激光雷達(dá)檢測(cè)溫度對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)變形影響分析

韓達(dá)光，梁寧博，李學(xué)飛，馬曉鑫，馬鵬飛，楊永光

(中冶建筑研究總院有限公司，北京100088)

激光雷達(dá)檢測(cè)溫度對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)變形影響分析

韓達(dá)光，梁寧博，李學(xué)飛，馬曉鑫，馬鵬飛，楊永光

(中冶建筑研究總院有限公司，北京100088)

通過(guò)三維激光掃描儀對(duì)不同溫度的鋼柱進(jìn)行多次掃描，通過(guò)擬合圓柱獲取鋼柱頂部同一高度的截面圓的圓心作為位移的參考量，對(duì)鋼柱因表面溫度變化引起的變形進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著表面溫度的變化，鋼柱會(huì)有一定的偏移。實(shí)驗(yàn)證明該方法快速、高效、精度高、對(duì)于分析鋼結(jié)構(gòu)的變形是可行的。

三維激光； 鋼結(jié)構(gòu)； 溫度

隨著鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，大型鋼結(jié)構(gòu)建筑也隨處可見(jiàn)，其體量、跨度、高度也都在增加，安裝精度要求也非常高。在建造和使用階段造成變化變形的因素有多種，其中溫度引起的變化也不容忽視。迄今為止，在鋼結(jié)構(gòu)的安裝過(guò)程中，溫度對(duì)安裝精度的影響也都為各個(gè)國(guó)家所重視，并且有相當(dāng)一部分國(guó)家將其列入到各種規(guī)范中[1]。

我國(guó)在鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)表面溫度變化引起的鋼件變形而導(dǎo)致鋼件無(wú)法順利安裝的問(wèn)題，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工規(guī)范中都沒(méi)有明確的規(guī)定。因此，對(duì)于溫度變化引起的鋼結(jié)構(gòu)安裝不上的問(wèn)題需要引起重視。為了進(jìn)一步分析表面溫度對(duì)不同半徑，不同長(zhǎng)度的柱狀結(jié)構(gòu)的影響。本文利用三維激光掃描儀獲取柱狀鋼結(jié)構(gòu)表面點(diǎn)云模型，通過(guò)不同時(shí)段和不同溫度下數(shù)據(jù)的對(duì)比，對(duì)溫度影響下的柱狀鋼結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了初步分析。

1 實(shí)驗(yàn)原理

利用三維掃描技術(shù)和表面溫度計(jì)測(cè)定鋼柱隨著表面溫度的變化在其豎直方向位移變化情況，位移變化用鋼柱頂端圓心坐標(biāo)位移來(lái)衡量。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 三維激光掃描儀

Z+F IMAGER 5010是一款相位式掃描儀，可對(duì)物體進(jìn)行高速掃描，并且能夠在所感興趣的區(qū)域內(nèi)根據(jù)需求進(jìn)行掃描。該掃描儀精度高，掃描距離能夠達(dá)到187 m，能夠滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)精度要求，為精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果打下基礎(chǔ)。如表1是Z+F IMAGER 5010掃描儀的性能參數(shù)表。

此次實(shí)驗(yàn)中采用Z+F IMAGER 5010掃描儀，主要部件包括：Z+F IMAGER 5010主機(jī)一臺(tái)、腳架一個(gè)、標(biāo)靶若干。如圖1是 Z+F IMAGER 5010掃描儀。

2.2 溫度獲取裝置

本實(shí)驗(yàn)標(biāo)本表面溫度是用利用表面溫度計(jì)TES-1310測(cè)得，其溫度測(cè)量范圍是-50～200℃，解析度為0.1℃，精確度為±(0.3%+1℃)。為了保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，在測(cè)時(shí)先取溫度較高的物體表面溫度，確保溫度儀能夠正常工作。

表1 Z+F IMAGER 5010性能指標(biāo)

圖1 Z+F IMAGER 5010掃描儀圖

圖2 TES-1310表面測(cè)溫計(jì)

表面溫度計(jì)主要包括：測(cè)溫計(jì)主機(jī)、測(cè)溫棒。如圖2是TES-1310測(cè)溫儀。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 實(shí)驗(yàn)基本情況介紹

為了保證實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，同時(shí)考慮到日照的情況，分析到柱狀鋼結(jié)構(gòu)表面溫度的變化情況，使得數(shù)據(jù)有一定的可信度，在工程的東側(cè)、北側(cè)、西側(cè)共選取8根長(zhǎng)度不同，半徑各異的柱狀鋼結(jié)構(gòu)作為實(shí)驗(yàn)標(biāo)本，其中1～3為一組，分布在工程的東側(cè)；4～5為一組分布在項(xiàng)目北側(cè)；6～8分布在西側(cè)。鋼柱分布，及站點(diǎn)分布圖如圖3所示，圖中青色圈代表掃描儀架設(shè)站點(diǎn)，黑色圈代表鋼柱。鋼柱在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)中的相對(duì)關(guān)系也如圖中所示。表2是各鋼柱的基本信息。

圖3 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本分布圖

mm

實(shí)驗(yàn)前確定架站位置并做好標(biāo)記，基本上能夠確保每次將儀器架設(shè)在一致的位置上，避免因?yàn)閽呙杞嵌榷a(chǎn)生誤差。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間共計(jì)2天，每天掃描3次，分別安排在上午7點(diǎn)、下午3點(diǎn)和晚上6點(diǎn)。每次均進(jìn)行單站掃描，考慮到要對(duì)不同次間掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，因此需要將數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標(biāo)系，所以在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前設(shè)置拼接標(biāo)靶，方便數(shù)據(jù)間的拼接。為了保證精度，標(biāo)靶不能移動(dòng)，且放置位置必須能夠看作是沒(méi)有變形的。

綜合考慮到這些因素，我們最終選擇平面打印標(biāo)靶，每一區(qū)域均設(shè)置有4個(gè)，分別設(shè)置在不同高度和不同平面上。

3.2 數(shù)據(jù)獲取

3.2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

為了避免拼接誤差，以及角度等造成的誤差，在數(shù)據(jù)采集時(shí)，確定站點(diǎn)位置基本保持一致，掃描過(guò)程中掃描模式設(shè)置為super high。

在掃描計(jì)劃時(shí)間內(nèi)，依次對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行掃描。如圖4分別是三個(gè)區(qū)域的原始掃描數(shù)據(jù)，圖中數(shù)字表示了每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本的位置和命名。

圖4 點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)

3.2.2 溫度獲取

溫度測(cè)量和掃描同時(shí)進(jìn)行，利用表面溫度計(jì)TES-1310，在掃描的進(jìn)行溫度測(cè)量，注意在測(cè)溫時(shí)避免測(cè)溫人員對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼柱的遮擋，出現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)不全的情況。為了保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，在測(cè)時(shí)先取溫度較高的物體表面溫度，確保溫度儀能夠正常工作。測(cè)溫時(shí)需測(cè)量正對(duì)著掃描儀一側(cè)的鋼柱的溫度。表3是第一天測(cè)量獲取的溫度數(shù)據(jù)。

表3 溫度統(tǒng)計(jì) ℃

3.2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在本次掃描中，實(shí)驗(yàn)的三個(gè)區(qū)域是相互獨(dú)立的，每個(gè)區(qū)域都是通過(guò)一站掃描的，沒(méi)有多站掃描，因此不需要拼接，只需要利用實(shí)驗(yàn)前設(shè)置的拼接標(biāo)靶，將不同次掃描數(shù)據(jù)拼接在一起，統(tǒng)一坐標(biāo)系。在實(shí)驗(yàn)中拼接精度都保持在1 mm左右。

通過(guò)激光雷達(dá)得到的數(shù)據(jù)是一系列規(guī)則排序的三維坐標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)中我們需要通過(guò)某一點(diǎn)的具體變化情況來(lái)評(píng)價(jià)因溫度變化而對(duì)鋼柱產(chǎn)生的影響。因此實(shí)驗(yàn)中，筆者充分考慮實(shí)驗(yàn)樣本的形狀，通過(guò)點(diǎn)云擬合圓柱，將圓上表面圓心坐標(biāo)變化作為特征點(diǎn)，以此來(lái)分析柱狀鋼結(jié)構(gòu)因溫度變化而引起的變形。圖5是6、7、8三根擬合的效果圖，其中擬合最大標(biāo)準(zhǔn)偏差保持在1 mm左右。

4 測(cè)量結(jié)果

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，為了避免鋼柱頂端掃描結(jié)果的誤差影響，將近頂部同一高度的剖面圓的圓心坐標(biāo)近似看作鋼柱擬合圓柱上頂面圓心。

圖5 圓柱各時(shí)段擬合效果

通過(guò)數(shù)據(jù)處理能夠得到每一根鋼柱頂端面中心坐標(biāo)，并以第一次測(cè)得的結(jié)果為初始位置，計(jì)算中午和晚上測(cè)量結(jié)果與初始位置在三個(gè)軸上的差值，分別用ΔX、ΔY、ΔZ表示，并計(jì)算位移差值，用ΔS表示。如表4所示，為第一天測(cè)量數(shù)據(jù)提取的鋼結(jié)構(gòu)偏移變化值。

表4 中心坐標(biāo)偏移表部分 m

計(jì)算早上和中午，早上和晚上測(cè)得圓心間的距離，如表4中ΔS列所示，前一個(gè)距離表示早上到中午的變化量，后一個(gè)表示早上到晚上的變化量。將其以折現(xiàn)圖的形式表示(圖6)，其中橫軸代表溫度變化量，軸代表距離，單位為mm。

圖6 位移變化折線(xiàn)(單位：mm)

在圖6中，標(biāo)有編號(hào)的線(xiàn)段間的折線(xiàn)代表該編號(hào)的鋼柱位移變化。從圖中可以看出，1號(hào)鋼柱隨著溫度降低距離減小；2號(hào)鋼柱隨著溫度的變化位移增大；3號(hào)鋼柱與2號(hào)柱子

趨勢(shì)相同；4號(hào)與1號(hào)柱子相同，5號(hào)柱子則又隨著溫度升高而距離減小；6號(hào)柱子隨著溫度升高距離增加；7號(hào)溫度差減少0.3℃，距離確有明顯的變化；8號(hào)柱子隨著溫度的降低略微增大。

從分析中可以看出，隨著溫度的升高有些位移增大，有些位移減小；同樣隨著溫度降低有些距離增加有些距離減小。在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)第二天測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行分析，表現(xiàn)出同樣的分析結(jié)果。從整個(gè)結(jié)果可以看出，鋼柱的變形沒(méi)有呈現(xiàn)一定的規(guī)律。

結(jié)果原因分析：在實(shí)驗(yàn)中，鋼結(jié)構(gòu)安裝基本完成，各個(gè)鋼柱已經(jīng)與其它鋼件連接在一起形成一個(gè)整體。因此我們?cè)跍y(cè)量過(guò)程中測(cè)量的是各個(gè)方向上力作用的結(jié)果，并非單一溫度作用下鋼柱的變形情況。因此研究安裝階段表面溫度對(duì)鋼柱的變形影響，需要對(duì)單獨(dú)的，不與任何其它構(gòu)件相連接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

另一方面表面溫度計(jì)的精度較差，對(duì)于溫差變化較小時(shí)，很可能因?yàn)闇囟葴y(cè)量不準(zhǔn)確而導(dǎo)致溫度差的錯(cuò)誤，從而影響到其變形趨勢(shì)，因此表面溫度計(jì)對(duì)于測(cè)量結(jié)果也有一定的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)工程實(shí)例，將溫度對(duì)柱狀鋼結(jié)構(gòu)的變形影響進(jìn)行分析，分析結(jié)果有一定的作用，但對(duì)于變形規(guī)律還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。

該實(shí)驗(yàn)的目的是確定隨溫度變化對(duì)鋼件安裝的影響。但是在實(shí)驗(yàn)時(shí)，基本上絕大部分鋼件已經(jīng)安裝完成，因此該實(shí)驗(yàn)雖然能夠說(shuō)明隨溫度的變化有一定的影響，但是卻不能定量的進(jìn)行分析，確定變形校正量，因此對(duì)于確定鋼柱的變形規(guī)律還需要通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。

對(duì)下一步實(shí)驗(yàn)提出進(jìn)一步的要求：

(1)對(duì)于樣本的選擇，要求不同的區(qū)域包含各型號(hào)的鋼柱，確定長(zhǎng)度，半徑、壁厚等對(duì)柱子的影響。

(2)對(duì)于表面溫度計(jì)的選擇，要求其精度要盡可能的高。

(3)針對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模谙鄳?yīng)的工程階段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，避免其它干擾因素的影響。

[1] 沈祖炎,秦效啟，沈德洪，等.高層鋼結(jié)構(gòu)施工中的溫度變形分析[J].結(jié)構(gòu)工程師,1990，(1).17-21

[2] 吳輝宇,向青山.鋼結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析及焊接變形與應(yīng)力分析[J].中外建筑,2009，(4)：176-178

[3] 林錯(cuò)錯(cuò),王元清，石永久，等.溫度作用對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的影響分析[J].工業(yè)建筑，2010，(增刊)： 948-956

[4] 虞崇鋼.復(fù)雜造型外露鋼結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)理論分析[D].蘭州理工大學(xué)， 2008

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[定稿日期]2015-03-20