一种基于三维激光扫描的钢桁架拱桥施工线形监测方法

技术领域

本发明涉及桥梁施工监测技术领域，具体地，涉及一种基于三维激光扫描的钢桁架拱桥结构施工线形监测方法。

背景技术

随着近年交通流量不断增加，桥梁工程在世界范围内广泛建设，桥梁施工技术得到快速提升。桥梁施工监测技术是桥梁施工技术重要组成部分之一，能够保障桥梁结构在施工过程中满足计算受力状态和合理施工线形。桥梁施工线形常因在施工荷载、温度荷载、风荷载等复杂条件影响而复杂多变，实际工程中桥梁施工线形监测非常重要。因此实际工程中需对不同施工工况下的桥梁结构开展线形监测。

桥梁施工线形监测方法中，目前使用最为广泛也最简单直接的是全站仪法，但这种方法存在一定局限性，比如单次测量桥梁结构某处坐标，无法进行多结构协同监测，且外业测量时间长，难以消除风效应与温度效应对结构变位的影响。此外还有一些激光测距仪、GNSS定位系统等桥梁施工线形监测设备，可准确监测桥梁某部分结构线形，但仍存在监测方式、控制网络复杂，无法实现多结构同步监测等问题。

经检索，公告号为CN107289903A的中国发明专利提出了一种直线桥梁悬臂法施工线形连续测量监测系统及监测方法，利用多个激光测距仪协同工作，实现桥梁悬臂端施工线形监测，但只实现桥梁施工中桥梁悬臂端结构线形监测。

公告号CN109781057A的中国发明专利提出了一种铁路连续梁桥施工线形监控系统及测量方法，利用北斗定位系统、倾斜监测系统、手持移动终端协同测量铁路连续梁桥施工端面的空间坐标，并统一发送至数据管理子系统，但只实现梁桥端面线形监测，且涉及监测方式稍复杂。

因此需要提出一种基于三维激光扫描的钢桁架拱桥施工线形监测方法，通过对钢桁架拱桥合理开展三维激光扫描，合成不同施工工况下监测目标的点云图，实现钢桁架拱桥施工线形快速同步监测，保证钢桁架拱桥结构按正确线形进行施工。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明目的是提供一种基于三维激光扫描的钢桁架拱桥施工线形监测方法，可线形快速、同步且准确监测钢桁架拱桥施工线形。

为实现以上目的，本发明采用了以下技术方案：

根据本发明提供的一种基于三维激光扫描的钢桁架拱桥施工线形监测方法，包括依次进行的以下步骤：

进行的以下步骤：

步骤1、以位于桥墩或承台处的施工控制点为基准，放置三维激光扫描仪于桥侧，通过两个控制点进行后视交会，推算三维激光扫描仪的三维坐标。

步骤2、运用桥侧处三维激光扫描仪测量桥面上临时控制点的三维坐标。

步骤3、以临时控制点为后视点，后方交会得位于临时控制点周围的三维激光扫描仪放置点坐标，在钢桁架拱桥面上开展钢桁架拱桥结构的快速扫描。

步骤4、运用位于桥面上的三维激光扫描仪测量新临时控制点的三维坐标，使新临时控制点与原临时控制点沿桥面纵向排布。

步骤5、以新临时控制点为后视点，后方交会得位于新临时控制点周围的三维激光扫描仪放置点坐标，继续在钢桁架拱桥面上开展钢桁架拱桥结构的快速扫描。

步骤6、将三维激光扫描仪的多站扫描结果导入点云处理软件中，不同站点云图的重合部分两两对准，把多站扫描结果合成钢桁架拱桥点云图。

步骤7、从钢桁架拱桥点云图中提取关键坐标信息，对比结构设计坐标值，及时发现施工中结构线形变化，实现钢桁架拱桥线形快速实时监测。

优选地，所述基于三维激光扫描的钢桁架拱桥施工线形监测方法的所有步骤中，所述施工控制点设于沉降可忽略的钢桁架拱桥桥墩处。

优选地，所述基于三维激光扫描的钢桁架拱桥施工线形监测方法的所有步骤中，所述钢桁架拱桥施工过程中钢桁拱、钢桁梁和桥面板采用悬臂施工法同步施工。

优选地，所述基于三维激光扫描的钢桁架拱桥施工线形监测方法的所有步骤中，所述三维激光扫描监测精度可达到毫米级，且扫描方式基本不影响监测精度。

优选地，所述三维激光扫描监测方法可在钢桁架拱桥施工过程中实现快速、同步且准确多处部位线形监测。

优选地，所述三维激光扫描监测方法可以利用多站扫描结果合成精确的所述钢桁架拱桥点云图。

优选地，所述步骤7具体包括如下步骤：

步骤7.1、运用点云处理软件从点云图中提取关键部位的点坐标信息。

步骤7.2、在结构设计图中提取相同部位的点坐标，对比两个坐标X、Y、Z值的差值，作为判别钢桁架拱桥结构施工线形是否满足设计要求。

进一步地，所述钢桁架拱桥在不同施工工况下，可以依次按照所述三维激光扫描监测方法的步骤1～7，监测多个工况钢桁架桥施工线形变化。

综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明在钢桁架拱桥施工线形监测中是一种全新的方法，利用三维激光扫描仪将施工控制点在施工坐标系中合理转化，并基于控制点合理布设扫描仪位置，通过多点位快速扫描以合成钢桁架拱桥点云图，进而实现不同施工工况下钢桁架拱桥线形快速、同步且准确监测。

本发明能够快速、同步且准确地监测钢桁架拱桥施工线形，及时发现施工荷载、温度荷载、风荷载等复杂条件对钢桁架拱桥主要结构的影响，保证钢桁架拱桥结构按合理施工线形进行施工。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成本发明实施例的限定。在附图中：

图1为实施例中钢桁架拱桥施工线形监测的三维激光扫描仪布置示意图；

图2为实施例中在桥侧处的三维激光扫描仪转化控制点的示意图；

图3为实施例中在桥面上的三维激光扫描仪转化控制点的示意图；

图中：1—桥侧处三维激光扫描仪，2—桥面上三维激光扫描仪，3—施工控制点，4—临时控制点；5—新临时控制点，6—桥面板，7—钢桁梁，8—钢桁拱，9—吊索塔架。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1、图2、图3所示，一种基于三维激光扫描的钢桁架拱桥施工线形监测方法，包括依次进行的以下步骤：步骤1、施工控制点3布置桥侧处三维激光扫描仪1；步骤2、实现桥面上临时控制点4确定；步骤3、利用临时控制点4布置桥面上三维激光扫描仪2；步骤4、运用后方交会使临时控制点4沿桥面板6纵向延伸到新临时控制点5；步骤5、利用桥面上三维激光扫描仪2在桥面上多站快速扫描；步骤6、扫描结果在点云处理软件中合成结构点云图；步骤7、从点云图中提取关键坐标信息以实现线形实时监测。

本实施例的步骤1具体包括以下步骤：以位于桥墩或承台处的施工控制点3为基准，放置桥侧处三维激光扫描仪1，通过施工控制点3进行后视交会，推算桥侧处三维激光扫描仪的三维坐标。

本实施例的步骤2具体包括以下步骤：运用桥侧处三维激光扫描仪1坐标，确定并测量钢桁梁7所承载的桥面板6上临时控制点4的三维坐标。

本实施例的步骤3具体包括以下步骤：以临时控制点4为后视点，后方交会得位于临时控制点4周围的三维激光扫描仪放置点坐标，并在桥面板6上快速扫描待监测的钢桁架拱桥结构。

本实施例的步骤4具体包括以下步骤：运用桥面上三维激光扫描装置2，测量新临时控制点5的三维坐标，使新临时控制点5与原临时控制点4沿桥面板6纵向排布。

本实施例的步骤5具体包括以下步骤：以新临时控制点5为后视点，后方交会位于新临时控制点5周围的三维激光扫描仪2放置点坐标，续在钢桁架拱桥面上开展钢桁架拱桥结构的快速扫描。

本实施例的步骤6具体包括以下步骤：将桥侧处三维激光扫描仪1和桥面上三维激光扫描仪2的多站扫描结果导入点云处理软件中，不同站点云图的重合部分两两对准后，合成钢桁架拱桥点云图。

本实施例的步骤7具体包括以下步骤：利用点云处理软件从点云图中提取关键部位的点坐标信息。在结构设计图中提取相同部位的点坐标，对比两个坐标X、Y、Z值的差值，作为判别钢桁架钢桥结构施工线形是否满足设计要求。

如图1、2，本实施例中钢桁架拱桥的施工控制点3设于沉降可忽略的桥墩处，因此需采用桥侧处三维激光扫描仪1将施工控制点3推导至桥面板6上的临时控制点4。

本实施例中钢桁架拱桥施工过程中桥面板6、钢桁梁7和钢桁拱8采用悬臂施工法同步施工。因此使用桥面上三维激光扫描装置2进行目标结构监测比桥侧处三维激光扫描装置1更有优势，其扫描精度因扫描距离缩短而大大提高，对3D激光扫描仪性能要求也相对降低，从而扩大了实际应用性。同时钢桁架拱桥点云图在关键部位处容纳密集点云数据，而在非关键部位点云数据相对稀疏，这样不仅提高了结构线形监测精度高，还便于计算机对点云模型的处理与分析。

本实施例中所述三维激光扫描仪监测钢桁架拱桥结构施工过程时，桥面上三维激光扫描仪2放置于桥面上，与扫描对象距离可自由调整，其监测精度可达到毫米级，且扫描方式基本不影响监测精度；利用临时控制点4和新临时控制点5在桥侧和桥面确定多个扫描仪放置点，通过多站测量、多站扫描结果合成及关键部位的点坐标提取，可实现钢桁架拱桥的多处部位线形实时监测，其中主要包括桥面板6、钢桁拱8和吊索塔架9。

本实施例中，钢桁架拱桥在不同施工工况下，依次按照步骤1～7，合成多个钢桁架拱桥点云图，可实现多个工况下钢桁架拱桥施工线形变化监测。

本实施例用于钢桁架拱桥施工线形监测，对于不同施工工况下钢桁架拱桥，能快速、同步并准确地监测钢桁架拱桥结构线形，及时发现施工荷载、温度荷载、风荷载等复杂条件对钢桁架拱桥结构的影响，保证钢桁架拱桥按合理施工线形进行施工。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。本领域技术人员阅读了上述内容后，在权利要求的范围内做出各种变形或修改，并不影响本发明的实质。