基于三維激光掃描的橋梁鋼構(gòu)件質(zhì)量檢測方法

吳國強(qiáng)，俞家勇*，劉葉偉，魏 旭，許 杰

(1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,安徽合肥 230601;2.中鐵四局集團(tuán)有限公司,安徽合肥 230041;3.安徽省第二測繪院,安徽合肥 230031)

近年來,我國橋梁建設(shè)事業(yè)發(fā)展迅猛,取得了令人矚目的成績。但是,我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁,特別是在中小跨徑橋梁占比遠(yuǎn)少于發(fā)達(dá)國家[1]。其中,美國鋼結(jié)構(gòu)橋梁約占比35%,日本占41%,法國更是高達(dá)85%,我國占比僅為百分之幾[2]。如果按照全壽命周期看,每平方米面積的混凝土橋梁,混凝土結(jié)構(gòu)的能耗為214萬kJ,碳排放平均為82.2 kg;而鋼結(jié)構(gòu)橋梁鋼結(jié)構(gòu)的能耗為196萬kJ,碳排放平均為75.62 kg,均低于混凝土橋梁,且混凝土的廢料回收很困難,鋼結(jié)構(gòu)橋梁的回收利用率能達(dá)到90%,甚至更高[3]。因此,鋼結(jié)構(gòu)橋梁有著很大的發(fā)展空間,更符合我國的綠色發(fā)展之路。鋼結(jié)構(gòu)橋梁建造過程中,橋梁構(gòu)件的質(zhì)量檢測對整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的質(zhì)量把控起著至關(guān)重要的作用,鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、構(gòu)件眾多且構(gòu)件間關(guān)聯(lián)密切,對于這些復(fù)雜構(gòu)件的質(zhì)量檢測成為檢測中的重難點(diǎn)[4]。當(dāng)前橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量檢測指標(biāo)包括尺寸長度、垂直度、旁彎與平整度等[5]。但當(dāng)前橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量檢測中有較大的局限性,如:檢測過程繁瑣、耗時(shí)長,檢測過程中需要多種手段配合使用,檢測數(shù)據(jù)存檔繁瑣、不直觀,且部分指標(biāo)檢測精度受人為因素影響較大等,因此,本文提出使用三維激光掃描技術(shù)對橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行質(zhì)量檢測。三維激光掃描技術(shù)憑著高效率、高精度、非接觸測量等特點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用在一些工業(yè)檢測、構(gòu)件檢測中。李清泉等[6]針對傳統(tǒng)二維光學(xué)成像在路面破損檢測中的不足,提出了基于三維激光斷面掃描的路面破損檢測方法,利用激光線掃描傳感器及裝備在正常行車速度下獲取了高精度的路面三維信息,證明了三維激光在路面破損檢測中具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性,其檢測精度和檢測效率具有明顯優(yōu)勢。周森等[7]利用三維激光掃描儀設(shè)計(jì)了一種快速長度在線檢測系統(tǒng)用于檢測移動(dòng)大尺寸圓柱體工件兩端的表面形貌特征,該系統(tǒng)可在1 s完成直徑約50 mm 工件的長度測量,檢測分辨力為0.010 mm,檢測精度達(dá)到0.050 mm。展現(xiàn)了三維激光在工業(yè)檢測中的高自動(dòng)性和高效性,驗(yàn)證了其滿足在線生產(chǎn)中對大尺寸工件控制和檢測的要求。目前,針對三維激光技術(shù)在建筑構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,國內(nèi)外學(xué)者也開展了一些研究。Wang等[8]利用激光掃描技術(shù)對預(yù)制混凝土構(gòu)件進(jìn)行了表面平整度和變形監(jiān)測,提出一種評估表面平整度與三種評估表面變形的方法,通過對3D 打印機(jī)制造的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了表面平整度與變形評估方法的可行性。Wang等[9]使用地面激光掃描對幾何形狀不規(guī)則的預(yù)制混凝土構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)質(zhì)量評估,提出一種自動(dòng)質(zhì)量評估技術(shù)并使用該技術(shù)對不規(guī)則性的預(yù)制混凝土構(gòu)件尺寸進(jìn)行評估,驗(yàn)證了激光掃描在不規(guī)則構(gòu)件中的適用性。Qi等[10]使用距離相機(jī)測量了鋼筋混凝土梁在循環(huán)疲勞載荷作用下的撓度,并開發(fā)了新的數(shù)據(jù)分割方法與重構(gòu)算法,已重構(gòu)波束隨時(shí)間變化的位移,驗(yàn)證了其振幅達(dá)到亞毫米級,頻率可達(dá)毫赫茲級。錢林等[11]利用斷面對不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)樣板段進(jìn)行檢測,通過將設(shè)計(jì)模型和掃描模型導(dǎo)入到3D 分析軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,有效實(shí)現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)的表面與形變檢測。由迎春等[12]通過對鋼結(jié)構(gòu)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與全站儀數(shù)據(jù)對比用于檢測分析鋼結(jié)構(gòu)變形,并利用三維點(diǎn)云進(jìn)行曲面建模分析并獲得鋼梁撓度變形信息,驗(yàn)證了三維激光掃描儀技術(shù)用于鋼結(jié)構(gòu)檢測的可行性。宋云記等[13]使用三維激光掃描技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)的撓度進(jìn)行測量,將實(shí)測的三維點(diǎn)云與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行空間碰撞分析,獲得了鋼結(jié)構(gòu)整體的空間變形情況,為后續(xù)的三維改造提供了更加直觀的設(shè)計(jì)依據(jù)。目前使用三維激光掃描應(yīng)用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢測研究仍然較少,而橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢測在橋梁建造質(zhì)量把控中起著至關(guān)重要的作用。因此,本文通過使用三維激光掃描技術(shù),結(jié)合自動(dòng)化提取算法對橋梁鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測,利用橋梁鋼結(jié)構(gòu)三維點(diǎn)云和提取的幾何特征,實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)中各項(xiàng)檢測指標(biāo)的自動(dòng)化檢測評估。

1 基于三維激光掃描的鋼構(gòu)件質(zhì)量檢測

1.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

實(shí)驗(yàn)激光掃描數(shù)據(jù)采集設(shè)備為FARO X130三維激光掃描儀,掃描儀主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。數(shù)據(jù)處理通過Faro Scene軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接、去噪后輸出掃描點(diǎn)間距為1 mm 的橋梁點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

表1 掃描儀主要參數(shù)表

進(jìn)行三維激光掃描數(shù)據(jù)采集前,首先根據(jù)橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的復(fù)雜程度,提前制定數(shù)據(jù)采集方案,規(guī)劃好三維激光掃描儀的設(shè)站點(diǎn),保證能夠完整、準(zhǔn)確地獲取到橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。此外,對于獨(dú)立構(gòu)件盡可能一站式掃描完成,避免多站測設(shè)引入拼接誤差。由于鋼構(gòu)件質(zhì)量檢測精度要求較高,為了提高拼接精度,在進(jìn)行作業(yè)掃描時(shí),需要布設(shè)一定數(shù)量靶標(biāo)球,以提高掃描精度。構(gòu)件設(shè)站方法如圖1所示。

圖1 獨(dú)立構(gòu)件設(shè)站示意圖

掃描方案制訂后,即可實(shí)施外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。以一個(gè)測站上的掃描作業(yè)為例,具體的掃描方法如下:①安置儀器。將三維激光掃描儀安置在相應(yīng)位置,對中整平。②安置標(biāo)靶。在高處布設(shè)3個(gè)公共球形靶標(biāo)點(diǎn),注意保證3個(gè)標(biāo)靶之間應(yīng)有高度差。③構(gòu)件掃描。掃描儀開機(jī),依次新建工程、新建測站、輸入測站點(diǎn)名稱,轉(zhuǎn)向待掃描構(gòu)件,設(shè)置掃描范圍、掃描距離和掃描分辨率,實(shí)施掃描。每一測站掃描完成后,搬站,重復(fù)步驟①～③,直至全部掃描作業(yè)完成。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理可劃分為3個(gè)階段,分別為配準(zhǔn)、去噪、抽稀。首先對點(diǎn)云使用標(biāo)靶球?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn),配準(zhǔn)完成后利用最近點(diǎn)迭代(Iterative Closest Point,ICP)算法進(jìn)行精確配準(zhǔn),配準(zhǔn)中誤差優(yōu)于2 mm,獲得鋼構(gòu)件完整點(diǎn)云;配準(zhǔn)完成后對點(diǎn)云利用自動(dòng)化算法和人工交互方式去噪,保留鋼結(jié)構(gòu)點(diǎn)云;最后根據(jù)實(shí)際使用需求,對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀,以提升后續(xù)數(shù)據(jù)處理速度。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集與處理后得到部分橋梁鋼結(jié)構(gòu)點(diǎn)云如圖2所示。

圖2 構(gòu)件點(diǎn)云圖

1.2 鋼板梁構(gòu)件指標(biāo)檢測方法

在橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量檢測中,幾何尺寸是其最基本的檢測指標(biāo),以下為構(gòu)件重要尺寸的檢測指標(biāo)和檢測原理。

(1)長度尺寸:指構(gòu)件中一些重要部位的尺寸項(xiàng)目,一般尺寸檢測可分為構(gòu)件的截面尺寸、軸線或中心線尺寸、布置定位尺寸等檢測項(xiàng)目,如圖3a所示為鋼板梁梁長Lo。檢測計(jì)算方法為:①在被檢測段兩端,選取擬合直線La、Lb;②計(jì)算對應(yīng)兩擬合直線的中點(diǎn)垂距,作為被檢測段長度值Lo。

圖3 檢測指標(biāo)示意圖

(2)垂直度:指蓋板與腹板間角度是否垂直,如圖3b所示。檢測計(jì)算方法為:①分別對上蓋板與腹板進(jìn)行平面擬合;②計(jì)算兩條擬合平面間夾角記為θ;③垂直度計(jì)算Δ ＝0.56×sin(90-θ)。

(3)旁彎:指由于在鋼材切割過程中存在的熱量與內(nèi)應(yīng)力集中產(chǎn)生的變形,如圖3c所示。檢測計(jì)算方法為:①在位于上蓋板與腹板距交線100 mm 處取直線La;②提取距上蓋板平面焊縫處曲線Lb100 mm處腹板對應(yīng)4等分點(diǎn)Pa、Pb、Pc點(diǎn)坐標(biāo);③計(jì)算3點(diǎn)至La距離,取最大值作為被檢測腹板旁彎值。

(4)平整度:指鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件平面內(nèi)的凹凸情況,如圖3d所示。檢測計(jì)算方法為:①提取腹板平面點(diǎn)云坐標(biāo)集,如點(diǎn)Po;②計(jì)算所有腹板點(diǎn)云到腹板擬合方程的距離;③取所有計(jì)算結(jié)果中最大值,作為被檢測腹板平整度值f。

1.3 檢測流程

依據(jù)上述各檢測指標(biāo)計(jì)算方法,設(shè)計(jì)檢測流程如圖4所示,共包括6個(gè)步驟。

圖4 自檢測流程圖

①根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,獲得原始三維激光點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)。②由初始掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、去噪與抽稀等一系列點(diǎn)云處理,獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。③采用隨機(jī)樣本一致性(Rando m Sample Consensus,RANSAC)算法從掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取幾何特征,生成對應(yīng)特征的點(diǎn)云檢測數(shù)據(jù)集。④計(jì)算掃描點(diǎn)并采用最小二乘法進(jìn)行平面擬合得到幾何特征擬合方程。⑤根據(jù)特征點(diǎn)、線、面間的幾何關(guān)系進(jìn)行各檢測指標(biāo)計(jì)算并與檢測指標(biāo)允許誤差對比。⑥輸出各檢測指標(biāo)值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)以仰山大橋一節(jié)四段進(jìn)行掃描測繪,選取部分鋼板梁橫梁,依據(jù)提出的檢測流程展開實(shí)驗(yàn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集和拼接等數(shù)據(jù)處理完成后,對點(diǎn)云RANSAC 算法從掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取幾何特征并擬合出幾何特征對應(yīng)的方程,擬合結(jié)果如圖5所示。其中,腹板擬合平面方程為:

圖5 擬合平面圖

再由已建立的各檢測指標(biāo)算法,依據(jù)擬合出幾何特征方程計(jì)算出各檢測指標(biāo)并輸出。為了更好地分析檢測結(jié)果,針對檢測指標(biāo),在現(xiàn)場利用傳統(tǒng)手段同步檢測出手工檢測值,各指標(biāo)允許誤差值、設(shè)計(jì)值、手工計(jì)算值、自檢測值及兩種檢測計(jì)算差值等結(jié)果如表2所示。

表2 兩種檢測值結(jié)果對比

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得:

(1)精準(zhǔn)性。采用本文提出的自檢測流程進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的各項(xiàng)檢測數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測值均在檢測指標(biāo)誤差允許范圍內(nèi),且與手工檢測值結(jié)果接近,差值均在3 mm 以內(nèi),說明利用三維激光掃描技術(shù)結(jié)合自動(dòng)化算法能夠精準(zhǔn)地完成對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的部分指標(biāo)檢測工作。

(2)全面性。傳統(tǒng)橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的質(zhì)量檢測需要通過多種檢測方法,多次檢測才能夠完成檢測工作,且對于復(fù)雜、含曲面的異形構(gòu)件的檢測更加困難。利用本文提出的自檢測流程可一次完成對構(gòu)件多項(xiàng)指標(biāo)檢測,且可以完成各樣復(fù)雜或異形構(gòu)件的檢測工作。

(3)便捷性。傳統(tǒng)構(gòu)件的檢測過程繁瑣、耗時(shí)長,且對檢測數(shù)據(jù)存檔繁瑣、不直觀。利用本文提出的數(shù)字化檢測方法,將檢測過程變得簡潔且高效,且所有檢測數(shù)據(jù)與結(jié)果保存便捷,可隨時(shí)、直觀地查看,有利于后續(xù)檢測結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化。

3 結(jié)論

本文將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢測中,結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)化特征提取算法和檢測算法,能夠精準(zhǔn)地完成對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的部分指標(biāo)檢測工作。將自動(dòng)化計(jì)算出的檢測指標(biāo)值與鋼板橋鋼結(jié)構(gòu)的手工檢測值對比分析,驗(yàn)證了提取結(jié)果的精準(zhǔn)性和可靠性,證明了三維激光掃描技術(shù)用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的質(zhì)量檢測是可行的,并且精度可靠。此外,利用本文提出的自動(dòng)化檢測方法,將鋼板橋鋼結(jié)構(gòu)檢測過程變得簡潔且高效,有利于后續(xù)檢測結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化,對鋼板橋鋼結(jié)構(gòu)檢測手段的統(tǒng)一性和規(guī)范化具有一定的參考意義,能夠?yàn)榘l(fā)展橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量檢測更高效、更全面、更精準(zhǔn)的數(shù)字化檢測方法提供參考。