基于三維激光掃描的橋梁鋼構件質量檢測方法

吳國強，俞家勇*，劉葉偉，魏 旭，許 杰

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

近年來,我國橋梁建設事業發展迅猛,取得了令人矚目的成績。但是,我國鋼結構橋梁,特別是在中小跨徑橋梁占比遠少于發達國家[1]。其中,美國鋼結構橋梁約占比35%,日本占41%,法國更是高達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,混凝土結構的能耗為214萬kJ,碳排放平均為82.2 kg;而鋼結構橋梁鋼結構的能耗為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,鋼結構橋梁的回收利用率能達到90%,甚至更高[3]。因此,鋼結構橋梁有著很大的發展空間,更符合我國的綠色發展之路。鋼結構橋梁建造過程中,橋梁構件的質量檢測對整個鋼結構橋梁的質量把控起著至關重要的作用,鋼結構橋梁的結構形式復雜、構件眾多且構件間關聯密切,對于這些復雜構件的質量檢測成為檢測中的重難點[4]。當前橋梁鋼結構構件質量檢測指標包括尺寸長度、垂直度、旁彎與平整度等[5]。但當前橋梁鋼結構構件質量檢測中有較大的局限性,如:檢測過程繁瑣、耗時長,檢測過程中需要多種手段配合使用,檢測數據存檔繁瑣、不直觀,且部分指標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對橋梁鋼結構構件進行質量檢測。三維激光掃描技術憑著高效率、高精度、非接觸測量等特點使其廣泛應用在一些工業檢測、構件檢測中。李清泉等[6]針對傳統二維光學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的環境適應性,其檢測精度和檢測效率具有明顯優勢。周森等[7]利用三維激光掃描儀設計了一種快速長度在線檢測系統用于檢測移動大尺寸圓柱體工件兩端的表面形貌特征,該系統可在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,檢測精度達到0.050 mm。展現了三維激光在工業檢測中的高自動性和高效性,驗證了其滿足在線生產中對大尺寸工件控制和檢測的要求。目前,針對三維激光技術在建筑構件與結構的質量檢測中的應用,國內外學者也開展了一些研究。Wang等[8]利用激光掃描技術對預制混凝土構件進行了表面平整度和變形監測,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 打印機制造的樣品進行實驗,驗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則的預制混凝土構件進行自動質量評估,提出一種自動質量評估技術并使用該技術對不規則性的預制混凝土構件尺寸進行評估,驗證了激光掃描在不規則構件中的適用性。Qi等[10]使用距離相機測量了鋼筋混凝土梁在循環疲勞載荷作用下的撓度,并開發了新的數據分割方法與重構算法,已重構波束隨時間變化的位移,驗證了其振幅達到亞毫米級,頻率可達毫赫茲級。錢林等[11]利用斷面對不規則鋼結構樣板段進行檢測,通過將設計模型和掃描模型導入到3D 分析軟件中進行數據分析,有效實現對鋼結構的表面與形變檢測。由迎春等[12]通過對鋼結構的三維點云數據與全站儀數據對比用于檢測分析鋼結構變形,并利用三維點云進行曲面建模分析并獲得鋼梁撓度變形信息,驗證了三維激光掃描儀技術用于鋼結構檢測的可行性。宋云記等[13]使用三維激光掃描技術對鋼結構的撓度進行測量,將實測的三維點云與設計模型進行空間碰撞分析,獲得了鋼結構整體的空間變形情況,為后續的三維改造提供了更加直觀的設計依據。目前使用三維激光掃描應用于橋梁鋼結構構件檢測研究仍然較少,而橋梁鋼結構構件檢測在橋梁建造質量把控中起著至關重要的作用。因此,本文通過使用三維激光掃描技術,結合自動化提取算法對橋梁鋼結構進行鋼結構質量檢測,利用橋梁鋼結構三維點云和提取的幾何特征,實現鋼結構中各項檢測指標的自動化檢測評估。

1 基于三維激光掃描的鋼構件質量檢測

1.1 數據獲取與處理

實驗激光掃描數據采集設備為FARO X130三維激光掃描儀,掃描儀主要技術參數如表1所示。數據處理通過Faro Scene軟件進行數據拼接、去噪后輸出掃描點間距為1 mm 的橋梁點云數據。

表1 掃描儀主要參數表

進行三維激光掃描數據采集前,首先根據橋梁鋼結構構件的復雜程度,提前制定數據采集方案,規劃好三維激光掃描儀的設站點,保證能夠完整、準確地獲取到橋梁鋼結構構件的點云數據。此外,對于獨立構件盡可能一站式掃描完成,避免多站測設引入拼接誤差。由于鋼構件質量檢測精度要求較高,為了提高拼接精度,在進行作業掃描時,需要布設一定數量靶標球,以提高掃描精度。構件設站方法如圖1所示。

圖1 獨立構件設站示意圖

掃描方案制訂后,即可實施外業數據采集工作。以一個測站上的掃描作業為例,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位置,對中整平。②安置標靶。在高處布設3個公共球形靶標點,注意保證3個標靶之間應有高度差。③構件掃描。掃描儀開機,依次新建工程、新建測站、輸入測站點名稱,轉向待掃描構件,設置掃描范圍、掃描距離和掃描分辨率,實施掃描。每一測站掃描完成后,搬站,重復步驟①～③,直至全部掃描作業完成。

點云數據處理可劃分為3個階段,分別為配準、去噪、抽稀。首先對點云使用標靶球對數據進行配準,配準完成后利用最近點迭代(Iterative Closest Point,ICP)算法進行精確配準,配準中誤差優于2 mm,獲得鋼構件完整點云;配準完成后對點云利用自動化算法和人工交互方式去噪,保留鋼結構點云;最后根據實際使用需求,對點云數據進行抽稀,以提升后續數據處理速度。經過數據采集與處理后得到部分橋梁鋼結構點云如圖2所示。

圖2 構件點云圖

1.2 鋼板梁構件指標檢測方法

在橋梁鋼結構構件質量檢測中,幾何尺寸是其最基本的檢測指標,以下為構件重要尺寸的檢測指標和檢測原理。

(1)長度尺寸:指構件中一些重要部位的尺寸項目,一般尺寸檢測可分為構件的截面尺寸、軸線或中心線尺寸、布置定位尺寸等檢測項目,如圖3a所示為鋼板梁梁長Lo。檢測計算方法為:①在被檢測段兩端,選取擬合直線La、Lb;②計算對應兩擬合直線的中點垂距,作為被檢測段長度值Lo。

圖3 檢測指標示意圖

(2)垂直度:指蓋板與腹板間角度是否垂直,如圖3b所示。檢測計算方法為:①分別對上蓋板與腹板進行平面擬合;②計算兩條擬合平面間夾角記為θ;③垂直度計算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應力集中產生的變形,如圖3c所示。檢測計算方法為: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4等分點Pa、Pb、Pc點坐標;③計算3點至La距離,取最大值作為被檢測腹板旁彎值。

(4)平整度:指鋼結構構件平面內的凹凸情況,如圖3d所示。檢測計算方法為:①提取腹板平面點云坐標集,如點Po;②計算所有腹板點云到腹板擬合方程的距離;③取所有計算結果中最大值,作為被檢測腹板平整度值f。

1.3 檢測流程

依據上述各檢測指標計算方法,設計檢測流程如圖4所示,共包括6個步驟。

圖4 自檢測流程圖

①根據設計方案進行數據采集,獲得原始三維激光點云掃描數據。②由初始掃描數據經過點云數據配準、去噪與抽稀等一系列點云處理,獲得點云數據。③采用隨機樣本一致性(Rando m Sample Consensus,RANSAC)算法從掃描的點云數據中提取幾何特征,生成對應特征的點云檢測數據集。④計算掃描點并采用最小二乘法進行平面擬合得到幾何特征擬合方程。⑤根據特征點、線、面間的幾何關系進行各檢測指標計算并與檢測指標允許誤差對比。⑥輸出各檢測指標值。

2 實驗結果

實驗以仰山大橋一節四段進行掃描測繪,選取部分鋼板梁橫梁,依據提出的檢測流程展開實驗。點云數據的采集和拼接等數據處理完成后,對點云RANSAC 算法從掃描的點云數據中提取幾何特征并擬合出幾何特征對應的方程,擬合結果如圖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算法,依據擬合出幾何特征方程計算出各檢測指標并輸出。為了更好地分析檢測結果,針對檢測指標,在現場利用傳統手段同步檢測出手工檢測值,各指標允許誤差值、設計值、手工計算值、自檢測值及兩種檢測計算差值等結果如表2所示。

表2 兩種檢測值結果對比

由實驗結果分析可得:

(1)精準性。采用本文提出的自檢測流程進行鋼結構構件的各項檢測數據的自動檢測值均在檢測指標誤差允許范圍內,且與手工檢測值結果接近,差值均在3 mm 以內,說明利用三維激光掃描技術結合自動化算法能夠精準地完成對鋼結構構件的部分指標檢測工作。

(2)全面性。傳統橋梁鋼結構構件的質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,且對于復雜、含曲面的異形構件的檢測更加困難。利用本文提出的自檢測流程可一次完成對構件多項指標檢測,且可以完成各樣復雜或異形構件的檢測工作。

(3)便捷性。傳統構件的檢測過程繁瑣、耗時長,且對檢測數據存檔繁瑣、不直觀。利用本文提出的數字化檢測方法,將檢測過程變得簡潔且高效,且所有檢測數據與結果保存便捷,可隨時、直觀地查看,有利于后續檢測結果的標準化和數字化。

3 結論

本文將三維激光掃描技術應用于橋梁鋼結構構件檢測中,結合點云數據自動化特征提取算法和檢測算法,能夠精準地完成對鋼結構構件的部分指標檢測工作。將自動化計算出的檢測指標值與鋼板橋鋼結構的手工檢測值對比分析,驗證了提取結果的精準性和可靠性,證明了三維激光掃描技術用于橋梁鋼結構構件的質量檢測是可行的,并且精度可靠。此外,利用本文提出的自動化檢測方法,將鋼板橋鋼結構檢測過程變得簡潔且高效,有利于后續檢測結果的標準化和數字化,對鋼板橋鋼結構檢測手段的統一性和規范化具有一定的參考意義,能夠為發展橋梁鋼結構構件質量檢測更高效、更全面、更精準的數字化檢測方法提供參考。