一種全新的混凝土平面裂縫預(yù)測(cè)評(píng)估和圖形化輸出方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種建構(gòu)筑物中評(píng)估混凝土表面是否出現(xiàn)裂縫及其預(yù)測(cè)出現(xiàn)的裂縫 的位置的方法，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程非接觸的對(duì)大型建筑物混凝土平面的開裂情況進(jìn)行檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 裂縫出現(xiàn)的程度是控制結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性、抗腐蝕性的重要基本參數(shù)之一。當(dāng) 前，工程師對(duì)混凝土建構(gòu)筑物的裂縫，多是當(dāng)裂縫在一定距離內(nèi)通過肉眼可見，或出現(xiàn)大變 形時(shí)才進(jìn)行測(cè)量和檢測(cè)工作，進(jìn)而驗(yàn)算其是否符合設(shè)計(jì)要求，以及檢查其他可能產(chǎn)生裂縫 的原因。這種裂縫檢查是后知后覺的，無法從根本上杜絕危險(xiǎn)的出現(xiàn)。
[0003] 另外，對(duì)于諸多大型建構(gòu)筑物，如大跨度樓板、屋面板、橋梁、隧道、混凝土儲(chǔ)油罐、 保護(hù)殼、尾礦壩等大型、高聳結(jié)構(gòu)等，難以實(shí)現(xiàn)近距離測(cè)量的位置，人工檢測(cè)的方法顯然是 無法滿足對(duì)其進(jìn)行裂縫監(jiān)測(cè)的要求。
[0004] 而當(dāng)前對(duì)這類變形和裂縫監(jiān)測(cè)方法主要采用堵的辦法，即在橋梁、隧道等出現(xiàn)較 大變形（肉眼可觀測(cè))，或儀器取特征點(diǎn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)較大變形的時(shí)候，工程師根據(jù)變形位置近 距離尋找裂縫，并測(cè)量裂縫間距和寬度。由于監(jiān)測(cè)手段只能夠選取有限特征點(diǎn)，采用全站儀 或其他測(cè)量手段單點(diǎn)測(cè)量，因此往往以后大量可能發(fā)生危險(xiǎn)的薄弱環(huán)節(jié)。其對(duì)建構(gòu)筑物的 變形的后知后覺及局部性，造成了眾多的結(jié)構(gòu)安全隱患。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)不足之處，本發(fā)明主要針對(duì)單向彎曲的混凝土構(gòu)件，提出 一種采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行掃描和建模，從而所獲得的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì) 比分析和計(jì)算，不僅能夠確定已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫，而且能夠預(yù)測(cè)將要出現(xiàn)裂縫的位置。
[0006] 該方法中的三維激光掃描技術(shù)，被認(rèn)為是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后測(cè)繪技術(shù)領(lǐng)域 的一項(xiàng)革命性突破，具有非接觸性，快速性，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)，且高密度、高精度，數(shù)字化、自 動(dòng)化等特性，并且正在逐步被應(yīng)用在工程中。三維激光掃描儀通過掃描混凝土表面，獲得密 集的"點(diǎn)云"，從而將目標(biāo)物體表面的信息采集下來。但是因?yàn)槠渚葹閹缀撩椎綆桌迕撞?等，對(duì)低于這個(gè)精度的裂縫并不能直接獲得。因此需要將兩次采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行擬合，從 而得到混凝土構(gòu)件變形的相對(duì)曲率，再利用一種反向計(jì)算的理論方法，將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)信 息反向推演得到裂縫位置、間距和寬度信息，或者可能出現(xiàn)裂縫的程度，進(jìn)而繪制開裂情況 程度分布圖，形成一種全新的混凝土表面變形和開裂監(jiān)測(cè)方法和手段。
[0007] 該方法分為以下幾個(gè)步驟：
[0008] 1.初始狀態(tài)數(shù)據(jù)掃描：用三維激光掃描儀對(duì)需要預(yù)測(cè)裂縫的平面的初始狀態(tài)進(jìn) 行掃描，根據(jù)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維模型。如果不是預(yù)測(cè)相對(duì)變形情況下的開裂情況， 則初始狀態(tài)可看做未發(fā)生變形，曲率為零，可省略這一步驟；
[0009] 2.變形狀態(tài)數(shù)據(jù)掃描：在混凝土平面受到一定應(yīng)力作用時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行掃描，得到 混凝土平面的三維變形變化；
[0010] 3.曲率提?。簩⒉襟E1和步驟2的掃描數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，通過點(diǎn)云數(shù)處理軟件進(jìn) 行同坐標(biāo)系融合。這個(gè)時(shí)候，平面發(fā)生彎曲的部分可從三維模型中直觀的呈現(xiàn)出來。然后 對(duì)平面的彎曲區(qū)域進(jìn)行曲面剖切，可得到混凝土表面各點(diǎn)彎曲的曲率。找到曲率最大的方 向和截面，接下來對(duì)該位置是否開裂進(jìn)行分析。
[0011] 4.計(jì)算最大曲率位置的受拉區(qū)平均高度：當(dāng)混凝土平面發(fā)生彎曲時(shí)，凸面會(huì)受到 拉力，凹面會(huì)受到壓力，而兩個(gè)面中間會(huì)有一個(gè)面受到的拉力和壓力平衡，我們稱之為中性 軸。因?yàn)殚_裂會(huì)發(fā)生在受拉表面，而我們要計(jì)算受拉表面是否開裂，除了知道曲率之外，還 需要獲得受拉區(qū)的高度。首先可根據(jù)根據(jù)截面內(nèi)鋼筋配置以及混凝土性質(zhì)等參數(shù)計(jì)算確定 截面的平均受壓區(qū)高度，受拉區(qū)高度則為混凝土厚度和受壓區(qū)平均高度之間的差值。
[0012] 5.計(jì)算最大曲率位置的拉應(yīng)變：根據(jù)步驟3中得到的曲率和步驟4中的受拉區(qū)高 度，二者的乘積可計(jì)算單位長度內(nèi)混凝土表面的平均應(yīng)變?chǔ)?f,m ;
[0013] 6.根據(jù)混凝土的各參數(shù)，查表得到混凝土開裂時(shí)臨界狀態(tài)的臨界應(yīng)變值ε t,k ;
[0014] 7.比較￡^與et,k的大?。孩佼?dāng)e f,m< et,k，說明混凝土表面未開裂；②當(dāng)ef, m>et,k混凝土表面開裂；③當(dāng)ef, m~ et,k，則最大曲率位置為開裂臨界截面。
[0015] 8.繪制等曲率圖：根據(jù)步驟7的比較結(jié)果，按照步驟3中提取曲率方法，繪制開裂 位置的等曲率圖，并在未開裂位置繪制等曲率圖，表明接近開裂的程度。最后，將結(jié)果進(jìn)行 圖形輸出。
[0016] 本發(fā)明專利同現(xiàn)有技術(shù)相比較，其有益效果是：實(shí)現(xiàn)裂縫遠(yuǎn)距離預(yù)測(cè)，對(duì)裂縫發(fā)生 進(jìn)行監(jiān)控；將現(xiàn)有單點(diǎn)測(cè)量手段革命性拓展到對(duì)象表面整體變形測(cè)量，消除因取點(diǎn)誤差造 成的漏測(cè)和少測(cè)所導(dǎo)致的評(píng)估錯(cuò)誤和隱患；高速、高精度的掃描手段，自動(dòng)化的數(shù)據(jù)處理方 法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)果實(shí)時(shí)輸出；全面彩色圖形表示，達(dá)到直觀化，圖形化的輸出效果；實(shí) 現(xiàn)預(yù)測(cè)裂縫出現(xiàn)的可能性和裂縫間距和裂縫寬度，為混凝土建構(gòu)筑物的裂縫出現(xiàn)位置的預(yù) 判提供了一種全新的全面的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)方法；提高作業(yè)安全性和效率，大大降低了成本。
【附圖說明】
[0017] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0018] 圖1為技術(shù)流程圖；
[0019] 圖2為空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖；
[0020] 圖3為多次采集同坐標(biāo)系處理、剖面曲率融合圖；
[0021] 圖4是受到純彎曲板帶單元剖面圖，其中1.受拉區(qū)，2.中性軸，3.受壓區(qū)；
[0022] 圖5為單位長度Im截面受壓圖，其中，a為開裂截面，b為未開裂截面，1.受拉區(qū)， 2.受壓區(qū)，3.鋼筋等效面積。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 本發(fā)明對(duì)混凝土表面開裂預(yù)測(cè)和繪制開裂程度分布圖實(shí)施過程如圖1。具體實(shí)施 方式如下：
[0024] L混凝土表面三維數(shù)據(jù)采集
[0025] ①初始狀態(tài)三維數(shù)據(jù)采集。初始狀態(tài)一般是混凝土平面沒有受到太大外部壓力的 情況，如果測(cè)量時(shí)混凝土表面已經(jīng)產(chǎn)生較大的變形，我們可以將初始狀態(tài)假定為理想狀態(tài)， 即變形曲率為零。對(duì)三維數(shù)據(jù)采集的過程如下：
[0026] 在需要進(jìn)行裂縫監(jiān)測(cè)的混凝土表面貼上四個(gè)定位靶標(biāo)，靶標(biāo)的位置不要在一條直 線上。在混凝土平面正面相對(duì)的位置放置三維激光掃描儀，選擇最佳掃描位置，然后固定。 啟動(dòng)三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，三維激光掃描儀將首先進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描，然后進(jìn)行拍 照回去混凝土平面的色彩信息。三維激光掃描儀停止工作之后便獲得了初始狀態(tài)數(shù)據(jù)，將 數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，得到如圖2所示的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖。
[0027] ②變形狀態(tài)三維數(shù)據(jù)采集。在混凝土平面收到應(yīng)力作用變形之后，進(jìn)行變形狀態(tài) 的數(shù)據(jù)采集。其具體過程和步驟同①一樣。
[0028] 2.三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理
[0029] 將三維激光掃描儀在步驟1中采集的初始狀態(tài)和變形狀態(tài)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入 計(jì)算機(jī)。通過點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行同坐標(biāo)系融合，如此便得到了混凝土平面相對(duì)的變形的三 維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型。
[0030] 3.曲率的提取和計(jì)算
[0031] 接下來，根據(jù)混凝土表面的三維模型進(jìn)行曲面剖分，我們從剖分圖中可獲取混凝 土表面跟點(diǎn)的彎曲曲率。在平面中，找到曲率最大的方向和截面，對(duì)剖面上點(diǎn)云進(jìn)行曲線擬 合，并計(jì)算曲線的曲率最大值，如圖3所示。同樣的方法獲得其他剖面曲率并儲(chǔ)存。
[0032] 4.受拉區(qū)平均高度的計(jì)算
[0033] 如圖4和圖5所示，單位長度的受壓區(qū)高度可由下面公式得到：
[0034] h; = h-hc (1)
[0035] 首先確定單位長度截面的平均受壓區(qū)高度h。。受壓區(qū)截面平均高度h。由以下公 式計(jì)算：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種全新的基于三維激光掃描技術(shù)和三維點(diǎn)云建模技術(shù)，對(duì)鋼筋混凝土平面進(jìn)行開 裂預(yù)測(cè)評(píng)估和圖形化輸出的方法，其技術(shù)方法為：通過三維激光掃描和建模技術(shù)，獲得平面 三維數(shù)據(jù)模型；通過對(duì)兩次(多次)掃描數(shù)據(jù)的融合，得到混凝土平面的變形情況；根據(jù)混凝 土平面的變形模型進(jìn)行二維剖分，提取平面各點(diǎn)的彎曲曲率；計(jì)算具有最大彎曲曲率位置 的表拉應(yīng)變，并該混凝土規(guī)范中的最大應(yīng)變進(jìn)行對(duì)照，預(yù)測(cè)其是否開裂；最后通過繪制混凝 土受彎構(gòu)件表面開裂程度分布圖，實(shí)現(xiàn)直觀圖形輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利1所述的方法，其特征是：通過對(duì)融合的混凝土表面三維模型進(jìn)行曲面剖 切得到曲率，并從中找到曲率最大方向和截面，對(duì)剖面上點(diǎn)云進(jìn)行曲線擬合，并計(jì)算曲線的 曲率最大值。
3. 根據(jù)權(quán)利1所述方法，其特征是：通過變形曲率和受壓區(qū)平均高度的計(jì)算，分析和預(yù) 測(cè)混凝土表面是否開裂，其過程和方法為： 首先計(jì)算該位置混凝土表面的應(yīng)變?chǔ)?f,m，單位長度內(nèi)混凝土表面由于彎曲所產(chǎn)生拉應(yīng) 變ef,m可以由下式計(jì)算： ef,m = h/ k (1) 其中k為根據(jù)三維掃描點(diǎn)云剖切面測(cè)量的曲率，h'為截面受拉區(qū)高度： h' = h_hc (2) h為受彎區(qū)混凝土的厚度，h。是受壓區(qū)截面平均高度。因此，從公式（I)和（2)可計(jì)算 出混凝土表面拉應(yīng)變?chǔ)?f, π。 接下來，從混凝土規(guī)范中查找改混凝土極限拉應(yīng)變?chǔ)?t, k，從而對(duì)比ε f, m和ε t, k的大 ?。骸辏??,111<81,15，表明未開裂 ；81?,111：=?81,15，為開裂臨界狀態(tài) ；81?,111>8 115，則說明已開裂。
4. 根據(jù)權(quán)利1所述方法，其特征是：輸出開裂程度梯度圖的方法為，對(duì)未開裂的構(gòu)件， 可直接輸出最大曲率位置，作為危險(xiǎn)位置信息供參考，并且通過繪制等曲率圖，直觀的反應(yīng) 混凝土表面開裂的位置以及預(yù)測(cè)未開裂位置臨近開裂的程度。
【專利摘要】一種通過三維激光掃描和建模技術(shù)獲得的三維變形數(shù)據(jù)模型，預(yù)測(cè)評(píng)估混凝土表面裂縫出現(xiàn)的位置和可能的全新方法。它主要通過三維激光掃描儀對(duì)所要監(jiān)測(cè)的混凝土平面進(jìn)行掃描，得到三維數(shù)據(jù)模型，并通過對(duì)多次變形數(shù)據(jù)采集融合，進(jìn)行曲率的提取和計(jì)算，完成開裂截面判斷及臨界截面分析，最終繪制出混凝土受彎構(gòu)件表面開裂程度分布圖，實(shí)現(xiàn)平面裂縫開裂預(yù)測(cè)評(píng)估和圖形化輸出。相比現(xiàn)有技術(shù)只能采用近距離、人工手段、后知后覺的進(jìn)行裂縫檢測(cè)，本發(fā)明專利實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程非接觸、自動(dòng)化和超前預(yù)測(cè)，從而有效防止混凝土構(gòu)件變形之后出現(xiàn)裂縫引起的結(jié)構(gòu)安全隱患。
【IPC分類】G01N21-88, G01B11-16
【公開號(hào)】CN104634785
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310552473
【發(fā)明人】韓達(dá)光, 張興斌, 林松濤, 李學(xué)飛, 梁寧博, 楊永光, 馬曉鑫, 馬鵬飛
【申請(qǐng)人】中冶建筑研究總院有限公司
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2013年11月8日