韓達(dá)光，梁寧博，李學(xué)飛，馬曉鑫，馬鵬飛，楊永光

(中冶建筑研究總院有限公司，北京100088)

激光雷達(dá)檢測溫度對大型鋼結(jié)構(gòu)變形影響分析

韓達(dá)光，梁寧博，李學(xué)飛，馬曉鑫，馬鵬飛，楊永光

(中冶建筑研究總院有限公司，北京100088)

通過三維激光掃描儀對不同溫度的鋼柱進(jìn)行多次掃描，通過擬合圓柱獲取鋼柱頂部同一高度的截面圓的圓心作為位移的參考量，對鋼柱因表面溫度變化引起的變形進(jìn)行了分析。實驗結(jié)果表明隨著表面溫度的變化，鋼柱會有一定的偏移。實驗證明該方法快速、高效、精度高、對于分析鋼結(jié)構(gòu)的變形是可行的。

三維激光； 鋼結(jié)構(gòu)； 溫度

隨著鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，大型鋼結(jié)構(gòu)建筑也隨處可見，其體量、跨度、高度也都在增加，安裝精度要求也非常高。在建造和使用階段造成變化變形的因素有多種，其中溫度引起的變化也不容忽視。迄今為止，在鋼結(jié)構(gòu)的安裝過程中，溫度對安裝精度的影響也都為各個國家所重視，并且有相當(dāng)一部分國家將其列入到各種規(guī)范中[1]。

我國在鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，因為鋼結(jié)構(gòu)表面溫度變化引起的鋼件變形而導(dǎo)致鋼件無法順利安裝的問題，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工規(guī)范中都沒有明確的規(guī)定。因此，對于溫度變化引起的鋼結(jié)構(gòu)安裝不上的問題需要引起重視。為了進(jìn)一步分析表面溫度對不同半徑，不同長度的柱狀結(jié)構(gòu)的影響。本文利用三維激光掃描儀獲取柱狀鋼結(jié)構(gòu)表面點云模型，通過不同時段和不同溫度下數(shù)據(jù)的對比，對溫度影響下的柱狀鋼結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了初步分析。

1 實驗原理

利用三維掃描技術(shù)和表面溫度計測定鋼柱隨著表面溫度的變化在其豎直方向位移變化情況，位移變化用鋼柱頂端圓心坐標(biāo)位移來衡量。

2 實驗裝置

2.1 三維激光掃描儀

Z+F IMAGER 5010是一款相位式掃描儀，可對物體進(jìn)行高速掃描，并且能夠在所感興趣的區(qū)域內(nèi)根據(jù)需求進(jìn)行掃描。該掃描儀精度高，掃描距離能夠達(dá)到187 m，能夠滿足實驗精度要求，為精確的實驗結(jié)果打下基礎(chǔ)。如表1是Z+F IMAGER 5010掃描儀的性能參數(shù)表。

此次實驗中采用Z+F IMAGER 5010掃描儀，主要部件包括：Z+F IMAGER 5010主機(jī)一臺、腳架一個、標(biāo)靶若干。如圖1是 Z+F IMAGER 5010掃描儀。

2.2 溫度獲取裝置

本實驗標(biāo)本表面溫度是用利用表面溫度計TES-1310測得，其溫度測量范圍是-50～200℃，解析度為0.1℃，精確度為±(0.3%+1℃)。為了保證溫度測量的準(zhǔn)確性，在測時先取溫度較高的物體表面溫度，確保溫度儀能夠正常工作。

表1 Z+F IMAGER 5010性能指標(biāo)

圖1 Z+F IMAGER 5010掃描儀圖

圖2 TES-1310表面測溫計

表面溫度計主要包括：測溫計主機(jī)、測溫棒。如圖2是TES-1310測溫儀。

3 實驗過程

3.1 實驗基本情況介紹

為了保證實驗質(zhì)量，同時考慮到日照的情況，分析到柱狀鋼結(jié)構(gòu)表面溫度的變化情況，使得數(shù)據(jù)有一定的可信度，在工程的東側(cè)、北側(cè)、西側(cè)共選取8根長度不同，半徑各異的柱狀鋼結(jié)構(gòu)作為實驗標(biāo)本，其中1～3為一組，分布在工程的東側(cè)；4～5為一組分布在項目北側(cè)；6～8分布在西側(cè)。鋼柱分布，及站點分布圖如圖3所示，圖中青色圈代表掃描儀架設(shè)站點，黑色圈代表鋼柱。鋼柱在整個鋼結(jié)構(gòu)中的相對關(guān)系也如圖中所示。表2是各鋼柱的基本信息。

圖3 實驗標(biāo)本分布圖

mm

實驗前確定架站位置并做好標(biāo)記，基本上能夠確保每次將儀器架設(shè)在一致的位置上，避免因為掃描角度而產(chǎn)生誤差。

實驗時間共計2天，每天掃描3次，分別安排在上午7點、下午3點和晚上6點。每次均進(jìn)行單站掃描，考慮到要對不同次間掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，因此需要將數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標(biāo)系，所以在實驗開始前設(shè)置拼接標(biāo)靶，方便數(shù)據(jù)間的拼接。為了保證精度，標(biāo)靶不能移動，且放置位置必須能夠看作是沒有變形的。

綜合考慮到這些因素，我們最終選擇平面打印標(biāo)靶，每一區(qū)域均設(shè)置有4個，分別設(shè)置在不同高度和不同平面上。

3.2 數(shù)據(jù)獲取

3.2.1 點云數(shù)據(jù)獲取

為了避免拼接誤差，以及角度等造成的誤差，在數(shù)據(jù)采集時，確定站點位置基本保持一致，掃描過程中掃描模式設(shè)置為super high。

在掃描計劃時間內(nèi)，依次對每個區(qū)域進(jìn)行掃描。如圖4分別是三個區(qū)域的原始掃描數(shù)據(jù)，圖中數(shù)字表示了每個實驗樣本的位置和命名。

圖4 點云原始數(shù)據(jù)

3.2.2 溫度獲取

溫度測量和掃描同時進(jìn)行，利用表面溫度計TES-1310，在掃描的進(jìn)行溫度測量，注意在測溫時避免測溫人員對實驗鋼柱的遮擋，出現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)不全的情況。為了保證溫度測量的準(zhǔn)確性，在測時先取溫度較高的物體表面溫度，確保溫度儀能夠正常工作。測溫時需測量正對著掃描儀一側(cè)的鋼柱的溫度。表3是第一天測量獲取的溫度數(shù)據(jù)。

表3 溫度統(tǒng)計 ℃

3.2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在本次掃描中，實驗的三個區(qū)域是相互獨(dú)立的，每個區(qū)域都是通過一站掃描的，沒有多站掃描，因此不需要拼接，只需要利用實驗前設(shè)置的拼接標(biāo)靶，將不同次掃描數(shù)據(jù)拼接在一起，統(tǒng)一坐標(biāo)系。在實驗中拼接精度都保持在1 mm左右。

通過激光雷達(dá)得到的數(shù)據(jù)是一系列規(guī)則排序的三維坐標(biāo)，在實驗中我們需要通過某一點的具體變化情況來評價因溫度變化而對鋼柱產(chǎn)生的影響。因此實驗中，筆者充分考慮實驗樣本的形狀，通過點云擬合圓柱，將圓上表面圓心坐標(biāo)變化作為特征點，以此來分析柱狀鋼結(jié)構(gòu)因溫度變化而引起的變形。圖5是6、7、8三根擬合的效果圖，其中擬合最大標(biāo)準(zhǔn)偏差保持在1 mm左右。

4 測量結(jié)果

在數(shù)據(jù)處理過程中，為了避免鋼柱頂端掃描結(jié)果的誤差影響，將近頂部同一高度的剖面圓的圓心坐標(biāo)近似看作鋼柱擬合圓柱上頂面圓心。

圖5 圓柱各時段擬合效果

通過數(shù)據(jù)處理能夠得到每一根鋼柱頂端面中心坐標(biāo)，并以第一次測得的結(jié)果為初始位置，計算中午和晚上測量結(jié)果與初始位置在三個軸上的差值，分別用ΔX、ΔY、ΔZ表示，并計算位移差值，用ΔS表示。如表4所示，為第一天測量數(shù)據(jù)提取的鋼結(jié)構(gòu)偏移變化值。

表4 中心坐標(biāo)偏移表部分 m

計算早上和中午，早上和晚上測得圓心間的距離，如表4中ΔS列所示，前一個距離表示早上到中午的變化量，后一個表示早上到晚上的變化量。將其以折現(xiàn)圖的形式表示(圖6)，其中橫軸代表溫度變化量，軸代表距離，單位為mm。

圖6 位移變化折線(單位：mm)

在圖6中，標(biāo)有編號的線段間的折線代表該編號的鋼柱位移變化。從圖中可以看出，1號鋼柱隨著溫度降低距離減小；2號鋼柱隨著溫度的變化位移增大；3號鋼柱與2號柱子

趨勢相同；4號與1號柱子相同，5號柱子則又隨著溫度升高而距離減小；6號柱子隨著溫度升高距離增加；7號溫度差減少0.3℃，距離確有明顯的變化；8號柱子隨著溫度的降低略微增大。

從分析中可以看出，隨著溫度的升高有些位移增大，有些位移減?。煌瑯与S著溫度降低有些距離增加有些距離減小。在實驗中，對第二天測量的結(jié)果進(jìn)行分析，表現(xiàn)出同樣的分析結(jié)果。從整個結(jié)果可以看出，鋼柱的變形沒有呈現(xiàn)一定的規(guī)律。

結(jié)果原因分析：在實驗中，鋼結(jié)構(gòu)安裝基本完成，各個鋼柱已經(jīng)與其它鋼件連接在一起形成一個整體。因此我們在測量過程中測量的是各個方向上力作用的結(jié)果，并非單一溫度作用下鋼柱的變形情況。因此研究安裝階段表面溫度對鋼柱的變形影響，需要對單獨(dú)的，不與任何其它構(gòu)件相連接進(jìn)行實驗分析。

另一方面表面溫度計的精度較差，對于溫差變化較小時，很可能因為溫度測量不準(zhǔn)確而導(dǎo)致溫度差的錯誤，從而影響到其變形趨勢，因此表面溫度計對于測量結(jié)果也有一定的影響。

5 結(jié)束語

通過工程實例，將溫度對柱狀鋼結(jié)構(gòu)的變形影響進(jìn)行分析，分析結(jié)果有一定的作用，但對于變形規(guī)律還需要進(jìn)一步的實驗。

該實驗的目的是確定隨溫度變化對鋼件安裝的影響。但是在實驗時，基本上絕大部分鋼件已經(jīng)安裝完成，因此該實驗雖然能夠說明隨溫度的變化有一定的影響，但是卻不能定量的進(jìn)行分析，確定變形校正量，因此對于確定鋼柱的變形規(guī)律還需要通過進(jìn)一步的實驗進(jìn)行分析。

對下一步實驗提出進(jìn)一步的要求：

(1)對于樣本的選擇，要求不同的區(qū)域包含各型號的鋼柱，確定長度，半徑、壁厚等對柱子的影響。

(2)對于表面溫度計的選擇，要求其精度要盡可能的高。

(3)針對實驗?zāi)康?，在相?yīng)的工程階段進(jìn)行實驗，避免其它干擾因素的影響。

[1] 沈祖炎,秦效啟，沈德洪，等.高層鋼結(jié)構(gòu)施工中的溫度變形分析[J].結(jié)構(gòu)工程師,1990，(1).17-21

[2] 吳輝宇,向青山.鋼結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析及焊接變形與應(yīng)力分析[J].中外建筑,2009，(4)：176-178

[3] 林錯錯,王元清，石永久，等.溫度作用對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的影響分析[J].工業(yè)建筑，2010，(增刊)： 948-956

[4] 虞崇鋼.復(fù)雜造型外露鋼結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)理論分析[D].蘭州理工大學(xué)， 2008

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[定稿日期]2015-03-20