CN107655971B - 一种混凝土结构表面及内部损伤精细建模方法 - Google Patents

一种混凝土结构表面及内部损伤精细建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种混凝土结构表面及内部损伤精细建模方法，主要步骤包括：三维激光扫描破坏后的混凝土结构表面，获取三维点云数据，建立三维模型及其坐标系；逐面无损扫描检测混凝土结构内部，获得相对于扫描面不同深度的内部结构的C‑SCAN横截面图；将上述C‑SCAN横截面图与三维模型中实际对应的曲面，根据标定的坐标与三维模型进行配准，三维重构混凝土结构；按照上述步骤扫描破坏前的混凝土结构表面，建立破坏前的混凝土结构三维模型；对比分析破坏前后的混凝土结构三维模型，精准定位和测量混凝土结构表面及内部损伤、空隙、裂纹、变形。本发明检测结果形成相对于扫描面不同深度的内部结构的C‑SCAN横截面图，内部损伤情况显示的更加直观。

Description

一种混凝土结构表面及内部损伤精细建模方法
技术领域
本发明属于混凝土建筑物安全监测分析领域,涉及一种混凝土结构表面及内部损伤精细建模方法，具体涉及一种基于三维激光扫描仪和超声检测仪分别进行混凝土结构表面及内部损伤检测，通过多源数据融合对混凝土破坏前后的表面及内部损伤进行精细建模的方法。
背景技术
无论公路，桥梁，水利港口，其他工业或民用建筑物，若有地震或其他外力作用下，混凝土结构安全必然受到影响，了解结构表面及内部损伤情况是采取下一步补救措施的重要指导。传统方法对混凝土损伤的检测只能对表面裂缝等或者内部裂缝、孔洞等进行相应地无损检测，无法综合地对表面及内部损伤同时进行无损检测并构建表面及内部损伤兼并的精细化模型。
目前针对混凝土结构损伤检测主要有：朱自强等(2012)公开了一种检测混凝土内部缺陷的有限元超声成像方法。朱佩文等(2013)公开了一种混凝土裂纹超声检测装置，有效提高了检测的精确度。周红波等(2017)公开了基于三维激光扫描实测实量在建筑工程中的应用的发明，基于BIM的实测实量技术,将传统实测实量仪器替换成三维扫描仪，提高了检测和定位的精准度。韩达光等(2015)公开了一种全新的混凝土平面裂缝预测评估和图形化输出方法，通过三维激光扫描和建模技术获得的三维变形数据模型,预测评估混凝土表面裂缝出现的位置和可能的全新方法。左自波等(2017)公开了基于3D激光扫描的建筑预制构件质量检测系统及方法。胡少伟等(2015)公开了一种码头混凝土结构内部隐患的综合物探联合诊断方法，分别采用冲击回波仪器、探地雷达、超声CT成像法来探测高桩码头混凝土结构质量隐蔽问题。王强等(2012)公开一种基于声发射传感器阵列的混凝土内部缺陷检测方法。石志强等(2015)公开了一种借助超声检测，基于三视图原理的混凝土内部缺陷检测方法,可以判断缺陷的大小、三维形状和所在的具体空间位置。
目前通过对混凝土的无损检测感知表面及内部损伤后，尚无一种有效的精细化建模方法来直观展示该混凝土结构的表面及内部损伤。综上，对受到破坏前后的混凝土结构进行精细化建模以充分了解混凝土结构损伤的破坏程度。其中，三维激光扫描仪通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维点云数据，可快速精确地建立物体表面的三维模型。超声检测仪利用超声波在两种不同材料的界面处发生反射的原理，可对混凝土结构物内部损伤进行无损检测。通过多源数据融合，将两者的检测结果结合进行表面及内部损伤的精细化建模，可对混凝土结构在受到外力作用下，从里到外产生的损伤进行全面感知。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，提出一种混凝土结构表面及内部损伤精细建模方法，借助三维激光扫描技术和超声检测技术，方便快捷地对混凝土结构表面及内部损伤进行精细化建模和无损感知。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种混凝土结构表面及内部损伤精细建模方法，包括如下步骤：
(1)、三维激光扫描破坏后的混凝土结构表面，获取三维点云数据，建立三维模型及其坐标系；
(2)、逐面无损扫描检测混凝土结构内部，标定每次扫描的起始点坐标、扫描方向和终点坐标，确定起始点和终点坐标，获得相对于扫描面不同深度的内部结构的C-SCAN横截面图；
(3)、将上述步骤(2)中C-SCAN横截面图与所述步骤(1)中三维模型中实际对应的曲面，根据标定的坐标与三维模型进行配准，三维重构混凝土结构；
(4)、按照上述步骤(1)至(3)扫描破坏前的混凝土结构表面，建立破坏前的混凝土结构三维模型；
(5)、对比分析破坏前后的混凝土结构三维模型，精准定位和测量混凝土结构表面及内部损伤、空隙、裂纹、变形。
所述步骤(1)具体包括：
(1)、利用三维激光扫描对混凝土结构表面进行三维扫描实景复制，快速获取被测对象表面的三维点云数据，建立结构体表面的三维模型，实现外力破坏前的实景复制三维还原；
(2)、利用计算机图形学方法将扫描到的混凝土结构的三维点云数据进行三维点云空间配准、三维建模，实现混凝土结构形态的精确可视化。
所述步骤(2)具体包括：
(1)、利用超声检测仪检测混凝土结构内部，采用多道阵列天线，无需耦合剂；
(2)、紧贴着待测结构混凝土不同表面对其内部进行剪切波扫描检测，直至扫描完整个待测物体结构；
(3)、扫描前需对扫描起始点和扫描路径做标定，确定一次扫描结果的起始点和终点坐标。
所述步骤(3)具体包括：
(1)、利用图像空间定位原理，将三维激光扫描仪建立的模型按照超声检测时扫描紧贴混凝土结构的不同的表面进行分割；
(2)、分别将对应每一个表面下超声检测得到的不同深度的C-SCAN横截面图与三维激光扫描的模型中实际对应的曲面根据标定的坐标进行配准，并进行三维重构，实现该混凝土结构完整全面可透视的三维模型。
所述步骤(1)中的三维激光扫描破坏后的混凝土结构表面，存在由内部延伸至表面的损伤，具体为：
(1)、根据损伤的连贯性和一致性按照不同内部损伤对表面损伤进行分组，对内部损伤构建三维模型；
(2)、对全部损伤进行表面和内部模型的合并，将表面及内部的三维数据融合实现外力破坏后的混凝土结构整体损伤全面可透视的精细三维模型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明检测结果形成相对于扫描面不同深度的内部结构的C-SCAN横截面图，内部损伤情况显示的更加直观。
本发明能够方便快捷地融合三维激光扫描的模型数据和超声检测的模型数据，实现在外力作用破坏前后对混凝土结构的表面及内部损伤可视化精细建模，对比外力作用前后结构表面的三维变形量及裂纹形态，尺度细，精确度高，对混凝土结构内部和表面破坏的了解和分析更加形象、直观、简单。借助三维激光扫描和超声检测技术感知破坏损伤信息的多样性和高分辨率性，融合后模型结果准确，可靠。
本发明快捷地对混凝土结构表面及内部损伤进行精细化建模和无损感知。模型结果真实可靠，精确度较高，同时为实际工程中提供有效的补救方案作参考。
附图说明
图1是本发明方法流程图。
图2是三维激光扫描下混凝土结构表面某裂纹建模示意图(以长方体混凝土梁为例)。
图3是超声检测的混凝土结构某内部截面的裂纹建模示意图(以长方体混凝土梁为例)。
图4是超声检测时第一次扫描起始点和扫描方向轨迹标定的示意图(以长方体混凝土梁为例)。
图5是变形混凝土梁的横剖面示意图。
图6是变形混凝土梁的一次超声检测结果和三维激光扫描表面模型的坐标配准，数据融合示意图：
(a)、变形混凝土梁的一次超声检测结果；
(b)、对图6(a)的一次超声检测结果和三维激光扫描表面模型进行坐标配准后的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步的描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明以长方体混凝土梁变形破坏为例，结合附图，对本发明作进一步的说明。
参见图1本发明的方法流程图，以破坏后的混凝土结构为例，首先，利用三维激光扫描仪扫描混凝土结构表面，进行三维扫描实景复制，快速获取被测对象表面的三维点云数据，精确地建立结构体表面的三维模型及其坐标系，实现外力破坏前的实景复制三维还原，利用计算机图形学方法将扫描到的混凝土结构的三维点云数据进行三维点云空间配准、三维建模，实现混凝土结构形态的精确可视化(参见图2)，所述三维激光扫描仪的测量精度优于2mm，扫描速度达到每秒百万点的扫描速度；其次，利用超声检测仪检测混凝土结构内部，采用多道阵列天线，无需耦合剂，紧贴着待测结构混凝土不同表面对其内部进行合适频率(频率范围：10到100KHZ)的剪切波扫描检测，直至扫描完整个待测物体结构，扫描前需对扫描起始点和扫描路径做标定，确定一次扫描结果的起始点和终点坐标，获得该混凝土梁XY、YZ、XZ平面下不同深度处的C-SCAN横截面图(参见图3、4)；再次，利用图像空间定位原理，将三维激光扫描仪建立的模型按照超声检测时扫描紧贴混凝土结构的不同的表面进行分割，分别将对应每一个表面下超声检测得到的不同深度的C-SCAN横截面图与三维激光扫描的模型中实际对应的曲面根据标定的坐标进行配准，并进行三维重构，实现该混凝土结构完整全面可透视的三维模型(参见图5)，存在由内部延伸至表面的损伤时，则根据损伤的连贯性和一致性按照不同内部损伤对表面损伤进行分组，进而对内部损伤构建三维模型，将表面及内部损伤数据融合，三维重构建立该混凝土梁损伤的表面与内部结合的完整的三维模型。
按照上述相同的步骤，建立破坏前的混凝土结构的三维模型。
对比分析外力破坏前后混凝土结构三维模型的梁模型表面和内部变化的差异，精准定位和测量混凝土结构表面及内部损伤、空隙、裂纹、变形。
图2是通过三维激光扫描建立该混凝土梁的表面模型，对该混凝土梁上存在的缺陷损伤进行精确的可视化，图2仅以混凝土梁上的一条裂纹为例，做出了效果示意图。
图3是当混凝土内部存在缺陷损伤时，通过超声检测可以感知混凝土梁内部存在的裂纹，沿混凝土梁XY、YZ、XZ表面对其表面下不同深度的内部进行感知检测，以获取C-SCAN平面图，对内部缺陷损伤进行全方位感知定位。
图4是利用超声检测混凝土结构内部时需对本次扫描的起始点坐标，起始边位置，终边位置以及扫描方向作标定，其中，在超声第一次扫描时需确定该场景坐标系，以便接下来每次扫描进行定标。
图5是变形混凝土梁的横剖面示意图。以受弯变形的混凝土梁为例，利用超声检测仪扫描该梁h深度处的某一曲面，感知其内部损伤信息。
图6是在图5中的混凝土梁中，将超声检测得到的C-SCAN横截面图配准转换并导入三维激光扫描的表面模型下相应深度处的数据融合示意图。因为每次超声扫描检测到的相对于表面h深度处的C-SCAN截面图为平面，而该截面在混凝土梁中实际为曲面，故需要对超声检测的数据进行转换同时要与三维激光扫描的表面模型进行融合。首先根据三维激光扫描得到该混凝土梁表面的模型，通过相似比例换算得到超声检测时的表面下相应深度的C-SCAN所对应的实际曲面，再通过将C-SCAN平面与实际曲面进行坐标匹配，标定的边与轨迹相匹配转换并导入三维激光扫描建立的模型中。重复对超声检测得到垂直于X，Y，Z三个方向上的不同深度的C-SCAN横截面图进行坐标配准操作，转换并导入至三维激光扫描模型中。最后对所有导入三维激光扫描所建立的模型中的来自超声检测混凝土梁内部信息的图像数据进行三维重构，建立混凝土梁内部损伤模型。至此，完整全面的该变形混凝土梁的表面及内部损伤模型建立完。
应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
[1]韩达光，张兴斌，林松涛，李学飞，梁宁博，杨永光，马晓鑫，马鹏飞.一种全新的混凝土平面裂缝预测评估和图形化输出方法[P].北京:CN104634785A，2015-05-20.
[2]胡少伟，陆俊，范向前，鲁文妍.一种码头混凝土结构内部隐患的综合物探联合诊断方法[P].江苏:CN104360046A，2015-02-18.
[3]石志强，高丽丽，赵文德，张玲，闫春岭，史永涛，张仲军，李源，尹涛，王立波，赵赟，赵韩菲.基于三视图原理的混凝土内部缺陷检测方法[P].河南:CN104777227A，2015-07-15.
[4]王强，刘鑫磊，袁昌明.基于声发射传感器阵列的混凝土内部缺陷检测方法[P].浙江:CN102680579A，2012-09-19.
[5]周红波，周海浪，孙静，赵地，吴天华，王立轻.基于三维激光扫描实测实量在建筑工程中的应用[P].上海:CN106524920A，2017-03-22.
[6]朱佩文，韩庆邦，童紫薇，李倩，谢友朋，罗强龙，朱昌平，殷澄.一种混凝土裂纹超声检测装置[P].江苏:CN203299177U，2013-11-20.
[7]朱自强，章照宏，喻波，蒋奇云，鲁光银，肖嘉莹，姚志立，曾智力.一种检测混凝土内部缺陷的有限元超声成像方法[P].湖南:CN102636568A，2012-08-15.
[8]左自波，黄玉林，周虹，杨佳林，武大伟.基于3D激光扫描的建筑预制构件质量检测系统及方法[P].上海:CN106370670A，2017-02-01.

Claims (5)

1.一种混凝土结构表面及内部损伤精细建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）、三维激光扫描破坏前和破坏后的混凝土结构表面，获取三维点云数据，建立混凝土破坏前和破坏后的三维表面模型及其坐标系；
（2）、逐面无损扫描检测混凝土结构内部，标定每次扫描的起始点坐标、扫描方向和终点坐标，确定起始点和终点坐标，获得相对于扫描面不同深度的内部结构的C-SCAN横截面图；
（3）、将上述步骤（2）中C-SCAN横截面图与所述步骤（1）中三维模型中实际对应的曲面，根据标定的坐标与三维表面模型进行配准，三维重构混凝土内部结构；
（4）、按照上述步骤（1）至（3）根据扫描破坏前和破坏后的混凝土结构表面以及对应的混凝土内部结构，建立破坏前与破坏后的混凝土内外结构三维模型；
（5）、对比分析破坏前后的混凝土结构三维模型，精准定位和测量混凝土结构表面及内部损伤、空隙、裂纹、变形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）具体包括：
（1）、利用三维激光扫描对混凝土结构表面进行三维扫描实景复制，快速获取被测对象表面的三维点云数据，建立结构体表面的三维模型，实现外力破坏前与破坏后的实景复制三维还原；
（2）、利用计算机图形学方法将扫描到的混凝土结构的三维点云数据进行三维点云空间配准、三维建模，实现混凝土结构形态的精确可视化。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）具体包括：
（1）、利用超声检测仪检测混凝土结构内部，采用多道阵列天线，无需耦合剂；
（2）、紧贴着待测结构混凝土不同表面对其内部进行剪切波扫描检测，直至扫描完整个待测物体结构；
（3）、扫描前需对扫描起始点和扫描路径做标定，确定一次扫描结果的起始点和终点坐标。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）具体包括：
（1）、利用图像空间定位原理，将三维激光扫描仪建立的模型按照超声检测时扫描紧贴混凝土结构的不同的表面进行分割；
（2）、分别将对应每一个表面下超声检测得到的不同深度的C-SCAN横截面图与三维激光扫描的模型中实际对应的曲面根据标定的坐标进行配准，并进行三维重构，实现该混凝土结构完整全面可透视的三维模型。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的三维激光扫描破坏后的混凝土结构表面，存在由内部延伸至表面的损伤，具体为：
（1）、根据损伤的连贯性和一致性按照不同内部损伤对表面损伤进行分组，对内部损伤构建三维模型；
（2）、对全部损伤进行表面和内部模型的合并，将表面及内部的三维数据融合实现外力破坏后的混凝土结构整体损伤全面可透视的精细三维模型。
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