CN109341528B - 一种基于三维激光扫描的建筑物爆破振动损伤评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维激光扫描的建筑物爆破振动损伤评价方法，该方法利用三维激光扫描技术对建筑物进行扫描，获取建筑物全面的点云数据，进行处理和模建后，得到所有承重部位表层裂缝的分布模式、长度和宽度扩展情况。定义了新的局部裂缝密集度，最后通过局部裂缝密集度大小来判断建筑物局部承重结构损伤情况，统计各个承重结构损伤情况得到整体局部裂缝密集度来评价建筑物整体损伤。同时，利用三维激光线扫描，还可得到建筑物几何中心线的振动位移。另外，此方法还可以对目标对象进行连续性测量，可得到建筑物结构实时损伤状态。本方法在矿山、水利水电、交通等领域的建筑物损伤判断上，能快速地给出结构损伤结果，应用前景广阔。

Description

一种基于三维激光扫描的建筑物爆破振动损伤评价方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体的说是一种基于三维激光扫描的建筑物爆破振动损伤评价方法。

背景技术

现在建筑物受到自然或人为因素，都会产生结构损伤。例如，石油高塔在爆破、风、浪等荷载下会出现承重结构的损坏；房屋建筑物受到附近爆破扰动影响、日常温度变化影响时，墙体等承重部位会变形，出现裂缝，整体建筑物结构产生了损坏；桥梁等建筑物受到车辆荷载和温度作用，也会产生裂缝，造成结构的损伤。所以无论是重大的土木工程，还是一般民用建筑物，随着时间的推移，建筑物在服役过程中无法避免地会因为自然、人为因素导致其结构损伤的累加和抗力的衰减，一旦结构的损伤累积到临界处，如不能及时发现补救，那么将会对人们的生命和财产安全造成毁灭性的伤害，因此对建筑物损伤评价就变得极为重要。

对建筑物损伤评价方法主要有两大类，一类是通过一种定性的等级评价体系，通过对建筑物外观、结构构件的评估，对构件的承载能力、损坏程度等进行分等分级，给出对建筑损伤的一个定性判断。另外一类就是确定建筑物的频率、振型等模态参数，根据这些参数的变化来反应结构损伤状态。例如，当建筑物结构在爆破、风荷载等外部激励下出现损伤时，其自身的固有频率会变小，通过测定建筑物结构前后固有频率的变化来反应损伤程度，另外，在不同的频带范围，建筑物结构的振动响应是不一样的，来反应构件或整体结构的损伤情况。利用振型参数方法主要有通过前后建筑物受损时振型的变化和使用振型分解法反应不同振动响应的各种组合状态这两种，在不同的频带范围，产生的振动响应是不一样的，通过这些参数的变化来反应构件或整体结构的损伤情况。

建筑物在服役过程中会受到各种外界作用而引起振动，对自身结构产生不利影响，影响其使用寿命，主要包括车辆行驶振动，风、浪荷载振动、地震作用，打桩、地铁开挖、山体爆破等工程行为振动，其中爆破振动对建筑的影响最为普遍、严重。爆炸作用产生后，释放的能量在岩石介质中以波的形式进行传播和衰减，当传播至地表时，会引起了地面质点的振动，通过建筑结构的基础传递到结构上部，使建筑结构产生振动，造成损伤，轻则墙面粉层剥落、产生微裂缝，重则基础变形，出现坍塌。爆破振动会带来极大的安全隐患，无论是民用建筑还是重大土木工程，爆破振动产生的影响必须严格控制，建筑物结构损伤状态也应有科学的评价。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于三维激光扫描的建筑物爆破损伤评价方法，该方法利用三维激光扫描对建筑物全面、大范围地进行测量，获取高精度高分辨率的数字模型，通过这种非接触式的测量方式，获取整个建筑物全面的点云数据后，进行建模，可以得到建筑物各个承重部位分布模式、长度和宽度扩展情况，通过提出新的局部裂缝密集度ρ，针对承重部位裂缝情况对承重部位进行损坏评价，同时统计各个承重部位局部裂缝密集度ρ，进行评价建筑物整体损伤；并结合动态的建筑物几何中心线的振动位移数据进行建筑物整体损伤评价。另外，本发明方法对建筑物进行多次扫描，得到裂缝密集度ρ以及振动位移数据变化曲线，从而对建筑物整体进行实时损伤评价。

一种基于三维激光扫描的建筑物爆破振动损伤评价方法，包括如下步骤：

步骤一，获取建筑物几何中心线的振动位移数据；

步骤二，获取建筑物上各个承重部位裂缝的分布模式、长度和宽度情况；

步骤三，定义局部裂缝密集度：

其中，k取值与承重部位结构特性和材料有关，ΔS为三维激光扫描模型中单一承重部位裂缝所占面积，ΔS＝∑l_im_i,l_i为单条裂缝长度，m_i为单条裂缝宽度；S为承重部位面积，根据局部裂缝密集度公式确定局部裂缝密集度ρ的值；

步骤五，统计整个建筑物每个承重部位的ρ_i，计算整体局部裂缝密度P＝Σα_iρ_i,α_i取值与各个局部承重结构形式、材料、重要性有关；

步骤六，结合建筑物几何中心线的振动位移数据，进行建筑物整体损伤评价，当振动位移值超过某一个阈值时，其相应的P值越大所反映出的建筑物结构损伤越严重；振动位移值越大时，P值反映的损伤也越严重；

步骤七，在连续时间内，重复以上步骤一至六，对建筑物进行多次扫描，得到裂缝密集度ρ以及振动位移数据变化曲线，从而对建筑物整体进行实时损伤评价。

进一步的，步骤一中通过三维激光扫描中的线扫描获取建筑物几何中心线的振动位移数据。

进一步的，步骤二中首先利用三维激光扫描对受损建筑物进行扫描，获得建筑物三维点云数据，然后对所测的点云数据进行处理和建模，得到建筑物全面信息，从而获取建筑物上各个承重部位裂缝的分布模式、长度和宽度情况。

进一步的，步骤六中振动位移值根据国家建筑物爆破有关质点峰值振动速率的规范来限定。实际对建筑物破损伤进行评价过程中，振动位移阈值还没有定值，主要是根据建筑物结构具体情况来确定，而且毛坯、高塔、民房这些都是不一样的，现阶段主要利用经验进行确定。

本发明一种基于三维激光扫描的建筑物爆破损伤评价方法的优点是：

鉴于等级评价考虑到人的主观因素且准确性较差，动力参数方法适用范围小，工程量大，耗时长，且具有局部性，不能快速全面对建筑物损伤做出判断，本发明方法利用三维激光扫描进行检测，由于激光具有单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，可以极大的减少外界因素干扰，同时它突破了传统的单点测量方法，能够提供扫描物体全面的三维点云数据，保证了对建筑物承重部位裂缝情况的全面覆盖。所定义的裂缝密集度ρ从定量的角度可以很好地反映建筑物局部承重结构损伤的情况，减少了人的主观因素影响，实施过程中可以快速地得到建筑物损伤情况。同时，三维激光扫描可以进行不同时段地连续测量，所得数据具有时间和空间上的连续性，得到建筑物局部和整体结构全面的实时损伤情况，以此来控制和预测建筑物损伤状态。

本方法不仅可以判断房屋建筑物在爆破、地铁修建等环境下的损伤情况，同时也可以对高耸建筑的在爆破风、浪等荷载下的破坏进行判断，还能进行实时检测，确保房屋、高耸结构、大型桥梁建筑等重大土木工程在安全使用范围内。在矿山、水利水电、交通等领域的建筑物损伤判断上，能快速地给出结构损伤结果，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明以砌体结构中局部承重墙体为实例的简化示意图；

图2为本发明以高耸结构中石油高塔为实例的简化示意图。

具体实施方式

下面结合附图1、2，对本发明进行进一步说明。

附图1，本实施例以某承重墙体为例。

当地面建筑物受到振动影响时，部分承重部位会发生变形，出现裂缝，结构损坏。根据建筑物结构将裂缝分为承重处裂缝和粉层处裂缝两大类，其中承重处裂缝主要影响结构的稳定性，而粉层处裂缝一般是由于温度或自然沉降等因素造成的，对结构影响不大。首先利用三维激光扫描获得建筑物整体的三维坐标数据，进行建模，可以得到建筑物表面完整的信息，确定承重部位裂缝长度和宽度。

根据定义的局部裂缝密集度：

K取值与承重部位结构特性和材料有关,ΔS为三维激光扫描模型中单一承重部位裂缝所占面积，ΔS＝∑l_im_i,l_i为单条裂缝长度，m_i为单条裂缝宽度；S为承重部位面积，从而确定局部裂缝密集度ρ。依据图中数据，可以得到标号为1的裂缝所占面积为ΔS₁＝l₁m₁，同理可得标号2、3、4等各个标号裂缝的所占面积，再进行累加求和确定ΔS，裂缝所处的承重墙体面积S＝LH，最后计算出ρ值。对于承重墙体多个面上均出现裂缝时，综合考虑ρ值，最后根据ρ值来评价承重墙的损伤情况，ρ值越大，承重墙体损伤程度就越大，当超过一临界值时，墙体就会发生垮塌，整个建筑物破坏。对于整个砌体结构的损伤判定，可以统计每个承重墙的局部裂缝密集度，根据各个承重部位重要性来赋以系数进行累加，计算整体局部裂缝密度P＝∑α_iρ_i，得到建筑物整体裂缝密集度，另外，综合考虑线扫描获得的建筑物几何中心线振动位移，振动位移值越大，结构受到的外界作用就越强，利用P值并结合实际振动位移进行损伤判定(所定义的局部裂缝密度是处于一个静态的物理量，如果结合建筑物当时振动位移数据，就可以在静态的基础上结合动态对建筑物整体损伤状态进行分析，当振动位移值超过某一个值时，那么相应ρ值所反映出的建筑物结构也就损伤的越严重。也就是说相同的ρ值在不同的振动位移数据下反映的损伤程度是不一样的)。在利用三维激光扫描进行多次连续性扫描后，到裂缝密集度ρ变化曲线，即可得到墙体和整个砌体建筑物的实时损伤状态。

附图2，本实施例以某石化高塔为例。

爆破作业会产生爆破地震波，当地面传来的地震波作用在石化高塔上时，不仅高塔下部的钢筋混凝土基础会产生损伤，同时由于振动放大效应的存在，整个石化高塔上缘的振动速度和振动偏移量就会被放大，外加遇到风荷载等其他环境作用时，整个石化高塔的安全评价就更为重要。

首先，利用三维激光扫描对石化高塔整体进行全面扫描，得到整个高塔的三维坐标并进行建模，获取承重基础混凝土存在的全部裂缝分布模式和长度、宽度等扩展情况。根据定义的局部裂缝密集度：

K取值与承重部位结构特性和材料有关,ΔS为高塔模型中承重基础上裂缝所占面积，ΔS＝∑l_im_i,l_i为单条裂缝长度，m_i为单条裂缝宽度；S为基础部位面积，从而确定局部裂缝密集度ρ。依据图中数据，可以得到标号为1的裂缝所占面积为ΔS₁＝l₁m₁，同理可得标号2、3、4等各个标号裂缝的所占面积，再进行累加求和确定ΔS，裂缝所处的基础部位面积S＝LH，最后计算出ρ值。对于基础混凝土多个面上均出现裂缝时，根据各个面上裂缝的密集情况综合考虑ρ值。对于高塔结构，单一考虑爆破作用的振动效应是不科学的，因此，利用现有的三维激光线扫描功能可以获取整个石化高塔几何中心线在爆破、风荷载等外界作用下的振动位移数据。综合考虑局部裂缝密集度ρ和高塔上缘部位的振动位移就可以十分全面得到整个石化高塔结构的损伤情况。另外，利用三维激光扫描对高塔进行连续性监测，即可以作出实时损伤评价，从而保证结构安全。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种基于三维激光扫描的建筑物爆破振动损伤评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，获取建筑物几何中心线的振动位移数据；

步骤二，获取建筑物上各个承重部位裂缝的分布模式、长度和宽度情况；

步骤三，定义局部裂缝密集度：

其中，k取值与承重部位结构特性和材料有关，ΔS为三维激光扫描模型中单一承重部位裂缝所占面积，ΔS＝∑l_im_i,l_i为单条裂缝长度，m_i为单条裂缝宽度；S为承重部位面积，根据局部裂缝密集度公式确定局部裂缝密集度ρ的值；

步骤五，统计整个建筑物每个承重部位的ρ_i，计算整体的局部裂缝密集度P＝∑α_iρ_i,α_i取值与各个局部承重结构形式、材料、重要性有关；

步骤六，结合建筑物几何中心线的振动位移数据，进行建筑物整体损伤评价，当振动位移值超过某一个阈值时，其相应的P值越大所反映出的建筑物结构损伤越严重；振动位移值越大时，P值反映的损伤也越严重；

步骤七，在连续时间内，重复以上步骤一至六，对建筑物进行多次扫描，得到整体的局部裂缝密集度P以及振动位移数据变化曲线，从而对建筑物整体进行实时损伤评价。

2.如权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的建筑物爆破振动损伤评价方法，其特征在于：步骤一中通过三维激光扫描中的线扫描获取建筑物几何中心线的振动位移数据。

3.如权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的建筑物爆破振动损伤评价方法，其特征在于：步骤二中首先利用三维激光扫描对受损建筑物进行扫描，获得建筑物三维点云数据，然后对所测的点云数据进行处理和建模，得到建筑物全面信息，从而获取建筑物上各个承重部位裂缝的分布模式、长度和宽度情况。

4.如权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的建筑物爆破振动损伤评价方法，其特征在于：步骤六中振动位移值根据国家建筑物爆破有关质点峰值振动速率的规范来限定。

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