李倩文

上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司 上海 200433

近年來，我國公路橋梁建設(shè)快速增長，到目前為止，上海黃浦江上的在役越江大橋有12座，第13座正在建造中。國內(nèi)相關(guān)專家指出，使用壽命達(dá)25年以上的橋梁，近半數(shù)存在較大損傷[1]，并提出我國需要更新、維養(yǎng)的橋梁占比達(dá)10.5%，且此數(shù)量仍在持續(xù)增加[2]。上海第一座跨越黃浦江的大橋——松浦大橋自1976年通車至今已運營40余年，其他10余座越江大橋大多也運營近20年。隨著社會的發(fā)展，越來越多的大型橋梁由新建逐漸進(jìn)入大修改造期。而越江大橋代表性、特殊性及重要性的特點，導(dǎo)致其在大修改造過程中對社會交通的影響情況備受關(guān)注。如何降低橋梁大修改造對既有交通的影響，提升改造質(zhì)量，是值得探索的問題。

在橋梁工程中，專家們基于三維激光掃描技術(shù)對橋梁撓度變形[3]、高墩垂直度、懸索橋主纜線形、吊桿拱橋拱肋線形測量[4]等進(jìn)行了研究，并驗證了該技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測應(yīng)用中的準(zhǔn)確性[5]。這些研究大多是針對橋梁運營養(yǎng)護(hù)期間的監(jiān)測應(yīng)用，但針對橋梁大修建造進(jìn)行施工指導(dǎo)的應(yīng)用研究相對較為匱乏。

有學(xué)者基于三維掃描高精度測量的特點，對鋼構(gòu)件加工及模擬預(yù)拼裝方面[6]進(jìn)行了研究與實踐，具有較高的借鑒意義。本文提出采用三維掃描技術(shù)，對既有鋼結(jié)構(gòu)橋梁整橋及局部鋼構(gòu)件進(jìn)行不同精度的掃描，分析每組主桁豎桿間距、桿件變形及節(jié)點板現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)情況，為改造過程中主桁桿件更換及節(jié)點板加固加工提供施工指導(dǎo)，有效提升項目決策的科學(xué)性。

1 三維激光掃描系統(tǒng)簡介

三維激光掃描技術(shù)是一種利用掃描儀硬件設(shè)備快速采集物體表面海量點信息，并基于相關(guān)軟件對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理應(yīng)用的技術(shù)。根據(jù)掃描設(shè)備承載方式及掃描范圍的不同，主要分為3類：機(jī)載激光掃描、地面激光掃描（含車載移動式和固定式）、手持式激光掃描。

本文根據(jù)需要，選用固定式地面激光掃描儀及手持式激光掃描儀，分別針對主橋鐵路層、節(jié)點板進(jìn)行不同程度的掃描。雖然2種掃描設(shè)備及其精度不同，但都基于相同的測量原理：激光三角形法[7]。對于固定式的地面激光掃描儀測量計算方法[8]，諸多學(xué)者做了詳細(xì)介紹。針對手持式掃描，則是光源投射到被測物體上，經(jīng)調(diào)制解算后被光接收裝置接收，形成一個由光源、被測目標(biāo)、接收裝置構(gòu)成的三角形，繼而通過光源與接收裝置的相對位置關(guān)系，計算確定被測目標(biāo)與掃描儀中心的距離。

2 上海松浦大橋大修工程應(yīng)用實踐

2.1 工程簡介

上海松浦大橋原是一座跨越黃浦江的雙層公鐵兩用橋，上層為車亭公路（G320）過江用的兩車道公路，下層為原鐵路金山支線的單線鐵路。2012年，一座鐵路專用橋在其旁邊建成通車，松浦大橋不再承擔(dān)鐵路運營職責(zé)。為充分利用現(xiàn)有資源，緩解該橋過江交通壓力，對松浦大橋進(jìn)行大修，將上層進(jìn)行拓寬，下層鐵路改為人非通道，如圖1所示。

圖1 大修前后主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

該橋梁大修后，橋面加寬，偏載效應(yīng)影響較大，主桁受力相對增加，需進(jìn)行主桁平聯(lián)細(xì)桿更換，增強(qiáng)其承載能力。因老橋已歷經(jīng)40余年，現(xiàn)有主桁連系桿件存在變形和位移。為準(zhǔn)確獲取構(gòu)件信息并加工新構(gòu)件，引入三維激光掃描技術(shù)，還原現(xiàn)狀橋梁結(jié)構(gòu)，對其主桁豎桿間橫向間距、上懸桿橫向間距、豎桿變形、節(jié)點板的現(xiàn)狀情況等進(jìn)行應(yīng)用分析，為主桁的桿件更換、節(jié)點板加工提供有利的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

鑒于松浦大橋大修期間上層公路橋仍在通行，并綜合考慮現(xiàn)場環(huán)境及施工應(yīng)用需求，本文利用固定式地面三維激光掃描儀對主橋下層橋面進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。主橋段全長419.6 m，由于數(shù)據(jù)精度要求較高，故共設(shè)置96個測站點，所有站點均布設(shè)于下層橋面，由北向南進(jìn)行掃描，橫向沿橋?qū)捲O(shè)置3個測站，縱向10～15 m一個測站，站點布置如圖2所示。

經(jīng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集后得到各個分站點的點云數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)配套專業(yè)后處理軟件Realworks將各站點數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、拼接、去噪，形成如圖3所示的整橋現(xiàn)狀模型。

圖2 下層橋面測站布置平面示意

圖3 整橋預(yù)處理模型

針對保留不拆的主桁節(jié)點板，考慮到節(jié)點板上鉚釘構(gòu)件多，且為了指導(dǎo)加工廠生產(chǎn)，精度要求高，本文采用手持式高精度三維掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。每個節(jié)點板大小約為2 m×2 m，分2次掃描。經(jīng)專業(yè)后處理軟件將2次數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、去噪、預(yù)處理，形成完整節(jié)點板點云模型，如圖4所示。

圖4 節(jié)點板

2.3 數(shù)據(jù)分析

該大修工程主要改造內(nèi)容之一是對其上層橋面系進(jìn)行拓寬，其中涉及改造豎桿間橫向連系，如圖1紅色方框標(biāo)識區(qū)，同時對部分主桁節(jié)點板進(jìn)行原位加固。該橋的鋼構(gòu)件經(jīng)過40余載的運營后，均存在大小不一的變形，既有構(gòu)件尺寸的精準(zhǔn)把握與分析，對如今的改造有重大指導(dǎo)意義。

2.3.1 主桁豎桿間橫向間距分析

在保留主桁豎桿的情況下，更換豎桿橫向連系，本文基于三維掃描現(xiàn)狀點云數(shù)據(jù)模型，利用專業(yè)后處理分析軟件，對各主桁切片處理，切片厚度取10 mm，形成各主桁豎桿的剖面數(shù)據(jù)圖，如圖5所示。主橋全長約420 m，以主橋正中央橋墩為中心，中央位置2對，由中心向兩側(cè)，主橋南北側(cè)各13對，總共形成28對主桁豎桿橫向間距數(shù)據(jù)圖。

經(jīng)過與原建設(shè)期設(shè)計數(shù)據(jù)（豎桿間距為5 298 mm）對比分析，發(fā)現(xiàn)主桁豎桿橫向間距靠近上部橫向連系處變形較大，最大變形量達(dá)7 mm。此數(shù)值與人工測量值一致，同時也驗證了該方法的準(zhǔn)確性。

為精確制造平聯(lián)桿件，對上懸桿間的橫向間距同樣進(jìn)行了薄片切割處理，形成上懸桿間的橫向間距分析圖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)上懸桿間橫向間距相比原設(shè)計數(shù)據(jù)，偏差最大值達(dá)8 mm。

通過對豎桿橫向間距及上懸桿橫向間距的針對性處理分析與測量，形成的數(shù)據(jù)圖為平聯(lián)連系桿件的制作提供了有利的數(shù)據(jù)參考，大大減少了現(xiàn)場高空測量作業(yè)，提升了現(xiàn)場工作效率。

2.3.2 主桁桿件變形分析

根據(jù)項目大修需要，基于原設(shè)計圖紙創(chuàng)建了主桁節(jié)點的BIM模型，同時選擇對應(yīng)區(qū)域現(xiàn)狀點云數(shù)據(jù)模型進(jìn)行對比，分析主桁節(jié)點桿件的變形情況。

本文選取C12節(jié)點區(qū)域，將BIM理論模型數(shù)據(jù)與點云模型數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后，利用Geomagic 軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)再處理、對齊與比對分析，得到如圖6所示結(jié)果。結(jié)果顯示，節(jié)點下部區(qū)域存在較大的負(fù)偏差，上部區(qū)域存在正偏差，最大正偏差達(dá)20 mm，最大負(fù)偏差達(dá)9 mm。經(jīng)過分析，原因可能為：原建設(shè)期施工與設(shè)計的誤差、橋梁運營期內(nèi)的桿件變形、桿件表面防銹涂漆等附屬物的影響。

圖5 主桁豎桿橫向間距 （北2）

圖6 C12節(jié)點區(qū)域偏差分析云圖 （西側(cè)）

2.3.3 節(jié)點板原位加固應(yīng)用

基于預(yù)處理的主桁節(jié)點板數(shù)據(jù)模型，利用后處理分析軟件，對其進(jìn)行平滑、平面分割、切片投影等過程處理，形成節(jié)點板數(shù)字模型及二維加工圖紙，如圖7所示。形成的主桁節(jié)點板二維圖紙直接提交至加工廠進(jìn)行加工制造，數(shù)據(jù)精度準(zhǔn)確可靠，有效提升了工作效率。

圖7 節(jié)點板數(shù)據(jù)

形成的節(jié)點板數(shù)據(jù)模型與原建設(shè)期設(shè)計圖紙對比分析，發(fā)現(xiàn)多個節(jié)點板的原設(shè)計圖存在漏洞，如A9節(jié)點，實際橋梁部分節(jié)點存在構(gòu)造鉚釘孔，如圖8所示，與原設(shè)計不一致，為此，及時調(diào)整了設(shè)計方案。

圖8 A9節(jié)點

3 結(jié)語

本文基于三維掃描技術(shù)，依托上海松浦大橋大修工程，利用固定地面式及手持式三維激光點云掃描儀，分別對主橋及主桁節(jié)點板進(jìn)行了不同精度等級的掃描，得到如下結(jié)論：

1）主桁豎桿橫向間距靠近上部橫向連系處變形較大，最大變形量達(dá)到7 mm，上懸桿間橫向間距相比原設(shè)計數(shù)據(jù)，偏差最大值達(dá)到8 mm，為主桁桿件加工提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

2）主桁節(jié)點桿件對比結(jié)果顯示：1節(jié)點下部區(qū)域存在較大的負(fù)偏差，上部區(qū)域存在正偏差；最大正偏差達(dá)20 mm，最大負(fù)偏差達(dá)9 mm，但仍需進(jìn)一步研究排除相關(guān)可能因素的影響。

3）節(jié)點板現(xiàn)狀數(shù)字模型及二維加工圖紙，為鋼構(gòu)件加工提供了有效的數(shù)據(jù)參考，修正了設(shè)計方案，提升了工作效率，同時為后續(xù)類似工程的建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。