基于三维激光扫描技术的桥梁变形实测与模拟研究

基于三维激光扫描技术的桥梁变形实测与模拟研究

李德均

四川公路桥梁建设集团有限公司公路二分公司  四川省成都市  610000

摘要：在桥梁变形监测中，通过三维激光扫描技术能够将桥梁结构的几何形态以三维数据形式展示出来，并将其整合为云数据，对桥梁监测具有显著的帮助作用。基于此，本文对基于三维激光扫描技术的桥梁变形实测与模拟情况进行研究。在研究期间结合实际案例，利用MIDAS CIVIL系统构建模型，将其与实测结果对比分析，结果发现该方法更注重整体变形特征的检测，具有更加显著的应用效果。

关键词：三维激光扫描技术；桥梁变形；模拟

引言：桥梁变形监测是桥梁健康管理系统中的重要组成部分，可通过多种监测技术完成桥梁工程结构变形情况的监测分析，为后续管理工作提供真实可靠的数据支持。但是随着桥梁工程规模与复杂程度不断提升，传统的桥梁变形监测技术方案已经无法满足监测需求，这就需要人们结合现代技术提出新的技术方案。三维激光扫描技术对桥梁变形监测具有显著的帮助作用，能够解决传统方法中存在的片面性和局限性的问题，所以逐渐成为行业重点关注研究的内容。本次研究，对基于该项技术的桥梁变形实测与模拟结果进行对比研究，具有显著的现实意义。

1.三维激光扫描技术应用方案

三维激光扫描技术以三维激光扫描仪为主要设备，在实际应用中可以与POS（定位定资系统）、搭载平台以及同步控制系统等技术组合，以满足不同工程监测需求[1]。其中，车载三维激光扫描技术是现阶段比较常见的技术形式，在车辆移动的过程中进行二维扫描，并将车辆移动方向视为运动轴，从而形成三维扫描系统，获取包括三维坐标数据和回波强度等数据的云点数据。在后续研究中以车载三维激光扫描技术为例分析。

2.基于三维激光扫描技术的桥梁变形实测结果

以某地大桥监测项目为研究对象，该桥梁属于大跨度桥梁工程，长度约为430m。搭载三维激光扫描仪的车辆依据提前规划的通行监测路线，以60km/h的速度均匀行驶。叠加采集期间的三维激光扫描数据后可以得到大桥桥面变形情况。

针对主桥进行桥面线形监测，从三维激光扫描点云数据中获取测点数据。对桥梁纵向划分出左中右三条检测线路，每条线路设定监测点位17个，各点位均匀分布。在实测期间桥梁处于不封闭状态，车辆对监测结果误差影响较小。

2.1 日照升温整体变形监测结果

在监测结果研究期间采用NURBS曲面计算方法，对桥梁点云数据计算，得到关键点位控制向量位移函数，进而得到桥梁曲面变形局部变化情况。综合分析NURBS曲面性质相关信息，最终能够获取到三维激光扫描检测的桥梁点云数据变形测量结果。

处理桥面点云数据时，在大桥主跨两侧的伸缩缝位置处挖空，随后通过八叉树原理构建点云数据搜索结构，经过降噪、图像染色以及结构对齐等操作后得到初步结果[2]。将结果图像与NURBS曲面进行拟合，对拟合后的图像分析可以发现，桥面结构存在部分结构凹凸不平的情况。

2.2 桥梁形态变化分析

基于NURBS曲面对大桥的桥跨路面曲线拟合处理，设定大桥两侧的桥台基础作为不动点，将处理得到的三维模型叠加处理。基于各点位获取的模型结果存在较大的误差情况，为消除影响利用特征方法进行对齐处理[3]。处理后得到的对应点距离可等效视为在不同温差条件下的桥面变形数据结果，并依据数据大小不同进行颜色区分，绘制桥面变形色谱图。在图像绘制期间设定26℃为桥面基准温度，并将其与21.7℃、13.95℃以及6.7℃条件乡爱的桥面变形结果进行对比研究，以此得到最终图像。在主桥跨中位置选择若干个点位的变形值，对其平均计算后得到的结果视为实际跨中变形值。

3.基于三维激光扫描技术的桥梁变形模拟

3.1 有限元计算分析

在模拟研究期间选择MIDAS CIVIL软件系统，依据大桥工程竣工图中的数据资料构建桥梁模型，在建模期间以空间梁的形式对大桥各构件模拟设计，并将其分成3814个梁单元和1996个节点，依据该桥梁工程施工建设期间的设计标准对相关参数取值和计算，得到的桥梁结构离散图如下所示。

图1 桥梁结构离散图

在仿真模型中将不同检测环境条件参数输入，能够得到以26℃为基出数据的桥梁结构变形有限元监测分析结果数据。在基于三维激光扫描技术的桥梁变形实测与模型研究期间，主要对不同温度条件下的大桥结构变形情况分析，在夜间测试时通行车辆相对较少，或者不存在车辆通过的情况。

3.2 桥面形态对比

在实测环节对该桥梁设计了三条检测线路，各条检测线路获取的数据结果基本相同，所以在对比研究环节选取其中一条为例。通过大桥周围实际环境以及监测结果数据等信息，最终选择右侧线路监测获取的数据，将其与有限元分析得到的结果数据对比分析。

通过数据对比分析可以发现，在温度下降的环境下，大桥桥面结果出现了下挠变形的情况，桥面结构相对变形曲线比较平顺，桥面结构的实测变形曲线与理论情况具有基本相同的规律。基于三维激光扫描技术获取的实测结果在有限元模型分析结果的包络内，两者表现出基本相同的变形趋势。大桥实测变形结果误差处于0～13%范围内。与此同时，由于该桥梁属于大跨度桥梁工程，在有限元分析期间会存在监测结果的精度受到荷载、材料性能以及边界条件等因素的干扰，在部分点位的结果数据存在较大的误差，但是这一现象属于正常现象，可忽略不计。

4.结语

在研究期间利用车载三维激光扫描技术对某地大桥结构变形情况进行实测研究，同时利用MIDAS CIVIL软件系统构建仿真模型展开理论研究。在研究期间将NURBS曲面技术运用其中，可以真实地反映出搭桥梁桥面的线性变形情况与整体变形情况，具有较高的数据真实性与精准性。获取数据信息后对两种方式的监测结果进行对比分析。通过分析可知，基于三维激光扫描技术的桥梁变形实测与仿真结果呈现出基本相同的趋势，能够对不同温度条件乡爱的桥面结构变形情况精准检测，具有良好的应用前景。

参考文献

[1]胡洋,韩扬,梁文鹏.三维激光扫描技术在桥梁变形监测中的应用[J].测绘通报,2024,(03):179-182.

[2]云宝真,李寒冰,马永征,韩梦玥.基于三维激光扫描技术的跨座式单轨桥梁挠度变形监测方法研究[J].交通科技与管理,2024,5(03):1-4.

[3]徐弘.基于三维激光扫描的桥面变形检测技术的研究[J].江苏建材,2023,(04):55-57.