激光雷达检测温度对大型钢结构变形影响分析

韩达光，梁宁博，李学飞，马晓鑫，马鹏飞，杨永光

(中冶建筑研究总院有限公司，北京100088)

激光雷达检测温度对大型钢结构变形影响分析

韩达光，梁宁博，李学飞，马晓鑫，马鹏飞，杨永光

(中冶建筑研究总院有限公司，北京100088)

通过三维激光扫描仪对不同温度的钢柱进行多次扫描，通过拟合圆柱获取钢柱顶部同一高度的截面圆的圆心作为位移的参考量，对钢柱因表面温度变化引起的变形进行了分析。实验结果表明随着表面温度的变化，钢柱会有一定的偏移。实验证明该方法快速、高效、精度高、对于分析钢结构的变形是可行的。

三维激光； 钢结构； 温度

随着钢结构的发展，大型钢结构建筑也随处可见，其体量、跨度、高度也都在增加，安装精度要求也非常高。在建造和使用阶段造成变化变形的因素有多种，其中温度引起的变化也不容忽视。迄今为止，在钢结构的安装过程中，温度对安装精度的影响也都为各个国家所重视，并且有相当一部分国家将其列入到各种规范中[1]。

我国在钢结构安装过程中，因为钢结构表面温度变化引起的钢件变形而导致钢件无法顺利安装的问题，在钢结构设计、施工规范中都没有明确的规定。因此，对于温度变化引起的钢结构安装不上的问题需要引起重视。为了进一步分析表面温度对不同半径，不同长度的柱状结构的影响。本文利用三维激光扫描仪获取柱状钢结构表面点云模型，通过不同时段和不同温度下数据的对比，对温度影响下的柱状钢结构变形进行了初步分析。

1 实验原理

利用三维扫描技术和表面温度计测定钢柱随着表面温度的变化在其竖直方向位移变化情况，位移变化用钢柱顶端圆心坐标位移来衡量。

2 实验装置

2.1 三维激光扫描仪

Z+F IMAGER 5010是一款相位式扫描仪，可对物体进行高速扫描，并且能够在所感兴趣的区域内根据需求进行扫描。该扫描仪精度高，扫描距离能够达到187 m，能够满足实验精度要求，为精确的实验结果打下基础。如表1是Z+F IMAGER 5010扫描仪的性能参数表。

此次实验中采用Z+F IMAGER 5010扫描仪，主要部件包括：Z+F IMAGER 5010主机一台、脚架一个、标靶若干。如图1是 Z+F IMAGER 5010扫描仪。

2.2 温度获取装置

本实验标本表面温度是用利用表面温度计TES-1310测得，其温度测量范围是-50～200℃，解析度为0.1℃，精确度为±(0.3%+1℃)。为了保证温度测量的准确性，在测时先取温度较高的物体表面温度，确保温度仪能够正常工作。

表1 Z+F IMAGER 5010性能指标

图1 Z+F IMAGER 5010扫描仪图

图2 TES-1310表面测温计

表面温度计主要包括：测温计主机、测温棒。如图2是TES-1310测温仪。

3 实验过程

3.1 实验基本情况介绍

为了保证实验质量，同时考虑到日照的情况，分析到柱状钢结构表面温度的变化情况，使得数据有一定的可信度，在工程的东侧、北侧、西侧共选取8根长度不同，半径各异的柱状钢结构作为实验标本，其中1～3为一组，分布在工程的东侧；4～5为一组分布在项目北侧；6～8分布在西侧。钢柱分布，及站点分布图如图3所示，图中青色圈代表扫描仪架设站点，黑色圈代表钢柱。钢柱在整个钢结构中的相对关系也如图中所示。表2是各钢柱的基本信息。

图3 实验标本分布图

mm

实验前确定架站位置并做好标记，基本上能够确保每次将仪器架设在一致的位置上，避免因为扫描角度而产生误差。

实验时间共计2天，每天扫描3次，分别安排在上午7点、下午3点和晚上6点。每次均进行单站扫描，考虑到要对不同次间扫描数据进行对比，因此需要将数据统一坐标系，所以在实验开始前设置拼接标靶，方便数据间的拼接。为了保证精度，标靶不能移动，且放置位置必须能够看作是没有变形的。

综合考虑到这些因素，我们最终选择平面打印标靶，每一区域均设置有4个，分别设置在不同高度和不同平面上。

3.2 数据获取

3.2.1 点云数据获取

为了避免拼接误差，以及角度等造成的误差，在数据采集时，确定站点位置基本保持一致，扫描过程中扫描模式设置为super high。

在扫描计划时间内，依次对每个区域进行扫描。如图4分别是三个区域的原始扫描数据，图中数字表示了每个实验样本的位置和命名。

图4 点云原始数据

3.2.2 温度获取

温度测量和扫描同时进行，利用表面温度计TES-1310，在扫描的进行温度测量，注意在测温时避免测温人员对实验钢柱的遮挡，出现扫描数据不全的情况。为了保证温度测量的准确性，在测时先取温度较高的物体表面温度，确保温度仪能够正常工作。测温时需测量正对着扫描仪一侧的钢柱的温度。表3是第一天测量获取的温度数据。

表3 温度统计 ℃

3.2.3 数据预处理

在本次扫描中，实验的三个区域是相互独立的，每个区域都是通过一站扫描的，没有多站扫描，因此不需要拼接，只需要利用实验前设置的拼接标靶，将不同次扫描数据拼接在一起，统一坐标系。在实验中拼接精度都保持在1 mm左右。

通过激光雷达得到的数据是一系列规则排序的三维坐标，在实验中我们需要通过某一点的具体变化情况来评价因温度变化而对钢柱产生的影响。因此实验中，笔者充分考虑实验样本的形状，通过点云拟合圆柱，将圆上表面圆心坐标变化作为特征点，以此来分析柱状钢结构因温度变化而引起的变形。图5是6、7、8三根拟合的效果图，其中拟合最大标准偏差保持在1 mm左右。

4 测量结果

在数据处理过程中，为了避免钢柱顶端扫描结果的误差影响，将近顶部同一高度的剖面圆的圆心坐标近似看作钢柱拟合圆柱上顶面圆心。

图5 圆柱各时段拟合效果

通过数据处理能够得到每一根钢柱顶端面中心坐标，并以第一次测得的结果为初始位置，计算中午和晚上测量结果与初始位置在三个轴上的差值，分别用ΔX、ΔY、ΔZ表示，并计算位移差值，用ΔS表示。如表4所示，为第一天测量数据提取的钢结构偏移变化值。

表4 中心坐标偏移表部分 m

计算早上和中午，早上和晚上测得圆心间的距离，如表4中ΔS列所示，前一个距离表示早上到中午的变化量，后一个表示早上到晚上的变化量。将其以折现图的形式表示(图6)，其中横轴代表温度变化量，轴代表距离，单位为mm。

图6 位移变化折线(单位：mm)

在图6中，标有编号的线段间的折线代表该编号的钢柱位移变化。从图中可以看出，1号钢柱随着温度降低距离减小；2号钢柱随着温度的变化位移增大；3号钢柱与2号柱子

趋势相同；4号与1号柱子相同，5号柱子则又随着温度升高而距离减小；6号柱子随着温度升高距离增加；7号温度差减少0.3℃，距离确有明显的变化；8号柱子随着温度的降低略微增大。

从分析中可以看出，随着温度的升高有些位移增大，有些位移减小；同样随着温度降低有些距离增加有些距离减小。在实验中，对第二天测量的结果进行分析，表现出同样的分析结果。从整个结果可以看出，钢柱的变形没有呈现一定的规律。

结果原因分析：在实验中，钢结构安装基本完成，各个钢柱已经与其它钢件连接在一起形成一个整体。因此我们在测量过程中测量的是各个方向上力作用的结果，并非单一温度作用下钢柱的变形情况。因此研究安装阶段表面温度对钢柱的变形影响，需要对单独的，不与任何其它构件相连接进行实验分析。

另一方面表面温度计的精度较差，对于温差变化较小时，很可能因为温度测量不准确而导致温度差的错误，从而影响到其变形趋势，因此表面温度计对于测量结果也有一定的影响。

5 结束语

通过工程实例，将温度对柱状钢结构的变形影响进行分析，分析结果有一定的作用，但对于变形规律还需要进一步的实验。

该实验的目的是确定随温度变化对钢件安装的影响。但是在实验时，基本上绝大部分钢件已经安装完成，因此该实验虽然能够说明随温度的变化有一定的影响，但是却不能定量的进行分析，确定变形校正量，因此对于确定钢柱的变形规律还需要通过进一步的实验进行分析。

对下一步实验提出进一步的要求：

(1)对于样本的选择，要求不同的区域包含各型号的钢柱，确定长度，半径、壁厚等对柱子的影响。

(2)对于表面温度计的选择，要求其精度要尽可能的高。

(3)针对实验目的，在相应的工程阶段进行实验，避免其它干扰因素的影响。

[1] 沈祖炎,秦效启，沈德洪，等.高层钢结构施工中的温度变形分析[J].结构工程师,1990，(1).17-21

[2] 吴辉宇,向青山.钢结构温度效应分析及焊接变形与应力分析[J].中外建筑,2009，(4)：176-178

[3] 林错错,王元清，石永久，等.温度作用对钢结构设计与施工的影响分析[J].工业建筑，2010，(增刊)： 948-956

[4] 虞崇钢.复杂造型外露钢结构温度效应理论分析[D].兰州理工大学， 2008

TU196+.1

B

[定稿日期]2015-03-20