近年来, 桁架桥作为铁路及公铁两用桥梁中的常见结构形式, 随着近几年高铁事业的发展, 大跨度钢桁架桥也迅猛发展, 如武汉天兴洲长江大桥、芜湖长江大桥、重庆朝天门大桥、坝陵河大桥等, 这些桥梁主梁结构均采用桁架结构, 其杆件安装数量多, 螺栓或焊接连接节点复杂, 往往在制造过程中需要在制造厂内进行试拼装, 从而及时发现不合格构件, 及时整修, 保证在现场尤其在高空作业环境下的安全、有序施工, 因此试拼装成为大型钢桁架结构特别是高强螺栓连接的钢构件制造时的一道重要工序。

厂内的试拼装通常需要与现场施工几乎相同的机械设备、足够大的场地, 耗费大量的人工, 大大增加了制造成本, 也制约了项目工期。即使采用平装方案代替立体试拼方案, 实用效果也差强人意, 且投入的成本、时间同样很多。而虚拟预拼装技术能解决这一难题, 近年来, 随着现代工业测量技术、虚拟现实技术、计算机辅助设计技术等的发展, 虚拟预拼装技术也逐步完善、成熟, 在国内外桥梁工程应用也逐渐增多。

虚拟预拼装技术是近年来兴起的虚拟装配技术的应用, 虚拟装配技术从产品装配设计的角度出发, 利用虚拟现实技术和计算机仿真技术, 建立一个具有听觉、视觉、触觉的多模式虚拟环境, 借助于虚拟现实的输入、输出设备, 设计者可在虚拟环境中人机交互式地进行装配操作和规划, 检验和评价产品的装配性能, 生成经济、合理、实用的装配方案, 虚拟装配技术已成为虚拟现实技术在工业界的典型应用。对于桥梁钢桁架结构而言, 即是对加工完成等待拼装的构件进行几何数据采集/特征数据采集, 输入计算机后, 与预先输入计算机的相应构件的理论坐标值进行对比, 数据之差就是构件的制造误差, 在指定误差精度的前提下, 计算机判定存在误差过大和制作失误的构件, 预分析在安装中所遇到的问题, 从而指导工厂及时整修问题构件, 避免等实体吊装到一起才发现无法安装情况, 达到大大减轻工厂工人的劳动强度、提高生产效率、使生产向自动、智能化方向迈进的目的。

桥梁构件虚拟预拼装技术一般包含以下几个步骤: (1) 构件实测数据的采集; (2) 建立实测的三维构件模型或者带有实测特征数据的三维模型; (3) 采用合理的虚拟预拼装算法进行构件预拼装; (4) 结果的输出和三维可视化展示。

桥梁钢构件虚拟预拼装的数字化测量技术是虚拟预拼装最关键的步骤, 其数据测试的精度直接影响预拼装的结果。Q/CR9211—2015《铁路钢桥制造规范》中试装要求:对于焊接钢构件, 跨度长度允许误差为±8mm, 而对于螺栓连接的构件, 桁梁主桁和结合梁的螺栓孔应100%自由通过较设计孔直径小0.75mm的试孔器, 可见对虚拟拼装数据采集精度要求之高。以下介绍可用于桥梁钢构件特征数据采集的数字化测量技术。

数字工业摄影测量系统是一种用于产品外形高精度检测的工业测量系统, 具有高自动化、高精度、高效率、高灵活性等特点, 近年来在各行业各领域的应用越来越广泛。钢结构制造上如日本的横河桥梁公司采用该技术进行桥梁构件制造与检测^[1], 浙江大学的李洋采用进口的TRITTOP测量系统对钢桁架构件进行了测量和数字模拟预拼装试验, 取得了良好的效果^[2]。该系统全局测量误差可控制在0.02mm/10m以内。

数字工业摄影测量系统一般包含高精度CCD相机、测量点标靶、定向棒、编码标志、软件系统。操作流程为: (1) 在待测试构件上布置测量标靶、编码标志和定向棒, 测量标靶根据测试特征数据位置不同有球形标靶 (测试螺栓孔) 、L形标靶 (测试边缘点) 等, 编码标志要满足拼接要求; (2) 采用高精度CCD相机对构件进行拍摄, 要求每张照片上的编码标志能保证2个以上, 以保证后期软件处理拼接精度; (3) 将被测构件的所有图片导入软件系统, 该软件系统较成熟, 可实现自动拼接提取测量点几何坐标, 这些测量点可作为预拼装实测结构特征点。

三维激光扫描测量技术是一种全自动、高精度、非接触式的立体扫描技术, 该技术环境适应能力强、数据采集时效性高、可实时测量。它不仅在测绘领域得到广泛应用, 而且在工程、环境检测、城市建设、文物保护方面也得到发展。在钢结构方面, 李超^[3]采用莱卡三维激光扫描仪对钢结构生产构件进行了测量和检测, 有效地防止钢结构制造误差对安装过程和结构自身安全的影响。

三维激光扫描测量技术是通过激光扫描仪测试构件, 获得复杂桥梁钢结构的点云数据, 能够实现实测模型的重构, 且数据获取速度快、精度高, 全天候可作业。徕卡Scan Station P30/40扫描仪测角精度8″, 测距精度1.2mm+10×10^-6, 扫描速度可达1 000 000点/s, 标靶获取精度2mm@50m。

激光跟踪仪测量系统是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器, 它具有精度高、效率高、实时跟踪测量、操作简单等特点, 广泛应用于航空制造、汽车制造和通用制造领域工装设置^[4]。

激光跟踪仪测量系统测试大型复杂的钢构件时, 可利用球形标靶, 实现快速测量螺栓孔特征数据, 且精度高。徕卡Leica AT402计量精度最高的测距仪:ADM分辨率为0.1μm, 最大测量不确定度10μm, ATR支持320m (全量程) 内不同反射镜持续跟踪和定位。

三维实测特征模型建立的目的在于一方面与设计的理论几何模型进行对比, 另一方面为虚拟预拼装的可视化展示。因此, 建立三维测试特征模型的步骤为: (1) 在拼装软件中导入设计的三维理论模型, 格式一般选择CAD中的dxf格式, 如图1所示为复杂钢桁梁构件导入三维模型; (2) 在软件中标注测试点位置 (测点自动进行编号) ; (3) 将数字化测量的特征点几何坐标导入; (4) 利用最小二乘法将实测特征点与理论设计点进行关联和显示。

在进行关联时, 可以选择自动关联、手动关联, 关联后即可进行精度管理, 软件按照设定的参数, 对设计数据与实测数据进行误差对比, 自动计算出特征位置的位置偏差, 并按颜色分级显示, 并可实现误差统计输出、允许值的设定、自定义报表等输出功能。同时, 针对每个杆件可能出现测试的温度不同, 对每个杆件可进行温度修正, 保证测试数据不受测试温度的影响 (见图2) 。

通过以上步骤即可完成每个杆件的三维实测特征数据模型的建立, 单个杆件包含杆件名称、设计三维模型、设计特征点、实测特征点等模型信息。在软件中进行分类管理, 以便进行后期查看和预拼装工作。

虚拟预拼装的关键在于算法, 对于螺栓连接的两个面拼接的算法, 意大利的F.Case等^[5]最早提出了一种基于螺栓孔位的预拼装方法, 并对其进行了简要介绍。ETH等^[6]对算法 (广义谱分析) 进行详细的数学推导, 在文献[2]中针对螺栓连接的钢构件实现两根杆件的对拼计算。

但对于复杂的钢桁构件, 每个杆件由多个杆件连接, 且杆件均为箱形截面, 具有4个拼接面, 每个拼接面上由1组或2组以上的拼接板进行杆件连接, 简单的算法拼装结果不能完全解决。本文结合工厂内实际拼装情况, 试拼装一般先把主要构件在胎架上按设计位置摆放好, 然后用拼接板进行连接。因此, 在软件中对算法和拼装步骤进行改进, 先将主杆件的实测值与设计理论值进行匹配分析 (最小二乘法) , 使得实测特征值与理论杆件位置达到最佳, 此时固定主杆件位置, 后采用改进广义普分析算法, 即计算时匹配后钢桁梁的特征数据不调整, 仅对拼接板的位置进行调整, 计算出各拼接面的误差, 验证杆件的制造精度。

沪通长江大桥HTQ-1标非通航孔桥为23跨112m简支钢桁梁桥, 主桁采用3片桁架结构, 中心间距2×14.5m, 中心桁高16m。每跨10个节间, 中间节间长11m, 端部节间长10.8m, 均采用高强螺栓连接。

在钢结构制造厂内选择了3根杆件和1块拼接板进行测试, 测试方法采用了激光跟踪仪测量系统。测试杆件和拼装顺序如图3所示, 采用虚拟预拼装软件进行误差分析, 螺栓平面x, y方向的拼接误差大部分在1mm以内, 个别达到2mm, 沿着螺栓孔轴向z向最大达4mm (沿孔轴线误差对拼装影响可忽略) , 现场安装证实可以满足安装要求。

本文介绍了基于螺栓连接桥梁构件的虚拟预拼装方法, 包括其特征数据测量方法、模型建立, 适用于钢桁梁复杂构件多面拼接的算法;并依托沪通长江大桥非通航孔桥采用先进的激光跟踪测试系统进行测试试验, 对复杂的钢桁梁进行了拼接误差分析, 通过现场安装验证可用于桥梁复杂螺栓连接桥梁构件虚拟拼装, 检验复杂桥梁钢构件的加工精度, 特别是对于异形复杂构件和后孔法加工构件, 该系统经完善后将可取代桥梁厂内试装工作。