復雜鋼結構體高空吊裝定位技術研究

陳科，唐華，羅家望

（1四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責任公司 四川江油 621709 2西科測繪公司 四川綿陽 621000）

1 概述

嘉峪關氣象塔位于甘肅省嘉峪關市東湖風景區，由裙樓和混凝土核心筒塔樓組成，塔樓外環繞鋼結構“海豚”造型網殼。網殼總高度為95m，由2731根直徑18～24cm的鋼管對徑焊接而成。網殼以24根豎桿為造型主體，豎桿之間連接橫桿和斜桿，以空中折線狀的鋼管構成海豚造型。每一根豎桿由35段直伸鋼管對口焊接而成，每段鋼管構成為網殼的一“層”，網殼底部通過預埋鋼板連接在裙樓頂部環梁上，網殼與混凝土核心筒在3、6、9、11層通過多點拉桿與鋼筋混凝土塔樓連接。嘉峪關氣象塔外形如圖1所示。

圖1 嘉峪關氣象塔外形

2 網殼安裝方案

為了提高作業效率，保證安裝精度和作業安全，盡量減少高空作業，網殼安裝施工采用的方法是：綜合考慮吊車起重能力、組裝場地大小、組裝困難程度、吊裝定位是否方便及現場施工干擾等諸多因素，將鋼結構網殼拆分成適當大小的吊裝組件。在地面焊接為一體后，再整體吊到高空中進行拼裝焊接。整個網殼由下而上逐層安裝，當下層吊裝組件安裝到位并焊接牢固后，再進行上一層組件的吊裝。網殼主體拆分的吊裝組件如圖2所示。

圖2 網殼主體拆分的吊裝組件

3 吊裝組件的安裝定位

3.1 測量定位需要解決的問題

安裝定位設計值是構成網殼的立桿、橫桿和斜桿中心線在連接處交點的三維坐標。理論上講，定位時應在吊裝組件設計點安置測量標志，通過對標志的觀測，指揮移動吊裝組件到正確位置。具體操作步驟為：

（1）用塔吊將吊裝組件吊到大致位置后，首先將組件豎桿下端與已安裝好的下層組件豎桿上端對準。此時組件的上端已基本到位，只能在正確位置附近的小范圍內移動。

（2）觀測位于組件上端的測量標志，用葫蘆鏈條移動組件上端，直至觀測坐標等于設計坐標。當吊裝組件各豎桿均處于正確位置時，安裝定位測量工作即完成。

實際上，網殼定位設計點是無法直接觀測到的。經過文獻查閱，處理這種問題的一般思路是另行設置觀測點，在定位物體上粘貼平面反射鏡片或安裝反射棱鏡，通過獲得觀測點坐標來推算設計點坐標。

這種思路適用于定位點數量不多、定位物件空間方位單一的情況。嘉峪關氣象塔網殼工程安裝項目，存在下列問題：

（1）安裝操作平臺作業空間狹窄且支撐鋼梁縱橫交錯，安裝定位時常有障礙物遮擋觀測視線，而在高空中重新安裝、變更測量標志的位置或方向都比較困難。

（2）定位桿件眾多，其空間方位角各不相同，加之觀測站和觀測點之間不通視時，還需變更地面觀測站位置，使得設計點與觀測點之間的空間幾何關系復雜而難以確定。

（3）相對于一般項目，本工程定位點數量非常多。若觀測點與設計點間的關系復雜，會因定位誤差大、操作困難而無法保證作業效率。

3.2 解決方法

要解決上述問題，設置觀測點的位置應符合以下要求：

（1）觀測點與設計點之間的空間幾何關系簡單、精確。

（2）觀測點與設計點間的空間幾何關系與觀測站位置無關，由設計點坐標計算觀測點坐標簡單、快捷。

（3）當觀測點坐標等于計算值時，設計點即已到達正確位置，無需由觀測點坐標再推算設計點坐標對比檢驗。

顯然，若觀測點與設計點連線與設計點所在豎桿的中軸線存在夾角，則設計點與觀測點間的幾何關系會變得非常復雜，因為在實際工作中此夾角難以精確地得出。經過反復研究、權衡，要滿足上述3項要求，應將觀測點設置在設計點所在豎桿中軸線的延伸線上，這樣觀測點與設計點之間幾何關系非常簡單，從而能夠快速、簡便地由設計點坐標推算出觀測點的坐標，即以已知豎桿兩端點空間坐標，和其延伸線上一點距一端點的距離為參數，快速計算出延伸線上的觀測點坐標。

設吊裝組件豎桿上端定位交點設計坐標為P1(x1,y1,z1)，豎桿下一交點設計坐標為P2(x2,y2,z2)，設計點到觀測點的距離為d，兩交點空間距離即桿長為s，觀測點坐標為Pi(xi,yi,zi)，可得：

利用上述公式，根據實際情況確定參數d后，即可快速解算出觀測點坐標Pi(xi,yi,zi)。

如前所述，網殼安裝時首先將吊裝組件豎桿下端，對準已安裝到位的下一層吊裝組件豎桿上端并固定，此時，吊裝組件豎桿下端設計點已經到位。觀測點計算坐標值是采用吊裝組件豎桿設計方位角計算的，因此，當觀測點坐標等于計算值時，所在豎桿軸線空間方位角必等于設計值，從而軸線上的設計點必等于設計值。由此可簡單地根據觀測點坐標等于計算值，來完成無法直接觀測的設計點定位，使得定位工作簡單快捷，很好地解決了安裝定位的難題。

根據以上解決問題的思路，以及觀測標志應滿足的要求，結合工程實際情況，設計了如圖3、圖4所示的專用工具。

圖3 扣件示意圖

圖4 扣件實物圖

這是一種內徑和豎桿外徑相等的半開口圓筒狀扣件，頂部正中設置可伸縮的棱鏡桿，扣件制作時采用精確機械加工，以保證扣件與豎桿緊密接觸。使用時，將其扣在吊裝組件豎桿上端頂部并用緊固螺栓固定，這時棱鏡桿軸線與定位設計點所在豎桿中軸線重合，從而棱鏡中心位于定位設計點所在豎桿中軸線的延伸線上。考慮到實際觀測時可能遇到障礙物影響通視，棱鏡桿設計為能在5～50cm范圍內拉伸的伸縮桿，定位時根據障礙物阻擋情況預先確定棱鏡桿長度d，以避開腳手架等障礙物遮擋。

3.3 吊裝與空間定位操作步驟

在施工現場根據實際情況確定棱鏡桿長度d，并安裝好反射棱鏡后，就可以實施吊裝組件定位工作了。由于觀測定位操作時間較長，為保證定位精度，觀測站均設置鋼筋混凝土強制對中觀測墩。塔式起重機將拼裝好的吊裝組件吊到相應位置后，首先對吊裝組件豎桿下端進行限位，使其對接在相對應的下層吊裝組件豎桿的頂部，這時豎桿上端即已基本到位（圖5）。

圖5 “海豚”頭部整體吊裝作業

然后觀測人員連續觀測安置在吊裝組件上端豎桿上的反射棱鏡，根據儀器所顯示的信息，指揮定位人員用手拉滑輪將組件頂部移動到設計位置。定位過程中角度和距離的偏差，通過對吊裝組件的前后、左右移動來調整。觀測點實測坐標與設計值的三維坐標差值反映了定位準確度。由于組件立桿底部已經到達設計位置，如果組件豎桿上部到達設計位置，則測量定位工作完成，可將吊裝組件下端焊牢，并將吊裝組件上端固定在混凝土塔樓或安裝平臺上，定位安裝工作即完成。

實際工作中，由于桿件加工、組裝、焊接過程中不可避免地存在誤差，使上下吊裝組件豎桿對接不會完全正確。事實上，吊裝組件在地面拼裝時，即使沒有任何定位誤差，定位完成后焊接處理不當，僅焊縫收縮引起的變形都可能達到幾厘米，而要在高空將重達數噸的吊裝單元定位到毫米不差，其難度可想而知。所以，要使定位精度完全達到理論上的要求，實際上是難以實現的。實踐中采用的作業辦法是：

（1）吊裝組件地面拼裝時，連接吊裝組件豎桿上下端口的斜桿暫不焊牢，使豎桿有一定移動自由度。

（2）吊裝時，若上下兩吊裝單元豎桿端口對接不上，通過手動滑輪施力，利用鋼管本身的韌性，強制移動吊裝單元，使上下豎桿端口完成對接。

（3）在此基礎上，再定位吊裝單元豎桿上端到設計位置。

實踐證明，按此作業方法，豎桿交點定位誤差在4cm以內時，均能順利實現對口連接，并且定位誤差不會逐層積累，不影響網殼外觀和往上各層的吊裝定位。

4 小結

嘉峪關氣象塔海豚狀網殼結構復雜，安裝定位難點很多，且無任何經驗可供借鑒。這一技術的成功應用，創造性地解決了安裝定位中的問題，使工程進展十分順利，達到了預期的目標。

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