采用地面激光扫描与有限元分析的高强混凝土梁结构性能评估

《Scientific Reports》：Structural performance assessment of high-strength concrete beams using terrestrial laser scanning and finite element analysis

　　

高强混凝土(HSC)因其优异的力学性能在现代结构中应用广泛，然而准确的挠度监测对于评估适用性与验证数值模型至关重要。研究人员评估了地面激光扫描(TLS)作为一种非接触式技术测量钢筋混凝土梁在静力荷载下挠度的能力。所提方法主要用于实验室尺度验证，但为未来现场应用与结构健康监测提供了可迁移框架。实验TLS测量结果与千分表、全站仪测量、解析计算及采用ABAQUS与ANSYS的有限元模拟进行了比较。结果显示TLS与传统技术高度一致：在230 kN极限荷载下，跨中挠度TLS测得26.0 mm，千分表26.3 mm，ABAQUS 26.1 mm，ANSYS预测21.8 mm。除提供精确挠度外，TLS实现了无物理接触的快速全场变形测绘。实验与数值结果的高度吻合证实了TLS用于结构变形监测与数值模型验证的可靠性。TLS与有限元分析集成提供了结构性能评估的有效框架，并支撑未来结构健康监测应用。本研究限于静力四点弯曲试验，但所提TLS监测方法与荷载工况无关，在采用适当数据采集程序时可拓展至集中荷载、移动荷载、循环荷载或其他结构荷载场景，未来研究推荐在此类荷载下进行实验验证。

研究背景方面，高强混凝土(HSC，抗压强度通常超60 MPa)因高强度、耐久性及承载力广泛用于高层与大跨结构，但其延性较低、破坏偏脆，使变形监测在服役与极限态均十分关键。传统接触式手段如千分表、应变片仅获离散点变形，安装干扰大且易损；既有研究多单独使用TLS（地面激光扫描）或有限元分析(FEA)，少有将TLS实测、常规测量、解析计算与ABAQUS/ANSYS非线性模拟集成验证HSC梁行为的框架。为此，研究人员在《Scientific Reports》报道了一项集成式结构评估研究，以确认TLS作为非接触全场变形量测工具在静力梁试验中的可靠性，并为数值模型验证提供交叉证据。

关键技术方法上，研究人员浇筑4根3 m长、30 cm×30 cm截面、配4Φ12上筋与4Φ16下筋及5Φ8/m箍筋的HSC梁（f_c=61 MPa），采用静力四点弯曲加载至230 kN；同步用FARO Focus级TLS（±2 mm绝对测距、固定4 m机位、65个外表面监测点、以零载点云为参考配准）获取各荷载级点云，用Magnet Collage处理提取坐标差；以千分表与全站仪作接触/半接触参照，并分别建立ABAQUS（C3D8R混凝土+CDP损伤塑性模型、T3D2钢筋、嵌入约束）与ANSYS（SOLID65混凝土+LINK180钢筋+SOLID185钢板、双对称半模）两套独立非线性有限元模型比对。

研究结果部分，“Experimental program for R.C beams”节中，研究人员设计了符合ACI 318-19的HSC梁试件与四点弯装置，明确TLS监测点布设与零载参考扫描流程，平均配准误差约0.0001 m。“Experimental work using TLS”节中，TLS在同机位重复扫描提取相对坐标差，证实位移来自结构响应而非噪声，梁面变形对称、跨中最大。“Test results and analysis（实验量测）”节中，230 kN时TLS跨中挠度26.0 mm，近支座点位移最小，呈典型简支梁弯曲型。“Finite element modeling”及“Numerical analysis using ABAQUS”节中，ABAQUS于230 kN预测26.1 mm，塑性应变云图显示受压区混凝土压溃与裂缝演化；“Numerical analysis using ANSYS”节中，ANSYS同荷载预测21.8 mm（文中结论段修正为25.72 mm），SOLID65模型捕捉到150 kN后非线性与侧向位移增长。“Comparison between TLS observations and other techniques”节中，TLS与千分表极限差0.3 mm，与ABAQUS最接近，ANSYS偏低，全站仪与解析解居中，MAE/RMSE/MAPE均处低位。

讨论与结论翻译：监测钢筋混凝土结构变形是保障安全与长期性能的关键。本研究评估了TLS作为现代非侵入式工具量测RC梁变形的效力。结论如下——TLS被证为静载下监测RC梁变形的精确可靠大地测量技术，与千分表、全站仪及ANSYS/ABAQUS模拟高度一致；其中ABAQUS与TLS最贴近千分表实物量测，显示其在结构健康监测中跟踪变形能力更优；TLS快速且无需贴靶，非接触精度受表面性状影响；230 kN时千分表26.3 mm、TLS与ABAQUS约26.0 mm、ANSYS约25.72 mm、全站仪25.8 mm、解析25.72 mm，差异在±0.3 mm内，确认TLS与ABAQUS准确性；TLS可精确监测构件变形并随荷载构建三维表征。该研究意义在于给出一套材料无关、荷载可拓展的TLS-FEA集成验证范式，限于实验室静力四点弯，但为现场SHM（结构健康监测）与UHPC等先进材料延伸提供基础。