復(fù)雜異形鋼結(jié)構(gòu)精確定位與安裝技術(shù)*

陳 濤,劉 平,任燁軍,劉復(fù)磊,楊成龍

(1.中國建筑第五工程局有限公司,湖南 長沙 410004; 2.廣東中擎建設(shè)有限公司,廣東 廣州 510000)

1 工程概況

東莞市虎門TOD鋼結(jié)構(gòu)工程位于東莞市虎門高鐵站旁,無地下室,高鐵站東西橫穿本項目,基地東接白沙南路。首層采用混凝土板梁;2層樓面采用鋼梁上鋪設(shè)壓型板+鋼筋+混凝土樓板;整體罩棚主桁架為類似飄帶的雙扭結(jié)構(gòu);3層穹頂和外環(huán)構(gòu)架均采用鋼結(jié)構(gòu),并設(shè)置3個不規(guī)則旋轉(zhuǎn)樓梯。如圖1所示,東西長40.674m,南北長46.541m,占地面積約 1 500m2,施工高度15.197m,體量約850t。本工程在施工過程中以空間大跨、法向穹頂、遠(yuǎn)距離懸挑和彎扭雙曲面鋼結(jié)構(gòu)體系為主,是一種筒體多支撐的鋼結(jié)構(gòu)組合形式,預(yù)計用鋼量為1 000余t,鋼材質(zhì)設(shè)計為Q355B。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)三維模型(單位:m)

2 三維空間坐標(biāo)定位難點分析

2.1 鋼梁、鋼柱精準(zhǔn)定位

鋼柱是呈不同心圓的2個圓形布置的埋深基礎(chǔ)柱,均為圓管柱,共4種規(guī)格,埋深標(biāo)高不統(tǒng)一且對標(biāo)高與定位控制精度要求較高。鋼柱分布形式間接導(dǎo)致鋼梁交錯呈扇形不規(guī)則網(wǎng)狀相連,安裝角度復(fù)雜,其中梁與梁、柱與柱、梁與柱間的對接需利用模型和軸線繪制坐標(biāo)網(wǎng),根據(jù)三維坐標(biāo)值進(jìn)行精準(zhǔn)定位。鋼梁、鋼柱安裝時,若為箱形結(jié)構(gòu),則斷面要最大限度地保證管口對口精度,這在操作過程中具有很大難度。

本工程設(shè)置有單根跨度約12m的遠(yuǎn)距離懸挑梁,懸挑梁預(yù)起拱的設(shè)計提高了施工定位難度,需要設(shè)置大量支撐胎架,并需做好定期沉降監(jiān)測。同時,又涉及高空作業(yè),定位工作更加難以掌控。

2.2 不規(guī)則雙曲外部殼體桁架三維空間坐標(biāo)控制

鋼結(jié)構(gòu)外形整體是以雙曲線形式呈現(xiàn)且為雙曲線管桁網(wǎng)架,桿件主要為直縫高頻焊接管和無縫管熱彎成型,并采用地面胎架預(yù)拼裝后大塊體吊裝方式進(jìn)行安裝。在施工過程中,因桁架桿件跨度較大,整體結(jié)構(gòu)曲率也不斷變化,最終以不規(guī)則曲面形式呈現(xiàn),因此外部結(jié)構(gòu)桁架和節(jié)點精準(zhǔn)定位與安裝難度較大,其桿件加工與安裝精度必須保證在5mm以內(nèi)才能滿足要求。

經(jīng)過研究,決定采取工廠試拼裝解體后運輸至現(xiàn)場預(yù)拼裝,再按方案劃分的單元體吊裝空中合龍,并采用多點測量,全站儀進(jìn)行全過程測量監(jiān)測,以保證過程管控的精準(zhǔn)度。

2.3 法向球面穹頂測量與定位

頂部球面穹頂由400mm×100mm矩形管制作而成,存在拼接錯位現(xiàn)象,定位放線也是一大難點。拼裝坐標(biāo)定位是通過建立球面坐標(biāo)系,確定3個數(shù)值,即2個角度(x-y軸為角度定位,z軸為高度定位),1個距離。

2.4 旋轉(zhuǎn)樓梯制作放線與定位

外側(cè)和中庭分別設(shè)置2個寬1m和1個寬4m旋轉(zhuǎn)樓梯,樓梯梁全部為彎弧箱形梁。首先需要根據(jù)樓梯梁旋轉(zhuǎn)弧度繪制出每根梁弧線坐標(biāo)點,每根樓梯梁長度為35m左右,因為要體現(xiàn)弧形旋轉(zhuǎn)線條,每隔100mm左右需設(shè)置4個坐標(biāo)點,共需要設(shè)置500余處定位點,制作時需要用全站儀準(zhǔn)確投至鋼梁制作夾具上,然后將依據(jù)圖紙開好料的鋼板固定在夾具上,跟隨夾具形狀焊接成帶彎弧箱形梁。并確保整個制作精度控制在3mm以內(nèi),便于現(xiàn)場安裝不出差錯。樓梯梁制作工藝如圖2所示。

3 復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)精確定位與安裝技術(shù)分析

3.1 三維空間坐標(biāo)測量定位技術(shù)

梁、柱施工過程中,因立柱分布獨特、鋼梁連接多而復(fù)雜,外部殼體桁架呈雙曲面飄帶圍繞及球面穹頂弧形射線分布等特點。若在常規(guī)施工過程中,通過平面直角坐標(biāo)系進(jìn)行測量即可實現(xiàn),但在本工程施工中如果依然采用常規(guī)測量方法,將無法保證測量精度,施工質(zhì)量也如此。為確保工程順利施工,技術(shù)人員采用實時三維空間測量定位技術(shù),在計算機技術(shù)幫助下進(jìn)行輔助測量。技術(shù)人員需結(jié)合設(shè)計方案中已有定位坐標(biāo)建立模擬坐標(biāo)系,然后在模擬坐標(biāo)系中導(dǎo)入建筑模型參數(shù),通過計算機計算核驗,精準(zhǔn)計算出每個關(guān)鍵節(jié)點坐標(biāo)位置,最后設(shè)定其編號并進(jìn)行存儲(在定位時需用全站儀)。實時三維測量定位技術(shù)在應(yīng)用過程中具有以下優(yōu)勢。

1)此項技術(shù)可應(yīng)用于各種復(fù)雜部件測量且操作便捷,只需在虛擬坐標(biāo)系中輸入相應(yīng)建筑模型參數(shù)即可,可進(jìn)一步簡化復(fù)雜測量過程。同時,在測量時需利用全站儀保證測量精度,使測量效率大大提升。

2)實時三維測量定位技術(shù)在應(yīng)用過程中適應(yīng)性更強,且所需配套設(shè)備成本較低,故在一定程度上降低了建筑企業(yè)產(chǎn)生額外施工成本的風(fēng)險。

3)具有更高的自動化與智能化程度。因全站儀在測量過程中能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的自動計算并存儲測量結(jié)果,可進(jìn)一步降低測量人員工作壓力。

實時三維測量定位技術(shù)應(yīng)用過程如下。

1)建立控制網(wǎng) 技術(shù)人員需要在計算機軟件中建立虛擬測量空間,同時確認(rèn)坐標(biāo)原點,然后利用坐標(biāo)定位法進(jìn)行測量。

2)實施測量 為進(jìn)一步提高技術(shù)測量速度與精度,施工人員在安裝桿件前需研讀施工圖紙,為測量工作做好準(zhǔn)備,同時在需要安裝的桿件上進(jìn)行標(biāo)記與編號并存儲,在此基礎(chǔ)上利用三維模擬測量技術(shù)在計算機軟件模擬的空間中計算出具體坐標(biāo)值,將數(shù)據(jù)存儲至全站儀,在實際操作時工作人員只需要調(diào)出相應(yīng)編號即可。對不同控制點做必要安全防護(hù),技術(shù)人員通過平差計算后驗證最大點位數(shù)據(jù)誤差為2mm,邊長最大相對誤差為 1/22 000,定位精度符合施工要求。

因此,在實時三維空間測量定位技術(shù)支持下,各種復(fù)雜異形曲面鋼結(jié)構(gòu)造型建筑現(xiàn)場安裝定位精度可得到有效提高,進(jìn)而保證施工效率和質(zhì)量。

3.2 外部管桁架殼體腹桿相貫面旋轉(zhuǎn)就位技術(shù)

因整個外部為雙曲面殼體結(jié)構(gòu),在管桁架腹桿預(yù)拼裝過程中,通常采用單根桿件的吊裝方式,腹桿在與節(jié)點對位時,節(jié)點需要與腹桿進(jìn)行相貫面對位,施工人員必須調(diào)整桿件管孔進(jìn)行轉(zhuǎn)動。因此,為最大限度地避免腹桿在吊裝過程中出現(xiàn)桿件滑落情況,工人在吊裝時一般在近上弦節(jié)點腹桿的桿端處焊接定位板作為防滑裝置。雖極大程度上保證了吊裝安全,但還是會在一定程度上影響吊裝效率,使相貫面對位時間再次延長。而且施工結(jié)束后,工作人員還需切除防滑裝置并對該位置進(jìn)行打磨、涂刷,繼而會帶來一定施工強度影響,甚至存在影響施工工期的風(fēng)險。

為最大限度地提高施工效率和質(zhì)量,技術(shù)人員對管桁架腹桿安裝工藝進(jìn)行深入研究并實現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新。具體內(nèi)容為:技術(shù)人員將定位銷安裝在上、下弦桿定點處,在吊裝時將腹桿相貫口套在定位銷外,定位銷直接保留于桿件上且對鋼結(jié)構(gòu)自身幾乎無影響,也不存在影響后續(xù)美觀問題。經(jīng)工程實際驗證可知,此項技術(shù)不僅安全可靠,同時可實現(xiàn)多桿同步吊裝,因此,可有效提高施工效率,進(jìn)一步降低施工人員勞動強度,并免除后續(xù)切割、打磨工序;還可有效解決相貫面對位難題,故在鋼結(jié)構(gòu)定位安裝過程中具有實際指導(dǎo)意義。

4 超長空間彎扭結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝定位與安裝

4.1 整體外部結(jié)構(gòu)拼裝單元塊體劃分

依據(jù)方案和設(shè)計模型,對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域單元塊體合理劃分。單元塊體劃分如圖3所示。

圖3 外部結(jié)構(gòu)單元塊體劃分示意

首先應(yīng)考慮整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,其次考慮構(gòu)件分段部位對接時的精度控制難易程度,還需要考慮每個單元塊體整體自重,編制詳細(xì)的專項施工方案報審,依據(jù)方案計劃好吊裝設(shè)備站位和吊裝場地。

整個外部管桁架殼體安裝順序為:在對應(yīng)模型和圖紙設(shè)定的支撐胎架定位點安裝固定好格構(gòu)柱,然后按先底部后上部、先外部后內(nèi)部的施工順序,先將第1,2單元片體安裝固定,支撐胎架受力,再將與單元片體相連的所有懸挑梁安裝就位,監(jiān)測沉降位移數(shù)據(jù),確保無下?lián)献冃?然后按順時針方向安裝其他單元片體,最后進(jìn)行補檔合龍閉合。

4.2 對彎扭桿件坐標(biāo)值進(jìn)行復(fù)測

外圍結(jié)構(gòu)為彎扭鋼柱體系,其中彎扭桿件約200根,總重約380t,桿件長度約12m,每根桿件彎扭角為20°～52°,因該體系中彎扭桿件長短、傾斜角度差異較大,有些桿件甚至與地面傾斜角度接近20°,故在定位與安裝時難度較大。在進(jìn)行彎扭桿件安裝時,技術(shù)人員需采用全站儀多次測量安裝的最低位置并標(biāo)記十字線作為安裝控制線,同時精準(zhǔn)測量桿件中部多個點和頂部坐標(biāo),以此確認(rèn)彎扭桿件具體長度及曲度。

4.3 桿件預(yù)拼裝

預(yù)拼裝是國內(nèi)外常見的拼接方法,該方法有效降低了高空作業(yè)工作量,避免高空作業(yè)危險性并提高了施工人員作業(yè)安全性。施工人員需在拼裝前搭設(shè)胎架以保證胎架能夠承受桿件自重,然后分別吊裝兩端桿件放置至胎架上,并做好支撐。利用全站儀對鋼柱上、下兩端接口的4個端點及中部彎扭部分坐標(biāo)值進(jìn)行精準(zhǔn)測量,測量數(shù)據(jù)符合施工標(biāo)準(zhǔn)后,施工人員則需對鋼柱進(jìn)行定位焊接,此時必須保證2個人同時對稱焊接,以避免鋼柱在焊接過程中收縮變形,最大限度地保證桿件拼接精度,待定位焊接完成后方可進(jìn)行全程焊接。

4.4 超長空間彎扭結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝塊體吊裝方法

在超長空間彎扭結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝塊體安裝時,采用多點支撐胎架支承受力部位的方法。首先測量人員將設(shè)置的胎架支撐點引至相應(yīng)部位并做好明顯標(biāo)記;單元塊體起吊時利用纜風(fēng)繩穩(wěn)定,緩慢吊至設(shè)定部位,就位后觀測是否出現(xiàn)沉降,并調(diào)校至設(shè)定坐標(biāo)點;胎架完全受力后方可焊接固定部位,加強臨時固定措施后可松開吊鉤;復(fù)測各定位點是否在設(shè)定范圍,消除誤差并做好下一榀塊體合龍對接準(zhǔn)備。在卸載作業(yè)區(qū)域范圍內(nèi)禁止無關(guān)人員進(jìn)入,并且作業(yè)面雜物卸載前必須保證清理完畢,防止卸載過程中雜物墜落。支撐胎架安裝階段和卸載階段標(biāo)高對比如表1所示。不同測點下標(biāo)高差值曲線如圖4所示。

表1 支撐胎架安裝和卸載后標(biāo)高對比

圖4 不同測點下標(biāo)高差值曲線

由圖4可知,標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)高與安裝實測值相比最小相差0.01%,最大相差0.36%,整體呈略微抬升趨勢,最大處標(biāo)高抬升2.6cm。可見抬升距離和縮小比例均較小且數(shù)據(jù)結(jié)果吻合良好。當(dāng)安裝階段再次進(jìn)行復(fù)測后整體標(biāo)高呈回彈趨勢,如最大減小0.63%,局部測點標(biāo)高略微抬升,最大相差4.4cm。而卸載后實測值與標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)高相比整體趨勢略微增加,最大增長比例為1.27%,最大處標(biāo)高抬升7.6cm。卸載后復(fù)測得到整體呈回彈趨勢,標(biāo)高最大縮減比例為0.20%,最小為0.02%,可見卸載前后標(biāo)高影響較小。綜上可看出現(xiàn)場實測與標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)高相差均較小,故可反映多點支撐胎架支撐受力部位的方法可行。

5 結(jié)語

1)針對實時異形梁柱、外部雙曲面殼體桁架和球面穹頂?shù)娜S空間坐標(biāo)測量定位技術(shù),經(jīng)驗證,最大點位數(shù)據(jù)誤差為2mm,邊長最大相對誤差為1/22 000,現(xiàn)場安裝可有效提高定位精度且保證施工效率和質(zhì)量。

2)對外部管桁架殼體腹桿相貫面旋轉(zhuǎn)就位技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新,經(jīng)驗證,其可實現(xiàn)多桿同步吊裝。

3)針對超長空間彎扭結(jié)構(gòu)預(yù)拼裝塊體吊裝方法,經(jīng)多次實測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值最大處增加比例為1.27%且吻合良好,故該方法可行性較好且對實際施工具有一定技術(shù)指導(dǎo)意義。