鋼結構施工中采用輔助球面法求相貫線提高施工工效的方法探討

木向成 陳 勇 鄭利強

中交二航局第一工程有限公司

鋼結構施工中采用輔助球面法求相貫線提高施工工效的方法探討

木向成 陳 勇 鄭利強

中交二航局第一工程有限公司

目前在長江中上游大水位差碼頭系靠船設施結構設計中多采用多層鋼系纜平臺型式，而系船梁及鋼支撐多采用鋼管，鋼管下料精度不僅影響結構觀感和質量，而且影響工期。本文結合某碼頭鋼結構施工中采用輔助球面法求相貫線的方法，達到了提高施工工效的目的，現對該方法進行探討，希望可以對類似項目起借鑒作用。

鋼系纜平臺；輔助球面法；相貫線

1 工程概況

1.1 工程地理位置及規模

該工程位于鄂州市城區約15公里。工程新建5000t級(水工結構兼靠10000t級)多用途泊位泊位4個。

1.2 工程結構型式

碼頭平臺為高樁梁板結構，碼頭平臺長500m，寬30m，共68個排架，排架間距為8.0m，每榀排架采用4根鋼管樁和3根PHC樁。

碼頭平臺前沿設四層系靠船平臺，以滿足不同水位時船舶停靠的需要。最上層為碼頭面，以下三層均為鋼系纜平臺，鋼系纜平臺由鋼靠船立柱、鋼橫撐和鋼走道板組成。最上一層鋼系纜平臺橫撐頂標高為+19.9m，中間一層鋼系纜平臺橫撐頂標高為+15.5m，最底下一層鋼系纜平臺橫撐頂標高為+11.1m。

1.3 現場施工條件和施工時機

因長江水位在汛期及枯水期水位高程變化大，鋼結構施工最好時機為枯水期(一般為每年10月下旬至次年3月)。

由于罕見的超強等級厄爾尼諾事件，15年年底枯水期水位一直居高不下，對鋼結構搶水位施工帶來的壓力很大。

沉樁結束后及時安裝鋼靠船立柱，然后進行鋼平臺的施工，施工從最下一層鋼平臺往上搶水位施工，減少水位對鋼結構施工的影響，確保在一個枯水期完成所有鋼結構施工，避免二次進場增加施工成本。

2 鋼支撐安裝常規施工方法

2.1 施工方法

在沉樁形成部分排架后及時進行夾樁施工，保障樁基不再發生偏位。夾樁型鋼的搭設方法和搭設標高可以同時兼顧考慮后續上部結構橫梁的施工，本項目夾樁時兼顧考慮了搭設鋼鉆孔平臺和施工上橫梁，型鋼挑出碼頭前沿線1m。

夾樁后進行鋼靠船立柱的安裝，在夾樁型鋼上放樣出鋼靠船立柱的安裝線，靠船立柱安裝時進行吊鉛垂線確保吊裝的垂直度。

由于沉樁施工有樁位偏移誤差，為了確保鋼支撐的下料長度，需要測量人員配合實測出相鄰靠船立柱(或相鄰樁)之間的鋼系船梁(或橫撐)長度L，按以下操作進行施工：

(1)在鋼管樁上每根橫撐連接點搭設一個臨時平臺。

(2)由測量工測出橫撐頂標高位置。

(3)將鋼橫撐按整節進行下料，下料長度為L(L為實際A、B排架之間鋼橫撐長度)，吊裝前先將兩端的相貫線同一邊用氣割吹出60度坡口，并用角磨機打光。后將另一邊的相貫線卡住鋼管樁就位，再用25t汽車吊配合安裝(采用水平尺檢查)，方向正位，然后將相貫線端與鋼管樁進行點焊固定。安裝后的鋼橫撐應保持水平，軸線標高滿足設計圖紙的要求。

2.2 施工特點

1)需要配合的船機設備和測量人員較多；

2)鋼橫撐的長度均為現場手工量測，量測工作量大，量測精度受外界因素影響大，誤差大；

3)現場量測不便利，安全風險大。

4)因下料精度相對較差，焊接量大，工效相對低。

3 采用輔助球面法求相貫線的原因

1)傳統施工方法工效底，鋼支撐及早焊接使平臺樁基排架及快形成整體，利于嵌巖樁施工平臺更穩定，而且可以避免二次進場，降低施工成本。

2)系纜鋼平臺鋼管(鋼系船梁或鋼支撐)下料一般均是直接在現場量測下料，量測精度差，相貫線切割不精確，焊縫焊接量大，返工量大，觀感質量差，工效底，并且投入的人員設備相對較多，另外施工安全隱患也較大；

3)技術人員根據測量部門提供的每排架樁基偏位和斜度數據，在電腦上進行模擬制圖，采用輔助球面法求出鋼管上不同位置的相貫線點，連接成曲線后即為完整的相貫線，然后現場根據電腦制圖對應下料，期間人工配合現場量測復核，實現減少現場測量工作量，減少現場測量誤差，提高現場下料精度，提高施工工效的目的。

4 人工量測下料和電腦模擬制圖的方案對比

（見表1）

5 輔助球面法電腦成圖方法

5.1 理論依據

當球體(鋼靠船立柱)與一些旋成體(鋼支撐或鋼系船梁)相交，且球心位于旋成體的軸上時，其交線(即相貫線)為一垂直于旋成體軸線的圓。

兩圓柱軸線相交點O為圓心，適當長度R為半徑劃一輔助球(圖1)，球面與圓柱1的交線為P，球面與圓柱2的交線為Q，P、Q相交得兩點K，點K即是球面上的點，同時也是圓柱1、2柱面上的點，即點K三面共點，是公共點，是相貫線上的點。如果做一系列輔助球，便可得到一系列相貫點。

表1 方案比較分析表

輔助球面法求相貫線點

輔助球的大小是有限制的：當輔助球過大時，兩圓柱與球的交線P、Q沒有交點，也就無法找出相貫點；當輔助球過小時，得不到與圓柱2的交線Q，因而無法找出相貫點。Rmax為最大有效輔助球半徑，Rmin為最小有效輔助球半徑，只有在此范圍內所作的輔助球才起作用(見圖2)。

5.2 不同直徑圓柱相交用輔助球面法求相貫線的完整畫法

圖3、4中柱2可假設為鋼管樁或鋼靠船立柱，柱1假設為鋼橫撐或鋼系船梁，三面共點形成的曲線即為相貫線。其中圖3為鋼管樁為直樁時與鋼橫撐形成的相貫線，圖4為斜樁時與鋼橫撐形成的相貫線。最后直接用電腦標注相貫線上某些點相對X平面的距離s，施工隊伍按此對應放樣在鋼橫撐上，再形成光滑曲線，最后進行下料。

6 輔助球面法電腦成圖注意事項

由于鋼橫撐下料加工采用人工量測方法和憑施工經驗較多，采用電腦模擬制圖下料可借鑒的經驗較少，通過本項目的實施，總結了需要注意的事項如下：

1)施工前應進行詳細的技術交底，交底應透徹，使技術人員、施工人員對施工方法有充分的了解；

2)現場測量樁基偏位和斜度應在夾樁后進行，確保樁基在測量后不發生位移，確保測量精度；在現場用儀器測量樁基偏位時，樁頂及水面附件較為方便測量，樁基中間部位一般通過換算得出偏位和斜度，為確保精度，建議在條件具備時根據每層平臺高程進行測量；

3)進行電腦成圖的技術員應具備較強的CAD應用能力，并透徹理解制圖理論依據，充分掌握輔助球面法的原理，掌握制圖技巧，施工期間應通過人工量測的方法復核電腦成圖的精度，電腦成圖結果經復核無誤后再打印提供給施工隊伍。

7 實施效果

在本項目鋼結構施工中通過采用輔助球面法電腦成圖結合人工量測復核，達到了預期效果。整個碼頭鋼平臺施工工期提前了29天，有效的節省了施工成本。

8 結束語

通過電腦模擬成圖，使技術員在現場質量管理時不再單純依靠施工隊伍的經驗，而可以參與到施工過程的具體指導與管理；另外施工隊伍在此類施工中不再僅靠經驗盲目施工，而可以依照詳細的圖紙，不僅提高施工工效和施工質量，而且達到了節省成本的目的。

[1]《新編鈑金技術與展開計算實用手冊》；蔡強；2003.07

[2]《新編鈑金展開計算實用手冊》；梁紹華；2004.6.1