基于三维激光扫描技术的钢桁梁大悬臂横移施工安全监控技术研究

基于三维激光扫描技术的钢桁梁大悬臂横移施工安全监控技术研究

何振克

（1.济青高速铁路有限公司 山东省 济南 250000）

摘  要：大悬臂钢桁梁横移施工具有较高的施工风险，为使钢桁梁线形满足施工要求，提高大悬臂钢桁梁施工质量，利用三维激光扫描仪对钢桁梁大悬臂端线形进行监测，通过将扫描的全局线形数据与理论分析对大悬臂钢桁梁合理施工状态进行比对，及时地发现并纠正施工误差，保证钢桁梁施工完成后，达到最为合理成桥状态，得到：垫块存在压缩变形、结构实际施工刚度小于理论计算刚度，因此导致悬臂端监测的实际变形值均大于理论计算值；桁梁悬臂端距根部20-25m位置变异系数较大，不稳定因素较为明显。

关键词：钢桁梁 三维激光扫描 线形 监测

中图分类号：U455.43       文献标识码：A     

1 引言

随着我国铁路建设的不断加快，不可避免地出现新建铁路线路与既有线路交错，为避免新建线路影响既有线路的运营，横移施工工艺被广泛应用于跨越既有线路的桥梁施工方面[1, 2]。而且钢桁梁横移施工具有施工速度快、工艺简明的特点，然而随着钢桁梁悬臂长度的不断加大，其结构倾覆风险不断增加。为了保证连续钢桁梁在大悬臂横移施工过程中的结构安全性，必须对施工过程进行安全监控及现场量测[3, 4]。

目前，国内外学者对桥梁施工监控及量测技术进行了一定地研究。王峰[5]构建了桥面线形远程实时智能监控系统，通过对比桥梁挠度理论值、智能监测系统输出值以及水准测量值，得到该系统精度用于桥梁线形监测具有较高地可靠性、较低的成本等特点，而且其监测精度可达毫米级；陈小松等[6]应用了API激光跟踪测量技术，动态跟踪测量了钢桁梁制造关键工序的尺寸，通过与建立的实测模型对比分析，得到：API激光跟踪测量技术可以满足制造钢桁梁构件的精度要求，而且降低钢桁梁制造量测的复杂程度，提高了生产效率以及量测精度；周维等[7]依托沪通长江非通航孔桥研究了简直钢桁梁立体试拼装技术，利用全站仪对钢桁梁拼装过程的关键尺寸监控测量，以及顶推微调，得到拼装精度可以满足要求，精度控制措施具有一定的可行性。通过上述研究发现，目前针对钢桁梁拼装测量相对较多，而且对于施工过程中桥梁线形的实时监测研究相对较少。

针对上述研究不足，本文基于三维激光扫描技术对大悬臂钢桁梁横移施工安全监控技术进行系统研究，利用三维激光扫描仪对钢桁梁大悬臂端线形进行监测，对大悬臂钢桁梁横移施工过程中的桥梁线形进行监控，实现了大悬臂钢桁梁横移施工过程线形的实时监控，对桥梁线形监测具有一定的指导意义。

2 工程概况

采用变高度连续钢桁梁，端支座处主桁桁高13m，中支点处桁高25m，上弦杆线性采用二次抛物线，120m侧共设置10个节间，节间间距12m；大悬臂端长82m，共设置8个节间，节间距分别为7×10.4m+9.2m。主桁立面布置图如图1所示。

图1 主桁立面布置图

3.三维激光扫描测量原理

传统测绘技术通常对桥梁施工过程中的定点进行精准测量，即在桥梁预设位置安装反光片，采用全站仪对桥梁对预设位置的坐标进行测量，通过分析测量得到的坐标数据，分析桥梁线形。本文采用的三维激光扫描成像技术相比于传统测绘技术具有本质不同，该技术通过设定特定的扫描间隔对整体或局部桥梁线形进行高精度、高密度地三维扫描测量并立体成像。

三维激光扫描系统分为激光测距和激光扫描系统，同时集成了CCD相机、仪器内部控制及校正等系统，保证了三维扫描系统可以自动地获取桥梁三维空间中的真彩色点云数据。具体测量原理如下。

（1）激光测距系统

根据测距方法，激光测距可分为：脉冲式测距、相位式测距。

①脉冲式测距：仪器内部的激光脉冲二极管发射激光脉冲，经仪器内部的旋转棱镜将激光脉冲向钢桁梁投射，脉冲到达钢桁梁表面后会被反射回来，反射回来的部分脉冲会被仪器内部的探测器接收并记录，通过测量仪器与钢桁梁之间脉冲波的往复时间，确定钢桁梁位置。其距离计算见公式（1）。

                         （1）

式中，S——扫描测量距离;

c——光传播速度;

t——脉冲信号从发射到接收的往返时间。

该方法激光测距系统具有如下特点：激光脉冲瞬时功率较大、发散角度较小、持续时间极短、测距距离长，测距长度可以达几百米甚至上千米。随着激光扫描测量距离地增长，其扫描精度会随之降低。

②相位式测距：通过无线电波段频率调控激光的幅度，再测定从仪器发射到接收调制光一次所需要的相位延迟数，并根据调制光的波长，确定出该相位延迟所产生的相位差，进而达到测距的目的，如图2所示。

图2 相位测量距离原理

该方法测距的表达式为：

                     （2）

式中，——相位差，

——脉冲固有频率。

该方法激光测距系统主要应用于距离较近的扫描测量。

（2）激光扫描系统

激光扫描系统利用内置伺服马达精确控制多面反射棱镜地转动，进而使脉冲激光束能够快速扫描桥梁整体结构。激光扫描系统可根据要求设置坐标系统，否则采用仪器内部的默认坐标系统对钢桁梁进行三维扫描，其坐标原点位于激光扫描仪中心，X轴位于水平扫描面内，Y轴位于水平扫描面内且与X轴垂直，Z轴垂直与水平扫描面。激光扫描系统利用上述坐标方法测量脉冲激光的纵向扫描角度

和水平扫描角度，如图3所示。

图3 三维激光扫描仪坐标系统

由此可根据式（3），计算出扫描激光点及钢桁梁的三维坐标：

                   （3）

（3）CCD相机

彩色CCD相机获取钢桁梁的全景彩色照片以及其丰富的颜色信息，将扫描得到的钢桁梁颜色、纹理等信息利用贴图技术添加到所测点云数据中，进而得到所测钢桁梁的三维真彩色信息。

4 基于三维激光扫描技术的横移施工变形监测

（1）测站布设

根据钢桁梁结构特点以及施工实际环境，布设合适的测点位置。为减少工作量，选择尽量少的测站扫描获取钢桁梁完整点云数据。

（2）采集数据

为了保证获取的点云数据可以满足分析钢桁梁特征及线形的所有需求，根据监测精度和环境要求，选择FARO FOCUS3D三维激光扫描仪对钢桁梁进行数据采集。

①扫描分辨率：扫描方式可分为粗略扫描和精确扫描两种，粗略扫描包括：与钢桁梁拖横移过程中有关的周围环境、对分析钢桁梁变形不重要的地物等，其扫描分辨率设置为1/4；精确扫描包括：钢桁梁、与钢桁梁密切相关的地物，扫描分辨率设置为1/2。

②扫描入射角度：为了提高扫描数据的质量，重点扫描区域的扫描入射角度在45°，特殊情况下，可以适当提高仪器的高度。

③扫描质量：点云数据采集质量采用最高质量，以减少扫描噪声对扫描精度的影响。

④彩色扫描：为了便于对钢桁梁点云数据进行特征提取和变形分析，扫描中利用FOCUS3D扫描仪自带的高精度相机进行彩色扫描。

（3）扫描数据处理

获取三维激光扫描的钢桁梁点云数据后，点云数据必须经配准、噪声剔除、简化等处理，才能够进行钢桁梁变形分析，其具体的数据处理流程如下图5所示。

图5 点云数据处理流程图

①资料整理：整理测站号、站点号以及其它测量参数，以保证测量数据的对应和完整。

②点云数据预处理：首先将扫描得到的点云数据进行去噪和简化处理，然后将其进行拼接以获取高质量且完整的钢桁梁点云数据，最后根据处理得到的点云数据，构建钢桁梁三维模型。

③特征提取：根据处理完成后的点云数据，并结合钢桁梁结构特征，分割钢桁梁点云数据，然后提取钢桁梁不同位置处的点、线、面特征。

（4）变形分析

根据由点云数据提取出的钢桁梁特征，对钢桁梁的变形情况进行分析，对比前后两次扫描得到的点、线、面等特征或整体点云数据，提取钢桁梁相应的变形信息，计算钢桁梁的相对变形量，判断钢桁梁线形是否满足施工要求。

（5）桥梁施工形态评估准则

采用桥梁整体线形和局部线性双控的原则，对钢桁梁大悬臂施工期间的线形状态进行评估。

5 工程应用及分析

依托工程连续钢桁梁大悬臂横移距离共46m，在夜间跨越铁路的天窗期进行横移施工。钢桁梁施工现场环境复杂、障碍物较多，因此仅对钢桁梁80m大悬臂进行精细化的三维激光扫描。同时考虑到夜间施工时间紧凑，选定桥梁横移初始时刻、横移9m、横移18m、横移27m、横移36m和横移目标位置共6个工况进行三维激光扫描。三维激光扫描的某时刻原始点云数据如图7所示。

图7 桥梁原始点云数据

分别对各工况下的钢桁梁原始点云数据进行裁剪，仅保留钢桁梁悬臂端点云数据。然后对点云数据进行进一步处理，提取桥梁悬臂段各下弦杆节点中心的坐标信息，通过与拼装时刻的坐标信息相比较，得到横移过程中下弦杆各节点挠度变化规律。以初始横移位置为例，点云数据及计算结果如图8所示。

图8 横移初始位置点云数据及线形结果

由图8可知，钢桁梁横移过程中，悬臂端实际变形值大于理论计算值，可能是由于在施工过程中，由于悬臂端根部处于偏压状态，其相应位置的垫块存在压缩变形，导致结构实际横移过程中出现一定的下挠。

为了对钢桁梁悬臂施工期不同时刻的点云线形进行对比分析，将6种工况下的点云线形绘制于同一坐标系下，并对同一位置不同时刻的桥梁线性数据进行统计分析，结果如图9所示。

图9 钢桁梁不同时刻的点云线形对比结果

由图9可知，钢桁梁横移过程中悬臂端不同横移位置的实际变形值均大于理论计算值，可能是由于在施工过程中，由于悬臂端根部处于偏压状态，其相应位置的垫块存在压缩变形；由于拼装工艺以及施工人员等因素的影响导致结构实际刚度小于理论计算刚度，因此导致结构变形较大。而且钢桁梁悬臂端距根部20-25m位置变异系数较大，不稳定因素较为明显。

6 结论

考虑到大悬臂钢桁梁横移施工过程具有施工风险高、传统测量方法较慢，利用三维激光扫描仪对桥梁线形监测手段，对大悬臂钢桁梁横移施工过程中的桥梁线形进行监控，通过将扫描得到钢桁梁点云数据进行处理分析，通过将扫描的全局线形数据与理论分析得到的桥梁合理施工状态进行比对，及时地发现并纠正施工误差，保证施工完成的桥梁得到合理成桥状态，并得到以下结论。

（1）由于悬臂端根部处于偏压状态，其相应位置的垫块存在压缩变形，因此导致悬臂端监测的实际变形值均大于理论计算值。

（2）由于拼装工艺以及施工人员等因素的影响，导致结构实际刚度小于理论计算刚度，因此导致结构变形较大。

（3）钢桁梁悬臂端距根部20-25m位置变异系数较大，不稳定因素较为明显。

参考文献

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[7]周维, 邹纪祥, 许金明, 等. 沪通长江大桥非通航孔桥112m简支钢桁梁立体试拼装技术[J]. 世界桥梁, 2018,46(01):37-41.