云數(shù)據(jù)偏差，使其不能影響整體數(shù)據(jù)精度信息。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集作業(yè)階段，需要在具體實(shí)施前預(yù)先設(shè)定保證各項(xiàng)工作方案，然后再進(jìn)行掃描方式確定。在這一方面的數(shù)據(jù)處理過程中，可以通過Gauss 濾波函數(shù)完成數(shù)據(jù)處理，消除噪聲等污染影響，去除各項(xiàng)多余的數(shù)據(jù)信息，然后進(jìn)行各項(xiàng)樣品數(shù)據(jù)的使用。在數(shù)據(jù)采集完成后，通過后處理的軟件可以實(shí)現(xiàn)截面貫穿的控制，并且準(zhǔn)確掌握拱梁夾角、半徑等方面的信息，從而提高數(shù)據(jù)精度要求[4]。

5 三維激光掃描檢測結(jié)果分析

通過對該橋梁進(jìn)行兩個工況方面的掃描和控制，同時做好橋梁的加載處理，就能夠掌握相應(yīng)的工況條件下位移量參數(shù)。除此之外，整體模型與箱底結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行掃描，然后在空間軟件分析數(shù)據(jù)處理之后可以得到結(jié)果，其數(shù)據(jù)值參考表1。

表1 實(shí)驗(yàn)理論計(jì)算值與實(shí)測結(jié)果分析

激光掃描值相差比較小，且各個數(shù)據(jù)并未超出0.5mm 的要求。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，理論參數(shù)和實(shí)際測量數(shù)據(jù)有明顯的差異，或者在應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)過程中，位移選點(diǎn)的誤差會比較明顯[5]。從實(shí)際情況分析，在橋梁檢測實(shí)踐中，三維激光掃描技術(shù)的測量精度可以達(dá)到要求，尤其是橋梁投入運(yùn)營時間長、資料不完善的情況下，利用該方法可以提升測量精度，其實(shí)際應(yīng)用價值比較高。

6 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描作為新型技術(shù)應(yīng)用到橋梁檢測中，尤其是對于大中修階段，有著非常好的效果。該檢測技術(shù)效果比較好，可以提升數(shù)據(jù)精度，且對各個部分都能夠深入了解情況，同時為橋梁加固施工提供基礎(chǔ)，為交通運(yùn)行質(zhì)量提高奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。