李剛,張宏偉,許劍飛,熊文

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院 橋梁工程系，江蘇 南京 211189)

常規(guī)的拱橋變形監(jiān)測(cè)手段主要包括全站儀測(cè)量法、連通管測(cè)量法及GPS測(cè)量法等。全站儀利用三角高程測(cè)量原理對(duì)拱肋上單點(diǎn)高差進(jìn)行計(jì)算，得到拱肋變形。連通管測(cè)量法基于連通管的物理原理，根據(jù)安裝于橋梁上基點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)連通管液位差獲取拱肋變形。GPS測(cè)量法利用GPS測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)與基站點(diǎn)間的空間位置變化，確定橋梁某點(diǎn)的變形值。前2種測(cè)量方法原理簡(jiǎn)單，單點(diǎn)精度高，但都需在拱肋上設(shè)置相關(guān)裝置，效率較低，可操作性不強(qiáng)，對(duì)多孔跨水拱橋的實(shí)現(xiàn)難度大。GPS測(cè)量法操作簡(jiǎn)單，適用于拱肋變形的長期監(jiān)測(cè)，但精度難以保證，同時(shí)成本較高，測(cè)量過程易受天氣影響。該文介紹一種基于三維激光掃描技術(shù)的拱橋變形監(jiān)測(cè)方法，采用三維激光掃描儀在2個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)一座六孔連拱拱橋進(jìn)行掃描測(cè)試，獲取2種不同狀態(tài)下橋梁點(diǎn)云模型，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中分析得到拱肋的空間形態(tài)變化。

1 三維點(diǎn)云模型簡(jiǎn)介

三維激光掃描技術(shù)是一種高自動(dòng)化、全視角化和高精度化的空間掃描技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)主體為高精度三維激光掃描儀，該設(shè)備由激光測(cè)距系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)及支架系統(tǒng)構(gòu)成，其工作原理見圖1。

圖1 三維激光掃描儀工作原理示意圖

三維激光掃描技術(shù)使用三維激光掃描儀向目標(biāo)表面發(fā)射并接收高密度、高強(qiáng)度的激光束，同時(shí)利用設(shè)備內(nèi)部激光測(cè)距系統(tǒng)計(jì)算每條激光束的水平角度α、垂直角度θ及目標(biāo)物體表面掃描點(diǎn)至儀器的距離S，得到掃描點(diǎn)的局部空間三維坐標(biāo)，將這些坐標(biāo)以可視化單點(diǎn)的形式分布于三維空間內(nèi)，即可構(gòu)造出目標(biāo)物體的空間三維點(diǎn)云模型(見圖2)，模型中海量點(diǎn)集可反映目標(biāo)表面任意位置處的空間坐標(biāo)信息。

圖2 點(diǎn)云模型與單點(diǎn)空間坐標(biāo)信息

對(duì)于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜或體量較龐大的橋梁等被測(cè)物體，僅設(shè)置單個(gè)測(cè)站一般無法覆蓋其完整表面，需通過多站拼接組合才能獲取完整的目標(biāo)物點(diǎn)云。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接時(shí)，需根據(jù)測(cè)站間重合部分的坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)變換，從而將多測(cè)站數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中(見圖3)。

圖3 完整橋梁點(diǎn)云模型

利用三維點(diǎn)云模型，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)坐標(biāo)查詢、構(gòu)件幾何特征提取、距離測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)等，在橋梁檢測(cè)與運(yùn)營狀態(tài)評(píng)估中被廣泛應(yīng)用。

2 依托工程與數(shù)據(jù)采集

2.1 工程概況

江西省上饒市某座六孔連拱拱橋全長267.852 m，橋面總寬12.5 m，橋梁跨徑為6×42.5 m。上部結(jié)構(gòu)為六孔等截面懸鏈線桁架拱橋，拱架結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土無鉸桁架拱橋，下部結(jié)構(gòu)為擴(kuò)大基礎(chǔ)配重力式橋墩及U形橋臺(tái)。全橋立面見圖4，由于橋梁為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，僅展示三孔。

檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)該橋上部結(jié)構(gòu)存在一定程度病害，于2010年對(duì)其進(jìn)行一次加固拓寬，拓寬提載設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)，橋面凈寬為凈-9.0 m+2×1.5 m人行道；2019年3月再次進(jìn)行加固。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

在不同時(shí)間點(diǎn)使用三維激光掃描儀對(duì)同一目標(biāo)橋梁進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，是三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于橋梁變形監(jiān)測(cè)的重要步驟。分別于2020年4月、2020年10月對(duì)該橋進(jìn)行三維激光掃描。前后兩次測(cè)量均使用Leica公司生產(chǎn)的P50型三維激光掃描儀。該掃描儀為目前世界上精度最高、測(cè)距最大的激光掃描設(shè)備，具有1 km以上量程及最高1.2 mm的精度，具備360°水平測(cè)量角度與290°豎向測(cè)量角度，適用于多種環(huán)境。

圖5為被測(cè)拱橋?qū)嵕?。該橋?qū)儆诳缢畼蛄?，雖然受儀器布置條件限制無法在水上設(shè)站，但利用三維激光掃描儀“所見即所得”的工作特點(diǎn)，只需保證掃描儀與被測(cè)橋梁部分相互通視，即可完整獲取目標(biāo)物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)該原則，測(cè)量時(shí)將測(cè)站設(shè)置于橋梁兩岸近處的4個(gè)對(duì)稱角點(diǎn)處，設(shè)置合適的水平掃描范圍角確保將被測(cè)橋梁表面完全覆蓋(見圖6)。這種測(cè)站布置方式可充分利用掃描儀遠(yuǎn)距離測(cè)量能力，并使各測(cè)站間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在足夠重合部分，從而得到完整度較高的橋梁點(diǎn)云模型。

圖6 測(cè)站平面布置示意圖

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員按照上述測(cè)站布置方案在某一角點(diǎn)將掃描儀固定后，對(duì)掃描參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試內(nèi)容主要為掃描量程及掃描角度等(見圖7)，確保數(shù)據(jù)收集的完整性。

圖7 儀器布置與調(diào)試

3 數(shù)字建模與形態(tài)分析

3.1 點(diǎn)云模型構(gòu)建

對(duì)采集得到的四站數(shù)據(jù)使用掃描儀適配的前處理軟件Cyclone進(jìn)行拼接處理，將多個(gè)不完整的單站點(diǎn)云數(shù)據(jù)集成為整體橋梁點(diǎn)云。常見拼接方法有基于公共標(biāo)靶的拼接及基于點(diǎn)云的視圖拼接。由于這次測(cè)量各測(cè)站位置間隔較遠(yuǎn)，已超出掃描儀對(duì)標(biāo)靶的捕獲范圍，利用各站間的重合部分對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行水平平面與豎直平面的視圖拼接。拼接過程及拼接完成后橋梁點(diǎn)云見圖8、圖9。

圖8 水平與豎直平面的視圖拼接

圖9 拼接后的完整橋梁點(diǎn)云

即使掃描儀系統(tǒng)內(nèi)部原點(diǎn)位置與儀器自身始終保持相對(duì)不動(dòng)，但由于實(shí)際測(cè)量中無法保證儀器架設(shè)位置、高度等參數(shù)一致，每次掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處于不同坐標(biāo)系之下，無法對(duì)2個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)比較，需將2次點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)3個(gè)維度上的坐標(biāo)對(duì)齊。

Z坐標(biāo)代表點(diǎn)云整體高度，只需在兩點(diǎn)云中確定同一位置某點(diǎn)的高度即可實(shí)現(xiàn)Z坐標(biāo)的對(duì)齊?？紤]到2次掃描間隔時(shí)間較短，認(rèn)為拱橋第一孔兩側(cè)墩柱幾乎不發(fā)生豎向沉降。由于該橋靠岸側(cè)墩柱被土層覆蓋，選擇第一孔靠水側(cè)墩柱上角點(diǎn)作為Z坐標(biāo)對(duì)齊的基準(zhǔn)點(diǎn)(見圖10)。

圖10 基準(zhǔn)點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)

前次初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中該角點(diǎn)Z坐標(biāo)值z(mì)1為3.152 m，后次初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中該角點(diǎn)Z坐標(biāo)值z(mì)2為3.985 m，只需將后次點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Z坐標(biāo)軸整體向下平移z2-z1=0.833 m，即可完成兩者高度坐標(biāo)的統(tǒng)一。為方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理，將兩點(diǎn)云中該基準(zhǔn)點(diǎn)確定為坐標(biāo)原點(diǎn)O(見圖11)。

圖11 點(diǎn)云Z方向整體對(duì)齊及坐標(biāo)原點(diǎn)確定

完成高度對(duì)齊后，2次點(diǎn)云數(shù)據(jù)的X、Y軸是否重合將決定后續(xù)選取測(cè)點(diǎn)縱橋向位置的一致性。使用消除橋梁表面水平線段與當(dāng)前坐標(biāo)軸夾角的方法實(shí)現(xiàn)二者水平面坐標(biāo)軸的重合。同樣選取邊孔靠岸側(cè)墩柱作為參照，截取其表面平面上一定高度的水平線，計(jì)算該線段與當(dāng)前坐標(biāo)系下X軸或Y軸的夾角α(見圖12)。將點(diǎn)云整體繞原點(diǎn)平面轉(zhuǎn)動(dòng)角度α，新點(diǎn)云中墩柱法向量即與平面坐標(biāo)軸完成重合(見圖13)。對(duì)2個(gè)點(diǎn)云重復(fù)上述操作，兩者X、Y軸即可實(shí)現(xiàn)重合。

圖12 墩柱表面水平線選取

圖13 點(diǎn)云與坐標(biāo)軸對(duì)齊

3.2 空間形態(tài)分析

坐標(biāo)系3個(gè)維度的統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)了3個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可比性。選擇每孔拱肋底板兩側(cè)邊線上多個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)拱橋的空間形態(tài)進(jìn)行分析，根據(jù)測(cè)點(diǎn)豎向坐標(biāo)與橫橋向坐標(biāo)的變化分別判斷拱肋在豎向與橫橋向的空間變形情況。為選取足夠的測(cè)點(diǎn)數(shù)量以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)點(diǎn)縱橋向間距取為2 m(見圖14)。

圖14 拱肋測(cè)點(diǎn)選取

從總體角度分析前后2個(gè)時(shí)間點(diǎn)拱肋豎向空間變形狀態(tài)，選取2次數(shù)據(jù)中上游側(cè)拱肋底面外側(cè)所有測(cè)點(diǎn)高程，制作拱肋線形圖(見圖15)。從圖15可看出：整體上2次測(cè)量得到的拱軸線線形較平順，線形曲線未出現(xiàn)局部畸變，且2條曲線重合度較高，各測(cè)點(diǎn)的豎向坐標(biāo)無明顯差異，拱肋豎直方向整體無顯著變形。

圖15 拱肋線形圖

計(jì)算2次點(diǎn)云數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)高程坐標(biāo)差，通過差值分析拱肋整體及局部在豎向上的空間變化。限于篇幅，僅列出第一孔、第三孔上游側(cè)拱肋對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)高程差值(見表1、表2)。

表1 拱橋第一孔上游側(cè)拱肋測(cè)點(diǎn)高程差值 (第二次測(cè)量高程-第一次測(cè)量高程)

表2 拱橋第三孔上游側(cè)拱肋測(cè)點(diǎn)高程差值 (第二次測(cè)量高程-第一次測(cè)量高程)

從表1可看出：第一孔上游側(cè)拱肋前10個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程差值大部分為負(fù)值，而后10個(gè)測(cè)點(diǎn)的差值大部分為正值，據(jù)此判斷該拱肋在該段時(shí)間內(nèi)的空間變形為繞其頂點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)(見圖16)。由于各測(cè)點(diǎn)間差值很小，該空間轉(zhuǎn)角幾乎可忽略不計(jì)，仍可認(rèn)為該孔拱肋處于低水平變形的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖16 拱肋豎向轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖

從表2可看出：第三孔上游側(cè)拱肋測(cè)點(diǎn)的高程差值大部分為負(fù)值，說明后次拱肋點(diǎn)云較前次拱肋點(diǎn)云出現(xiàn)整體下沉，所有測(cè)點(diǎn)平均下沉量為0.001 6 m。分別計(jì)算前10個(gè)測(cè)點(diǎn)與后10個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均沉降量，兩者差值很小，判斷該拱肋在下沉過程中并未伴隨豎向扭轉(zhuǎn)，拱肋等效空間變形見圖17。由于平均下沉量很小，可認(rèn)為第三孔拱肋幾乎未發(fā)生空間變形，仍處于安全狀態(tài)。

圖17 拱肋豎向下沉示意圖

拱肋結(jié)構(gòu)在荷載作用下的空間變形除整體下沉或轉(zhuǎn)動(dòng)外，其自身可能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)?？赏ㄟ^拱肋內(nèi)外對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)間高差判斷拱肋是否發(fā)生空間扭轉(zhuǎn)。表3為第三孔上游側(cè)拱肋底面外側(cè)及內(nèi)側(cè)同一縱向位置測(cè)點(diǎn)的高程差值。從表3可看出：各對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)間高程差值很小，整體上外側(cè)曲線略高于內(nèi)側(cè)曲線，可認(rèn)為2條曲線處于空間平行狀態(tài)(見圖18)，據(jù)此判斷該拱肋未發(fā)生空間扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

表3 拱橋第三孔上游側(cè)拱肋對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)高程差值 (內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)高程-外側(cè)測(cè)點(diǎn)高程)

圖18 拱肋底板內(nèi)外側(cè)曲線

其余拱肋空間變形情況與第一孔或第三孔類似，不再贅述。根據(jù)分析結(jié)果，該拱橋各拱肋的變形量均較小，可認(rèn)為該拱橋在該段時(shí)間內(nèi)未發(fā)生明顯空間形態(tài)變化，暫不需采取加固檢修措施。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)全橋測(cè)點(diǎn)線形圖，該拱橋六孔拱肋總體線形平順度較好，未出現(xiàn)明顯局部空間變形；2個(gè)時(shí)間點(diǎn)拱肋曲線間總體重合較好，未出現(xiàn)明顯整體空間變形。

(2) 根據(jù)縱橋向多測(cè)點(diǎn)豎向坐標(biāo)對(duì)比結(jié)果，該段時(shí)間內(nèi)拱橋部分拱肋出現(xiàn)微小下沉及轉(zhuǎn)動(dòng)，但變形量均很小。同時(shí)根據(jù)拱肋底板內(nèi)外側(cè)測(cè)點(diǎn)間高程對(duì)比結(jié)果，拱肋未發(fā)生明顯空間扭轉(zhuǎn)。該橋拱肋幾乎未發(fā)生空間形態(tài)變化，從位移層面可認(rèn)為橋梁上部承力結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

(3) 采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行拱橋變形監(jiān)測(cè)，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中獲取的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)具有密度大、精度高的特點(diǎn)，且測(cè)量快速、便捷，無需耗費(fèi)大量人力、物力，相較于傳統(tǒng)檢測(cè)方法更高效、準(zhǔn)確，在橋梁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有良好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。