梁 棟，張 碩，趙 愷，蘇立超

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401； 2. 河北省鋼混組合橋梁技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邢臺(tái) 054001；3. 邢臺(tái)路橋建設(shè)總公司，河北 邢臺(tái) 054001)

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁日趨增多。復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁的特殊性主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是空間結(jié)構(gòu)，外形美觀；二是多為高次超靜定結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，傳力路徑不易確定；三是失效形式多樣化，包括材料失效、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)等。然而，把常規(guī)檢測(cè)方法用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁卻具有很大的局限性。首先，常規(guī)檢測(cè)方法只能利用橋梁結(jié)構(gòu)個(gè)別特征點(diǎn)的局部數(shù)據(jù)，間接推算全橋安全性；荷載試驗(yàn)也只能得到汽車荷載對(duì)橋梁受力的相對(duì)結(jié)果，使得檢測(cè)數(shù)據(jù)碎片化、相對(duì)化。其次，橋梁的絕對(duì)變形和各構(gòu)件的相對(duì)變形是體現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的重要指標(biāo)，如主纜的空間線形，各桁架單元的相對(duì)變形，塔、梁、索的相對(duì)空間位置等。但目前的檢測(cè)手段對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁安全至關(guān)重要的指標(biāo)——整體構(gòu)形，卻難以測(cè)量。

目前，常見(jiàn)的橋梁變形檢測(cè)手段主要包括全站儀、激光干涉儀、GPS技術(shù)、精密水準(zhǔn)儀、合成孔徑雷達(dá)技術(shù)、近景攝影測(cè)量[1-2]，其中應(yīng)用最為廣泛的是精密水準(zhǔn)測(cè)量方法，但其缺點(diǎn)也逐漸凸顯。比如，通過(guò)全站儀、精密水準(zhǔn)儀和GPS等儀器獲取的目標(biāo)測(cè)點(diǎn)十分有限，而且測(cè)點(diǎn)離散性較高，無(wú)法完整展現(xiàn)橋梁的整體空間變形情況等；近景攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)量質(zhì)量不穩(wěn)，精度較低，難以達(dá)到橋梁變形分析的精度要求[3]。三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)測(cè)量中單點(diǎn)采集的缺陷，能夠快速高精掃描目標(biāo)的三維形態(tài)，不受光線限制，并可快速轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。該技術(shù)已經(jīng)在文物古跡保護(hù)、建筑監(jiān)測(cè)、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、交通事故處理、船舶設(shè)計(jì)、災(zāi)害評(píng)估、地形勘測(cè)、數(shù)字城市、虛擬現(xiàn)實(shí)等各個(gè)方面得到廣泛的應(yīng)用。

近年來(lái)，已有很多學(xué)者將三維激光掃描技術(shù)用于橋梁變形檢測(cè)。在數(shù)據(jù)獲取方面，大多采用靜止式激光掃描儀。姚明博在檢測(cè)橋梁變形過(guò)程中，先選取變形測(cè)點(diǎn)來(lái)表示整體橋梁變形方法，再利用提取特征數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)曲線擬合，從而得知橋的整體變形情況[4]，這中間并沒(méi)有充分利用獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，只選取了部分邊界特征數(shù)據(jù)來(lái)代表整體橋梁變形。陳紅權(quán)等使用10個(gè)噴涂式標(biāo)靶[5]進(jìn)行面狀掃描，結(jié)果分析只對(duì)10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了變形分析，沒(méi)有從整體對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)。由于激光掃描儀采樣的非連續(xù)性，使得設(shè)定的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)未能成為激光掃描儀的采樣點(diǎn)，導(dǎo)致變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)失效。王紅霞針對(duì)某拱橋模型進(jìn)行掃描，拱軸線為拋物線，凈跨2.90 m，橋面凈寬0.57 m，中吊桿長(zhǎng)為0.59 m，矢跨比1/5；王紅霞根據(jù)加載前、后的點(diǎn)云坐標(biāo)值，選取一定的點(diǎn)，將其坐標(biāo)值變化與有限元建模施加荷載后坐標(biāo)變形值進(jìn)行對(duì)比[6]，分析了縱梁的豎向坐標(biāo)值變化情況。盧穎利用掃描儀對(duì)長(zhǎng)300 cm，寬15 cm，高12 cm的簡(jiǎn)支梁掃描。掃描過(guò)程根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況判斷，比較隨機(jī)地進(jìn)行了測(cè)站布置。上述掃描對(duì)象都是較小的模型和構(gòu)件，掃描方法與數(shù)據(jù)處理過(guò)程對(duì)誤差與精度的影響較小，與實(shí)際應(yīng)用還有一定差距。在國(guó)外，已經(jīng)開(kāi)始探究從試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷綄?shí)體模型的應(yīng)用，Park等人利用三維激光掃描技術(shù)，對(duì)簡(jiǎn)支鋼梁模型的變形進(jìn)行試驗(yàn)研究，最大變形量小于1 mm，與線性位移傳感器直接測(cè)得的變形誤差為1.6%[7]。Armesto等人在古建筑拱橋的變形監(jiān)測(cè)中，利用三維激光掃描技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，并采用統(tǒng)計(jì)非參數(shù)方法處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以獲取拱的精確幾何尺寸，來(lái)分析拱的變形[8]。

本研究以某實(shí)際懸索人行橋?yàn)槔?，討論了掃描方案?yōu)化、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和確定橋梁變位偏差等利用三維激光掃描技術(shù)測(cè)量大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁整體構(gòu)形的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為3D激光掃描技術(shù)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁的安全評(píng)定提供技術(shù)參考。

1 掃描參數(shù)優(yōu)化

3D激光掃描是利用反復(fù)激發(fā)激光到物體表面的三維形貌上，形成反射激光再進(jìn)行采集，其視場(chǎng)角圖如圖1(a)所示。激光掃描系統(tǒng)使用內(nèi)部坐標(biāo)系[9-10]。坐標(biāo)系以掃描器的激發(fā)點(diǎn)為中心，Z軸為豎直向上的方向，X軸與Y軸和Z軸的空間關(guān)系符合右手定則，都位于橫向掃描面內(nèi)，如圖1(b)所示。

圖1 3D掃描儀視角與坐標(biāo)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of 3D scanner’s visual angle and coordinates

測(cè)站間距、入射角以及掃描分辨率是獲取高質(zhì)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重要參數(shù)。根據(jù)目的與要求選定合理的參數(shù)，才能獲得掃描質(zhì)量與成本的平衡點(diǎn)。測(cè)站間距越大，測(cè)站總數(shù)就越少，掃描越快[11]。但較大的測(cè)站間距會(huì)導(dǎo)致激光入射角過(guò)大，從而加大測(cè)量誤差。根據(jù)測(cè)站間距可選擇不同的掃描分辨率，掃描分辨率可用測(cè)點(diǎn)間距x(mm/m)表示，分辨率越高，測(cè)點(diǎn)越密集，掃描時(shí)間越長(zhǎng)。隨著入射角的增大，掃描表面對(duì)掃描儀更加傾斜，測(cè)量誤差逐漸加大，較大的入射角和較長(zhǎng)的距離會(huì)造成高噪音。D.Delaloye[12]建議θmax取45°。Lichti[13]的試驗(yàn)表明，當(dāng)平面目標(biāo)入射角大于60°時(shí)，由于掃描幾何形狀，信噪比顯著下降，因此合理入射角θmax應(yīng)在45°～60°之間。顯然，在掃描某結(jié)構(gòu)之前，須選擇合適的測(cè)站間距、入射角以及掃描分辨率，以制定合理的掃描策略。

為此，本研究以測(cè)量精度所需要的最大測(cè)點(diǎn)間距為前提，建立了利用3D激光掃描的優(yōu)化掃描策略。圖2是測(cè)站優(yōu)化布置的幾何示意圖：O為掃描儀最大測(cè)程；BC=hmax是根據(jù)掃描要求所確定的最大的測(cè)點(diǎn)間距(mm)；N為測(cè)站間距的1/2；M為測(cè)站位置正視所測(cè)橋面時(shí)的直線距離；D為儀器到梁底面的距離；P為測(cè)站到直視所測(cè)平面的水平距離?！螧AC=90°。

∠ABC=∠θ=arctan(N/M)，

(1)

(2)

圖2 計(jì)算掃描分辨率幾何示意圖Fig.2 Geometric diagrams of calculating scanning resolution

如圖2所示，可確定此次掃描任務(wù)的最佳掃描分辨率X如下。

O2=N2+M2,

(3)

M2=D2+P2,

(4)

(5)

Laica Scan Station P40激光掃描儀的系統(tǒng)精度如表1所示，綜合考慮掃描測(cè)站距離掃描區(qū)域最大不超過(guò)50 m，即O=50，ScanStation P40的不同分辨率對(duì)應(yīng)的測(cè)量時(shí)間以及項(xiàng)目大小如表2所示。當(dāng)入射角為45°時(shí)，N=M；當(dāng)入射角等于60°時(shí)，N=1.73M，那么當(dāng)最大入射角點(diǎn)B到正視橋面的所測(cè)長(zhǎng)度范圍N與測(cè)站到所測(cè)橋面正視直線距離M關(guān)系一定時(shí)，掃描分辨率X與測(cè)站到所測(cè)橋面正視直線距離M的關(guān)系如圖3所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)量精度Tab.1 System measurement accuracy

表2 不同分辨率對(duì)應(yīng)的掃描結(jié)果Tab.2 Scanning results corresponding to different resolutions

圖3 最佳掃描分辨率與正視距離的關(guān)系Fig.3 Relationships between optimal scanning resolution and frontal distance

假設(shè)被掃描物體如圖4所示長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)、高、寬分別為a，b和c。為使測(cè)站數(shù)最少，可使掃描測(cè)程O與入射角θ取最大值。在橋側(cè)面，O取50 m，入射角θ取60°，得到N為43.30 m；在橋上面，O取值為50 m，入射角θ取值為45°，得到N為35.35 m。在設(shè)定測(cè)點(diǎn)最大距離后，最少的測(cè)站總數(shù)S與所測(cè)橋梁的長(zhǎng)、寬的關(guān)系如式(6)所示。

(6)

圖4 掃描測(cè)站優(yōu)化布置圖Fig.4 Optimized arrangement of scanning stations

2 點(diǎn)云三維建模

3D激光掃描獲取結(jié)構(gòu)模型的具體流程[14]如圖5所示。

圖5 點(diǎn)云處理流程圖Fig.5 Flowchart of point cloud processing

三維激光掃描數(shù)據(jù)處理是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，其中點(diǎn)云預(yù)處理是至關(guān)重要的一步，點(diǎn)云預(yù)處理將為生成三維建模奠定基礎(chǔ)，處理效果越好，封裝的多邊形以及三維模型越接近實(shí)際情況。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的關(guān)鍵技術(shù)主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪和壓縮等。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

由于三維激光掃描技術(shù)受其本身的技術(shù)特點(diǎn)和外界環(huán)境因素遮擋影響，需從多方位對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描，得到多個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)的多視點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云配準(zhǔn)就是將多個(gè)測(cè)站獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系下。常用的配準(zhǔn)方法有基于特征的配準(zhǔn)方法、標(biāo)靶配準(zhǔn)、自動(dòng)配準(zhǔn)方法。

由于本研究所測(cè)橋梁跨度較小，采用了精度較高的標(biāo)靶拼接[15-18]方法，掃描過(guò)程中，要確保標(biāo)靶放在相鄰測(cè)站之間，并保證兩測(cè)站均可見(jiàn)，使測(cè)站首尾相連形成閉環(huán)，通過(guò)標(biāo)靶約束進(jìn)行整體拼接。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中容易受到儀器本身以及空氣條件、掃描環(huán)境、地理位置等外界因素的干擾，使得獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中含有大量的噪聲點(diǎn)，這不僅影響了點(diǎn)云的質(zhì)量，而且增加了點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量[15]。因此本研究采用了雙邊濾波算法，具有簡(jiǎn)單高效、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，能在保持特征的同時(shí)去除噪聲。

在點(diǎn)云模型中，設(shè)點(diǎn)云集合為C={ρi∈R3|i=1,2,…,n}，任一測(cè)點(diǎn)pi的近鄰域點(diǎn)集及單位法向量分別為N(pi)與ni，則雙邊濾波可以定義為：

(7)

λ=

(8)

式中，nj為測(cè)點(diǎn)pi的近鄰域點(diǎn)pj的單位法向矢量；WC，WS為以σC，σS為標(biāo)準(zhǔn)差的高斯核函數(shù)，其中σC是測(cè)點(diǎn)pi到其近鄰域點(diǎn)pj的距離對(duì)該點(diǎn)的影響因子，而σS是測(cè)點(diǎn)pi到其近鄰域點(diǎn)pj的距離向量在該點(diǎn)法向ni上的投影對(duì)測(cè)點(diǎn)pi的影響因子；WC為空間域權(quán)重，其控制著平滑程度；WS為特征域權(quán)重，可以捕獲鄰域點(diǎn)間法矢的變化，從而控制特征保持程度。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮

隨著三維激光掃描硬件技術(shù)的不斷更新，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在詳細(xì)描述對(duì)象特征的同時(shí)也大大影響了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理效率，因此需要在保留點(diǎn)云主要特征的同時(shí)，對(duì)點(diǎn)云中的冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以最少的數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)最必要的信息[15]。

給定點(diǎn)云PN={p1,p2,…,pn}，表示一個(gè)嵌入三維空間的二維光滑流形表面S。在滿足特定精度條件下，將點(diǎn)云PN簡(jiǎn)化為點(diǎn)云PM(M

3 實(shí)橋掃描

以上對(duì)利用3D激光掃描開(kāi)展復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁整體構(gòu)形檢測(cè)的整體過(guò)程和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論，下面將據(jù)此對(duì)某實(shí)際懸索人行橋進(jìn)行整體構(gòu)形檢測(cè)。

3.1 橋梁概況

某懸索人行橋的跨徑分布為(16.5+36+21.5)m，主梁采用高度為850 mm、寬為6 200 mm的鋼箱梁；主纜長(zhǎng)度ZL1=40 217.8 mm，ZL2=15 430 mm，ZL3=17 099 mm，吊桿長(zhǎng)度N1=3 493.4 mm，N2=3 810.2 mm，N3=4 724.9 mm,N4=6 217.6 mm，主纜上端固定在鋼塔柱頂端的吊耳上，下端固定在焊接于鋼梁頂板的吊耳上。吊桿上端固定在主纜上的索夾上，下端固定在焊接于鋼梁頂板的吊耳上，吊桿間距為4.8 m。塔柱采用直徑600 mm的鋼管，壁厚30 mm，塔柱傾斜角度為82.5°，其立面圖和實(shí)景圖分別如圖6和圖7所示。

3.2 測(cè)站優(yōu)化布置

該橋的掃描要求測(cè)點(diǎn)間距不超過(guò)10 mm。

根據(jù)1.1節(jié)所述的測(cè)站優(yōu)化布置方法以及天橋的跨徑、梁高、梁寬的尺寸，可根據(jù)式(4)計(jì)算得出最少設(shè)站數(shù)為8站，但針對(duì)本天橋周圍環(huán)境、樓梯遮擋以及在路燈車上掃描橋塔不穩(wěn)定在同一位置掃描兩次等情況，實(shí)際總共設(shè)置10站。測(cè)站布置如圖8所示?？紤]該天橋分隔帶、圍墻、樹(shù)木以及樓梯位置遮擋問(wèn)題將天橋測(cè)站間距主要分為4種，其測(cè)站布置間距如表3所示，計(jì)算的O最大為28.28 m，沒(méi)有超過(guò)最大范圍。

圖6 天橋立面圖(單位：mm)Fig.6 Elevation of bridge (unit：mm)

圖7 天橋?qū)嵕皥DFig.7 Photo of pedestrian bridge

圖8 測(cè)站位置Fig.8 Positions of measuring stations

表3 天橋測(cè)量布置間距(單位：m)Tab.3 Arrangement of measuring spacings on pedestrian bridge (unit：m)

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

本研究實(shí)橋檢測(cè)設(shè)站總數(shù)為10站，將所有數(shù)據(jù)從掃描儀中導(dǎo)出，利用與Leica儀器配套的Cyclone軟件將10站數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，將天橋部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)截取出來(lái)存儲(chǔ)為txt格式，以便對(duì)截取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

為驗(yàn)證本研究根據(jù)測(cè)站對(duì)最大測(cè)點(diǎn)間距設(shè)定以及最佳分辨率的選擇是否達(dá)到要求，對(duì)所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，選擇所測(cè)范圍邊界的任意兩點(diǎn)，根據(jù)其三維坐標(biāo)進(jìn)行距離測(cè)量，得到測(cè)點(diǎn)間距。測(cè)量結(jié)果顯示測(cè)點(diǎn)間距均小于10 mm，達(dá)到測(cè)量要求間距，其測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)如表4所示，測(cè)量方法如圖9所示。

3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過(guò)程，將各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入，通過(guò)相鄰兩站共有的標(biāo)靶進(jìn)行拼接，如圖10所示。首先，將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)采樣壓縮，設(shè)置距離閾值為5 mm，采樣后點(diǎn)云從59 762 924個(gè)點(diǎn)減少到31 950 776個(gè)；其次，進(jìn)行噪音去除，設(shè)置濾波的幅度為5，標(biāo)準(zhǔn)偏差為sigma=[30.1]，計(jì)算λ和法向量n，得到濾波后30 646 316個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行封裝，修復(fù)后的模型如圖11所示。

表4 四個(gè)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)(單位：m)Tab.4 Coordinates of 4 measuring points(unit：m)

圖9 最大測(cè)點(diǎn)間距(單位：m)Fig.9 Maximum spacing of measuring points (unit：m)

圖10 標(biāo)靶拼接Fig.10 Target splicing

圖11 修復(fù)后整體模型Fig.11 Overall model after repair

3.5 點(diǎn)云模型的驗(yàn)證

點(diǎn)云三維模型建好后，為驗(yàn)證獲得的點(diǎn)云模型是否能夠代表實(shí)際的橋梁現(xiàn)狀，利用全站儀對(duì)實(shí)際橋梁的梁高、梁寬、跨徑進(jìn)行測(cè)量，獲取各端點(diǎn)位置的坐標(biāo)，算出距離。將點(diǎn)云三維橋梁模型的尺寸與實(shí)際橋梁的尺寸進(jìn)行了比較，結(jié)果如表5所示，從表中可以看出距離尺寸最大誤差可以小到0.35%,因此認(rèn)為點(diǎn)云模型可以表征實(shí)際橋梁現(xiàn)狀。

表5 點(diǎn)云實(shí)測(cè)誤差Tab.5 Measurement errors of point cloud

4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用

獲取橋梁點(diǎn)云模型只是初步工作，如何使用點(diǎn)云模型是評(píng)估橋梁狀態(tài)的重要工作。本研究將重點(diǎn)討論整體構(gòu)形偏差和線形擬合兩個(gè)方面。

4.1 整體構(gòu)形偏差分析

(1)理論構(gòu)形

橋梁整體構(gòu)形偏差分析主要是指與設(shè)計(jì)理論成橋狀態(tài)構(gòu)形的偏差。為此，本研究根據(jù)該懸索人行橋的設(shè)計(jì)圖紙，通過(guò)有限元分析，得到其自重荷載下的設(shè)計(jì)理論成橋狀態(tài)構(gòu)形，如圖12所示。

圖12 理論構(gòu)形Fig.12 Theoretical configuration

(2)模型擬合對(duì)齊

在進(jìn)行偏差分析之前，需要對(duì)設(shè)計(jì)理論成橋狀態(tài)構(gòu)形與點(diǎn)云三維實(shí)測(cè)模型進(jìn)行最佳擬合對(duì)齊。為判斷最佳擬合對(duì)齊效果，本研究對(duì)比了點(diǎn)云模型距離、設(shè)計(jì)理論成橋狀態(tài)構(gòu)形距離和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)距離。由表6可以看出：點(diǎn)云模型、設(shè)計(jì)理論構(gòu)形與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)距離的誤差均小于3.5%，可以認(rèn)為對(duì)齊效果良好，足可以證明整體變形誤差有效。對(duì)齊后結(jié)果如圖13所示。

表6 點(diǎn)云模型與理論構(gòu)形的誤差分析Tab.6 Error analysis of point cloud model and theoretical configuration

圖13 模型對(duì)齊Fig.13 Model alignment

(3)整體構(gòu)形偏差分析

構(gòu)件偏差分析主要從立面和斷面兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)明點(diǎn)云模型與理論構(gòu)形的偏差，其中點(diǎn)云模型與設(shè)計(jì)理論構(gòu)形的立面偏差色譜圖、平面偏差色譜圖和跨中截面偏差色譜圖分別如圖14～圖16所示。

圖14 橋梁立面整體構(gòu)形偏差圖(單位：m)Fig.14 Diagram of deviation of overall configuration of bridge elevation (unit: m)

圖15 橋梁平面整體構(gòu)形偏差圖(單位：m)Fig.15 Diagram of deviation of overall configuration of bridge plane (unit: m)

圖16 跨中截面構(gòu)形偏差圖(單位：m)Fig.16 Diagram of deviation of mid-span section configuration (unit:m)

從圖14可以看出，橋梁的整體立面變形情況。其中點(diǎn)云模型主纜與設(shè)計(jì)理論成橋狀態(tài)構(gòu)形主纜相比，測(cè)點(diǎn)偏差都為負(fù)值，變形量主要發(fā)生在x軸和z軸，主纜整體向下變形，向內(nèi)側(cè)傾斜。x軸方向上跨中主纜偏差值最大，達(dá)到0.273 m；z軸方向上左邊跨主纜偏差最大，達(dá)到0.085 m。梁底面測(cè)點(diǎn)偏差都為正值，變形量主要產(chǎn)生在z軸方向，說(shuō)明梁體發(fā)生向下的變形，跨中偏差值最大達(dá)到0.048 m。橋塔測(cè)點(diǎn)偏差都為正值，變形量主要發(fā)生在y軸方向，說(shuō)明兩個(gè)橋塔向中跨跨中產(chǎn)生傾斜，最大變形值達(dá)到0.065 m。

從圖15可以看出，梁的上表面與下表面的偏差值正負(fù)值相反，說(shuō)明梁體上下表面變形趨勢(shì)一致，同時(shí)變形量全部發(fā)生在z軸，整體變形類似正弦曲線，左邊跨以及中跨跨中向下變形較大，偏差最大值分別達(dá)到0.049 m，0.039 m，中跨右側(cè)到右邊跨出現(xiàn)先向上的變形，再向下變形的情況。

由圖16可知，梁體跨中橫斷面出現(xiàn)向下變形現(xiàn)象，與上述整體立面圖和橋梁平面圖變形趨勢(shì)一致，變形量發(fā)生在z軸，同時(shí)可以看出兩側(cè)變形大于中間變形且右側(cè)變形最大，偏差達(dá)到0.061 m，說(shuō)明梁體下沉不均勻。

(4)邊跨主纜的局部構(gòu)形偏差分析

圖17是邊跨主纜的彎曲實(shí)測(cè)點(diǎn)云線形，受環(huán)境因素以及受力因素等的影響，可以看出其變形嚴(yán)重。

圖17 邊跨主纜的局部構(gòu)形偏差Fig.17 Local configuration deviations of main cable of side span

(5)中跨吊桿的局部構(gòu)形偏差分析

圖18是部分吊桿的局部構(gòu)形偏差，可以看出由于制作或施工等原因?qū)е碌鯒U長(zhǎng)度存在偏差，具體數(shù)值如表7所示。

由上述結(jié)果可知，通過(guò)三維激光掃描獲取橋梁結(jié)構(gòu)表面高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并與理論成橋狀態(tài)構(gòu)形進(jìn)行比較，可以獲得可視化的構(gòu)形偏差，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁的安全評(píng)估具有重要意義。

圖18 部分吊桿的局部構(gòu)形偏差(單位：m)Fig.18 Local configuration deviations of partial suspenders(unit：m)

表7 吊桿誤差(單位：m)Tab.7 Errors of suspenders (unit：m)

4.2 構(gòu)件線形分析

點(diǎn)云模型的另一個(gè)重要應(yīng)用是復(fù)雜構(gòu)件的構(gòu)形數(shù)字化。本研究以該人行橋的主纜為例，擬合主纜的真實(shí)構(gòu)形。首先將主纜點(diǎn)云數(shù)據(jù)在三維空間直角進(jìn)行投影，然后進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，從而獲得主纜的線形。xoy面投影及擬合結(jié)果如圖19(a)所示，擬合公式為式(9)；xoz面投影及結(jié)果如圖19(b)所示，擬和公式為式(10)；yoz面投影擬合結(jié)果如圖19(c)所示，擬和公式為式(11)。

y=-0.021 0x2-1.669 0x-23.924 1,

(9)

z=-0.058 2x2-0.525 1x+9.364 4,

(10)

圖19 投影面擬合曲線Fig.19 Projection plane fitting curves

z=0.017 0x2+1.130 5x+26.993 4。

(11)

5 結(jié)論

通過(guò)高速激光掃描獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，為橋梁的檢測(cè)提供了一種有效手段。本研究結(jié)合某實(shí)際懸索人行橋，對(duì)相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)討論，結(jié)論如下：

(1)對(duì)大型橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，應(yīng)依據(jù)掃描儀參數(shù)進(jìn)行測(cè)站優(yōu)化布置，以獲取合適的掃描數(shù)據(jù)。

(2)三維激光掃描技術(shù)在橋梁變形檢測(cè)方面有較好的效果。與傳統(tǒng)方法相比，能直接獲得橋梁全部構(gòu)件的整體構(gòu)形信息，檢測(cè)更加全面、準(zhǔn)確。

(3)針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁，通過(guò)激光掃描技術(shù)建立其電子檔案，可用于評(píng)估其健康狀態(tài)隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的變化情況。