正球體空間鋼結構測量定位要點及安裝新技術

李君 王粲 楊真

【摘要】鋼結構工程為三球相連，球體直徑39m，每球體按經度成20個等分，經緯軸線主要構件均為箱型結構，本次施工為球體構件原位支撐，空中分段組裝，構件支撐部分分為兩個部分，一部分為第一節弧形柱支撐，滿足球體下部結構的施工要求，第二部分為中心支撐架支撐，滿足球體上部北極圈的安裝定位要求，上下結構安裝定位完畢后，中間部分進行安裝合攏，穩定連接后，進行緯度聯系桿件的依次安裝，整體焊接完畢后卸載。通常正球體結構多為圓管結構，本次工程結構形式采用了箱型結構，安裝上相對于圓管難度有所提升。本次施工采用精準測量，原位支撐，分段組裝的施工技術，解決了施工區域狹小，施工場地無法進入大型起重機械，構架無法組裝安裝等難題，有效的提升了安裝的進度及降低了人工和機械成本，對于安裝質量的有效控制方面效果明顯。

【關鍵詞】空間鋼結構安裝;箱型結構;正球體;三球相連;支撐;合攏;卸載;測量定位

1、工程概述

本鋼結構工程主體為三個正球體相連結構，球體直徑為38.6m，內部中空無支撐結構，球體內部設有中心平臺及連橋在標高15.9m處球體橫向聯系桿件相連，球體底座與球體弧形柱為銷軸連接形式。每球體按20等分，每18°設置弧形鋼柱與頂部北極圈相互連接形成球體結構，橫向主聯系桿件為箱型結構，分別設置在6.9m、15.9m、22m標高處，其余次聯系桿件主要為圓管結構。三個球體結構用鋼量約為1620噸，每單體球用鋼量約為540噸，主要材質為Q345B及Q345GJ。弧形鋼柱截面主要為：BOX500×400×16mm，柱間箱型聯系桿件截面主要為：BOX600×400×16mm。

2、安裝方法及步驟

2.1 球體底座安裝

球體底座安裝角度為45°，安裝分兩次進行，首先對12根地腳螺栓進行安裝定位，待地腳螺栓部分一次灌漿完畢，混凝土凝固期滿后再進行底座安裝。球體底座安裝的難度首先是地腳螺栓的定位，再次才是球體底座的安裝定位。由于地腳螺栓定位過程中，所需測量數據較多，測量難度較大，很難準確的測量出各個螺栓的定位位置，為此制作了底座模型作為定位輔助工裝，有效的解決的地腳螺栓的安裝難度。同時也解決了底座的安裝難度，大大的提升了安裝效率。根據球體底座的安裝位置及其重量，起重方式采用了3噸叉車進行安裝，不僅降低了起重解決成本，同時也達到了構件快速轉運的作用。

2.2 球體一、二節柱與柱間聯系桿件安裝

球體柱間聯系桿件與球體弧形柱之間為焊接連接，安裝過程中，構件之間的無法避免吊裝過程中的碰撞，從而造成球體弧形的位置的移動，增加鋼柱位置誤差，若如此依次安裝將形成較大的累計誤差，為此參考鐵軌安裝的方法，制作了定距的卡尺，聯系桿件安裝完畢后，使用卡尺對柱間間距進行收緊。該方法在使用后進行數據復測，數據穩定，符合要求，有效的重復測量的復雜過程，有效的加快了安裝進度。

2.3 北極圈安裝

中心柱及支撐平臺通過計算后，承載能力及穩定性符合要求。北極圈安裝在支撐架平臺上，北極圈定位基準點投射在支撐架平臺上，平臺上設置5臺50噸薄型液壓千斤頂用以支撐北極圈，同時在二節柱加載完畢后，調整球體頂部標高的沉降。考慮到二節柱在安裝過程中與北極圈無法避免的碰撞，為確保北極圈的穩定性，在平臺上設置水平擋板和上限擋板，防止北極圈水平移動和上下移動。

2.4 球體二節柱吊裝

球體二節柱吊裝過程中主要考慮的是球體安裝過程中與中心支撐架之間的穩定性，如單根二節柱依次順序安裝，則會形成單側逐步加載，如此吊裝的過程中有整體結構失穩的風險，為規避該風險，球體二節柱吊裝按循環對稱吊裝的方法，結果顯示，不僅有效的規避了失穩的風險，也大大有效的加快了安裝進度。

2.5 球體鋼結構焊接順序

球體鋼結構為全焊接結構，柱間聯系桿件多達18層，在焊接過程中采取合理焊接順序，能夠有效的降低焊接應力。焊接順序實施為由上至下，逐層對稱焊接。

2.6 中心支柱卸載

球體整體焊接檢測完畢后，進行卸載，卸載前對頂部標高進行復測，卸載時5臺千斤頂同步緩緩泄壓，設置標尺及千分表同時監測卸載過程中數據的變化，卸載完畢后測量球頂下撓值與計算值進行對比。

3、球體鋼結構安裝技術控制要點

3.1 測量控制網的設置

本鋼結構工程為球體三維空間結構工程，考慮到安裝過程中對鋼結構定位測量的需要，對球體各控制點位的設置需要提前完成，各控制點主要為：球體中心點、一節柱軸線投影、一節柱端頭投影點、二節柱端頭投影點等。

3.2 球體弧形一節柱的測量定位方法

球體一節柱弧長18m，約為球體圓周的1/3，作為整個球體安裝基準，其空間定位的準確性要求較高，其定位點主要為：縱向及橫向中心偏差、柱端頭標高點、復測觀察點設置為柱頭外側翼板投影點，通過對中心及標高的測量對一節柱進行定位，通過柱頭外側投影點的復測，確定定位的準確性。

3.3 弧形球體北極圈的測量定位方法

頂部北極圈其定位主要為：構件組合件標高、水平、構件與二節柱中心點之間直線度。由于高度較高，測量環境并不理想，采取兩種測量方式符合來確定其標高，一種方法是通過水準儀結合盤尺的常規做法，第二種是通過激光測距儀將量程引下地面，在結合水準儀進行測量，兩種方式測量的結論復核，確定北極圈標高。

3.4 球體二節柱合攏測量定位方法

球體二節柱合攏關鍵在于北極圈與一節柱之間間距尺寸的準確性。為確保間距尺寸符合二節柱安裝及焊接的要求。此處的測量同樣通過兩種方式進行，一種是常規的使用盤尺進行測量，第二種是通過激光測距儀進行測量，兩種測量方式的測量數據進行復核，以確定測量數值。

3.5 球體間關聯數據的測量方法

球體之間關聯數據主要為：球體球心軸線的相互關系、球體弧形鋼柱切點之間的關聯尺寸。球體球心軸線的相互關系的測量方式是使用激光垂準儀將各球體球心點引至北極圈承載平臺，再將全站儀架設在平臺上部，對相鄰兩球體球心距離進行測量。球體弧形鋼柱切點之間的關聯尺寸是通過激光垂準儀對已安裝的弧形鋼柱切點進行投點，將實際切點投影點引入地面，與設計基準投影點進行比對，從而確定球體弧形鋼柱安裝誤差。

結語：

精準測量，原位支撐，分段組裝的施工技術，解決了施工區域狹小，施工場地無法進入大型起重機械，構架無法組裝安裝等難題，有效的提升了安裝的進度及降低了人工和機械成本，對于安裝質量的有效控制方面效果明顯。