三維激光掃描技術在公鐵兩用鋼桁架橋大修中的應用

李倩文

上海公路橋梁（集團）有限公司 上海 200433

近年來，我國公路橋梁建設快速增長，到目前為止，上海黃浦江上的在役越江大橋有12座，第13座正在建造中。國內相關專家指出，使用壽命達25年以上的橋梁，近半數存在較大損傷[1]，并提出我國需要更新、維養的橋梁占比達10.5%，且此數量仍在持續增加[2]。上海第一座跨越黃浦江的大橋——松浦大橋自1976年通車至今已運營40余年，其他10余座越江大橋大多也運營近20年。隨著社會的發展，越來越多的大型橋梁由新建逐漸進入大修改造期。而越江大橋代表性、特殊性及重要性的特點，導致其在大修改造過程中對社會交通的影響情況備受關注。如何降低橋梁大修改造對既有交通的影響，提升改造質量，是值得探索的問題。

在橋梁工程中，專家們基于三維激光掃描技術對橋梁撓度變形[3]、高墩垂直度、懸索橋主纜線形、吊桿拱橋拱肋線形測量[4]等進行了研究，并驗證了該技術在橋梁變形監測應用中的準確性[5]。這些研究大多是針對橋梁運營養護期間的監測應用，但針對橋梁大修建造進行施工指導的應用研究相對較為匱乏。

有學者基于三維掃描高精度測量的特點，對鋼構件加工及模擬預拼裝方面[6]進行了研究與實踐，具有較高的借鑒意義。本文提出采用三維掃描技術，對既有鋼結構橋梁整橋及局部鋼構件進行不同精度的掃描，分析每組主桁豎桿間距、桿件變形及節點板現狀結構情況，為改造過程中主桁桿件更換及節點板加固加工提供施工指導，有效提升項目決策的科學性。

1 三維激光掃描系統簡介

三維激光掃描技術是一種利用掃描儀硬件設備快速采集物體表面海量點信息，并基于相關軟件對點云數據進行后處理應用的技術。根據掃描設備承載方式及掃描范圍的不同，主要分為3類：機載激光掃描、地面激光掃描（含車載移動式和固定式）、手持式激光掃描。

本文根據需要，選用固定式地面激光掃描儀及手持式激光掃描儀，分別針對主橋鐵路層、節點板進行不同程度的掃描。雖然2種掃描設備及其精度不同，但都基于相同的測量原理：激光三角形法[7]。對于固定式的地面激光掃描儀測量計算方法[8]，諸多學者做了詳細介紹。針對手持式掃描，則是光源投射到被測物體上，經調制解算后被光接收裝置接收，形成一個由光源、被測目標、接收裝置構成的三角形，繼而通過光源與接收裝置的相對位置關系，計算確定被測目標與掃描儀中心的距離。

2 上海松浦大橋大修工程應用實踐

2.1 工程簡介

上海松浦大橋原是一座跨越黃浦江的雙層公鐵兩用橋，上層為車亭公路（G320）過江用的兩車道公路，下層為原鐵路金山支線的單線鐵路。2012年，一座鐵路專用橋在其旁邊建成通車，松浦大橋不再承擔鐵路運營職責。為充分利用現有資源，緩解該橋過江交通壓力，對松浦大橋進行大修，將上層進行拓寬，下層鐵路改為人非通道，如圖1所示。

圖1 大修前后主橋標準橫斷面

該橋梁大修后，橋面加寬，偏載效應影響較大，主桁受力相對增加，需進行主桁平聯細桿更換，增強其承載能力。因老橋已歷經40余年，現有主桁連系桿件存在變形和位移。為準確獲取構件信息并加工新構件，引入三維激光掃描技術，還原現狀橋梁結構，對其主桁豎桿間橫向間距、上懸桿橫向間距、豎桿變形、節點板的現狀情況等進行應用分析，為主桁的桿件更換、節點板加工提供有利的數據支撐。

2.2 數據采集與預處理

鑒于松浦大橋大修期間上層公路橋仍在通行，并綜合考慮現場環境及施工應用需求，本文利用固定式地面三維激光掃描儀對主橋下層橋面進行了數據采集。主橋段全長419.6 m，由于數據精度要求較高，故共設置96個測站點，所有站點均布設于下層橋面，由北向南進行掃描，橫向沿橋寬設置3個測站，縱向10～15 m一個測站，站點布置如圖2所示。

經外業數據采集后得到各個分站點的點云數據，利用相應配套專業后處理軟件Realworks將各站點數據進行配準、拼接、去噪，形成如圖3所示的整橋現狀模型。

圖2 下層橋面測站布置平面示意

圖3 整橋預處理模型

針對保留不拆的主桁節點板，考慮到節點板上鉚釘構件多，且為了指導加工廠生產，精度要求高，本文采用手持式高精度三維掃描儀進行數據采集。每個節點板大小約為2 m×2 m，分2次掃描。經專業后處理軟件將2次數據進行拼接、去噪、預處理，形成完整節點板點云模型，如圖4所示。

圖4 節點板

2.3 數據分析

該大修工程主要改造內容之一是對其上層橋面系進行拓寬，其中涉及改造豎桿間橫向連系，如圖1紅色方框標識區，同時對部分主桁節點板進行原位加固。該橋的鋼構件經過40余載的運營后，均存在大小不一的變形，既有構件尺寸的精準把握與分析，對如今的改造有重大指導意義。

2.3.1 主桁豎桿間橫向間距分析

在保留主桁豎桿的情況下，更換豎桿橫向連系，本文基于三維掃描現狀點云數據模型，利用專業后處理分析軟件，對各主桁切片處理，切片厚度取10 mm，形成各主桁豎桿的剖面數據圖，如圖5所示。主橋全長約420 m，以主橋正中央橋墩為中心，中央位置2對，由中心向兩側，主橋南北側各13對，總共形成28對主桁豎桿橫向間距數據圖。

經過與原建設期設計數據（豎桿間距為5 298 mm）對比分析，發現主桁豎桿橫向間距靠近上部橫向連系處變形較大，最大變形量達7 mm。此數值與人工測量值一致，同時也驗證了該方法的準確性。

為精確制造平聯桿件，對上懸桿間的橫向間距同樣進行了薄片切割處理，形成上懸桿間的橫向間距分析圖，結果發現上懸桿間橫向間距相比原設計數據，偏差最大值達8 mm。

通過對豎桿橫向間距及上懸桿橫向間距的針對性處理分析與測量，形成的數據圖為平聯連系桿件的制作提供了有利的數據參考，大大減少了現場高空測量作業，提升了現場工作效率。

2.3.2 主桁桿件變形分析

根據項目大修需要，基于原設計圖紙創建了主桁節點的BIM模型，同時選擇對應區域現狀點云數據模型進行對比，分析主桁節點桿件的變形情況。

本文選取C12節點區域，將BIM理論模型數據與點云模型數據經過數據格式轉換后，利用Geomagic 軟件，進行數據再處理、對齊與比對分析，得到如圖6所示結果。結果顯示，節點下部區域存在較大的負偏差，上部區域存在正偏差，最大正偏差達20 mm，最大負偏差達9 mm。經過分析，原因可能為：原建設期施工與設計的誤差、橋梁運營期內的桿件變形、桿件表面防銹涂漆等附屬物的影響。

圖5 主桁豎桿橫向間距 （北2）

圖6 C12節點區域偏差分析云圖 （西側）

2.3.3 節點板原位加固應用

基于預處理的主桁節點板數據模型，利用后處理分析軟件，對其進行平滑、平面分割、切片投影等過程處理，形成節點板數字模型及二維加工圖紙，如圖7所示。形成的主桁節點板二維圖紙直接提交至加工廠進行加工制造，數據精度準確可靠，有效提升了工作效率。

圖7 節點板數據

形成的節點板數據模型與原建設期設計圖紙對比分析，發現多個節點板的原設計圖存在漏洞，如A9節點，實際橋梁部分節點存在構造鉚釘孔，如圖8所示，與原設計不一致，為此，及時調整了設計方案。

圖8 A9節點

3 結語

本文基于三維掃描技術，依托上海松浦大橋大修工程，利用固定地面式及手持式三維激光點云掃描儀，分別對主橋及主桁節點板進行了不同精度等級的掃描，得到如下結論：

1）主桁豎桿橫向間距靠近上部橫向連系處變形較大，最大變形量達到7 mm，上懸桿間橫向間距相比原設計數據，偏差最大值達到8 mm，為主桁桿件加工提供了有效的數據支撐。

2）主桁節點桿件對比結果顯示：1節點下部區域存在較大的負偏差，上部區域存在正偏差；最大正偏差達20 mm，最大負偏差達9 mm，但仍需進一步研究排除相關可能因素的影響。

3）節點板現狀數字模型及二維加工圖紙，為鋼構件加工提供了有效的數據參考，修正了設計方案，提升了工作效率，同時為后續類似工程的建設奠定了良好的基礎。