一种全新的混凝土平面裂缝预测评估和图形化输出方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种建构筑物中评估混凝土表面是否出现裂缝及其预测出现的裂缝 的位置的方法，可实现远程非接触的对大型建筑物混凝土平面的开裂情况进行检测。
【背景技术】
[0002] 裂缝出现的程度是控制结构安全性、稳定性、抗腐蚀性的重要基本参数之一。当 前，工程师对混凝土建构筑物的裂缝，多是当裂缝在一定距离内通过肉眼可见，或出现大变 形时才进行测量和检测工作，进而验算其是否符合设计要求，以及检查其他可能产生裂缝 的原因。这种裂缝检查是后知后觉的，无法从根本上杜绝危险的出现。
[0003] 另外，对于诸多大型建构筑物，如大跨度楼板、屋面板、桥梁、隧道、混凝土储油罐、 保护壳、尾矿坝等大型、高耸结构等，难以实现近距离测量的位置，人工检测的方法显然是 无法满足对其进行裂缝监测的要求。
[0004] 而当前对这类变形和裂缝监测方法主要采用堵的办法，即在桥梁、隧道等出现较 大变形（肉眼可观测)，或仪器取特征点观测发现较大变形的时候，工程师根据变形位置近 距离寻找裂缝，并测量裂缝间距和宽度。由于监测手段只能够选取有限特征点，采用全站仪 或其他测量手段单点测量，因此往往以后大量可能发生危险的薄弱环节。其对建构筑物的 变形的后知后觉及局部性，造成了众多的结构安全隐患。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述现有技术不足之处，本发明主要针对单向弯曲的混凝土构件，提出 一种采用三维激光扫描技术对混凝土构件进行扫描和建模，从而所获得的模型数据进行对 比分析和计算，不仅能够确定已经出现的裂缝，而且能够预测将要出现裂缝的位置。
[0006] 该方法中的三维激光扫描技术，被认为是继GPS空间定位系统之后测绘技术领域 的一项革命性突破，具有非接触性，快速性，实时、动态、主动，且高密度、高精度，数字化、自 动化等特性，并且正在逐步被应用在工程中。三维激光扫描仪通过扫描混凝土表面，获得密 集的"点云"，从而将目标物体表面的信息采集下来。但是因为其精度为几毫米到几厘米不 等，对低于这个精度的裂缝并不能直接获得。因此需要将两次采集的数据信息进行拟合，从 而得到混凝土构件变形的相对曲率，再利用一种反向计算的理论方法，将三维点云数据信 息反向推演得到裂缝位置、间距和宽度信息，或者可能出现裂缝的程度，进而绘制开裂情况 程度分布图，形成一种全新的混凝土表面变形和开裂监测方法和手段。
[0007] 该方法分为以下几个步骤：
[0008] 1.初始状态数据扫描：用三维激光扫描仪对需要预测裂缝的平面的初始状态进 行扫描，根据获得的点云数据建立三维模型。如果不是预测相对变形情况下的开裂情况， 则初始状态可看做未发生变形，曲率为零，可省略这一步骤；
[0009] 2.变形状态数据扫描：在混凝土平面受到一定应力作用时的状态进行扫描，得到 混凝土平面的三维变形变化；
[0010] 3.曲率提取：将步骤1和步骤2的扫描数据输入计算机，通过点云数处理软件进 行同坐标系融合。这个时候，平面发生弯曲的部分可从三维模型中直观的呈现出来。然后 对平面的弯曲区域进行曲面剖切，可得到混凝土表面各点弯曲的曲率。找到曲率最大的方 向和截面，接下来对该位置是否开裂进行分析。
[0011] 4.计算最大曲率位置的受拉区平均高度：当混凝土平面发生弯曲时，凸面会受到 拉力，凹面会受到压力，而两个面中间会有一个面受到的拉力和压力平衡，我们称之为中性 轴。因为开裂会发生在受拉表面，而我们要计算受拉表面是否开裂，除了知道曲率之外，还 需要获得受拉区的高度。首先可根据根据截面内钢筋配置以及混凝土性质等参数计算确定 截面的平均受压区高度，受拉区高度则为混凝土厚度和受压区平均高度之间的差值。
[0012] 5.计算最大曲率位置的拉应变：根据步骤3中得到的曲率和步骤4中的受拉区高 度，二者的乘积可计算单位长度内混凝土表面的平均应变ε f,m ;
[0013] 6.根据混凝土的各参数，查表得到混凝土开裂时临界状态的临界应变值ε t,k ;
[0014] 7.比较￡^与et,k的大小：①当e f,m< et,k，说明混凝土表面未开裂；②当ef, m>et,k混凝土表面开裂；③当ef, m~ et,k，则最大曲率位置为开裂临界截面。
[0015] 8.绘制等曲率图：根据步骤7的比较结果，按照步骤3中提取曲率方法，绘制开裂 位置的等曲率图，并在未开裂位置绘制等曲率图，表明接近开裂的程度。最后，将结果进行 图形输出。
[0016] 本发明专利同现有技术相比较，其有益效果是：实现裂缝远距离预测，对裂缝发生 进行监控；将现有单点测量手段革命性拓展到对象表面整体变形测量，消除因取点误差造 成的漏测和少测所导致的评估错误和隐患；高速、高精度的扫描手段，自动化的数据处理方 法，实现实时监测，结果实时输出；全面彩色图形表示，达到直观化，图形化的输出效果；实 现预测裂缝出现的可能性和裂缝间距和裂缝宽度，为混凝土建构筑物的裂缝出现位置的预 判提供了一种全新的全面的监测和检测方法；提高作业安全性和效率，大大降低了成本。
【附图说明】
[0017] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0018] 图1为技术流程图；
[0019] 图2为空间三维点云数据图；
[0020] 图3为多次采集同坐标系处理、剖面曲率融合图；
[0021] 图4是受到纯弯曲板带单元剖面图，其中1.受拉区，2.中性轴，3.受压区；
[0022] 图5为单位长度Im截面受压图，其中，a为开裂截面，b为未开裂截面，1.受拉区， 2.受压区，3.钢筋等效面积。
【具体实施方式】
[0023] 本发明对混凝土表面开裂预测和绘制开裂程度分布图实施过程如图1。具体实施 方式如下：
[0024] L混凝土表面三维数据采集
[0025] ①初始状态三维数据采集。初始状态一般是混凝土平面没有受到太大外部压力的 情况，如果测量时混凝土表面已经产生较大的变形，我们可以将初始状态假定为理想状态， 即变形曲率为零。对三维数据采集的过程如下：
[0026] 在需要进行裂缝监测的混凝土表面贴上四个定位靶标，靶标的位置不要在一条直 线上。在混凝土平面正面相对的位置放置三维激光扫描仪，选择最佳扫描位置，然后固定。 启动三维激光扫描仪进行扫描，三维激光扫描仪将首先进行点云数据的扫描，然后进行拍 照回去混凝土平面的色彩信息。三维激光扫描仪停止工作之后便获得了初始状态数据，将 数据进行存储，得到如图2所示的点云数据图。
[0027] ②变形状态三维数据采集。在混凝土平面收到应力作用变形之后，进行变形状态 的数据采集。其具体过程和步骤同①一样。
[0028] 2.三维点云数据处理
[0029] 将三维激光扫描仪在步骤1中采集的初始状态和变形状态的三维点云数据，导入 计算机。通过点云处理软件进行同坐标系融合，如此便得到了混凝土平面相对的变形的三 维点云数据模型。
[0030] 3.曲率的提取和计算
[0031] 接下来，根据混凝土表面的三维模型进行曲面剖分，我们从剖分图中可获取混凝 土表面跟点的弯曲曲率。在平面中，找到曲率最大的方向和截面，对剖面上点云进行曲线拟 合，并计算曲线的曲率最大值，如图3所示。同样的方法获得其他剖面曲率并储存。
[0032] 4.受拉区平均高度的计算
[0033] 如图4和图5所示，单位长度的受压区高度可由下面公式得到：
[0034] h; = h-hc (1)
[0035] 首先确定单位长度截面的平均受压区高度h。。受压区截面平均高度h。由以下公 式计算：
【主权项】
1. 一种全新的基于三维激光扫描技术和三维点云建模技术，对钢筋混凝土平面进行开 裂预测评估和图形化输出的方法，其技术方法为：通过三维激光扫描和建模技术，获得平面 三维数据模型；通过对两次(多次)扫描数据的融合，得到混凝土平面的变形情况；根据混凝 土平面的变形模型进行二维剖分，提取平面各点的弯曲曲率；计算具有最大弯曲曲率位置 的表拉应变，并该混凝土规范中的最大应变进行对照，预测其是否开裂；最后通过绘制混凝 土受弯构件表面开裂程度分布图，实现直观图形输出。
2. 根据权利1所述的方法，其特征是：通过对融合的混凝土表面三维模型进行曲面剖 切得到曲率，并从中找到曲率最大方向和截面，对剖面上点云进行曲线拟合，并计算曲线的 曲率最大值。
3. 根据权利1所述方法，其特征是：通过变形曲率和受压区平均高度的计算，分析和预 测混凝土表面是否开裂，其过程和方法为： 首先计算该位置混凝土表面的应变ε f,m，单位长度内混凝土表面由于弯曲所产生拉应 变ef,m可以由下式计算： ef,m = h/ k (1) 其中k为根据三维扫描点云剖切面测量的曲率，h'为截面受拉区高度： h' = h_hc (2) h为受弯区混凝土的厚度，h。是受压区截面平均高度。因此，从公式（I)和（2)可计算 出混凝土表面拉应变ε f, π。 接下来，从混凝土规范中查找改混凝土极限拉应变ε t, k，从而对比ε f, m和ε t, k的大 小：￡：1?,111<81,15，表明未开裂 ；81?,111：=?81,15，为开裂临界状态 ；81?,111>8 115，则说明已开裂。
4. 根据权利1所述方法，其特征是：输出开裂程度梯度图的方法为，对未开裂的构件， 可直接输出最大曲率位置，作为危险位置信息供参考，并且通过绘制等曲率图，直观的反应 混凝土表面开裂的位置以及预测未开裂位置临近开裂的程度。
【专利摘要】一种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。它主要通过三维激光扫描仪对所要监测的混凝土平面进行扫描，得到三维数据模型，并通过对多次变形数据采集融合，进行曲率的提取和计算，完成开裂截面判断及临界截面分析，最终绘制出混凝土受弯构件表面开裂程度分布图，实现平面裂缝开裂预测评估和图形化输出。相比现有技术只能采用近距离、人工手段、后知后觉的进行裂缝检测，本发明专利实现了远程非接触、自动化和超前预测，从而有效防止混凝土构件变形之后出现裂缝引起的结构安全隐患。
【IPC分类】G01N21-88, G01B11-16
【公开号】CN104634785
【申请号】CN201310552473
【发明人】韩达光, 张兴斌, 林松涛, 李学飞, 梁宁博, 杨永光, 马晓鑫, 马鹏飞
【申请人】中冶建筑研究总院有限公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2013年11月8日