復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)體高空吊裝定位技術(shù)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(zé)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(guān)氣象塔位于甘肅省嘉峪關(guān)市東湖風(fēng)景區(qū)，由裙樓和混凝土核心筒塔樓組成，塔樓外環(huán)繞鋼結(jié)構(gòu)“海豚”造型網(wǎng)殼。網(wǎng)殼總高度為95m，由2731根直徑18～24cm的鋼管對徑焊接而成。網(wǎng)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(gòu)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(gòu)成為網(wǎng)殼的一“層”，網(wǎng)殼底部通過預(yù)埋鋼板連接在裙樓頂部環(huán)梁上，網(wǎng)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(guān)氣象塔外形如圖1所示。

圖1 嘉峪關(guān)氣象塔外形

2 網(wǎng)殼安裝方案

為了提高作業(yè)效率，保證安裝精度和作業(yè)安全，盡量減少高空作業(yè)，網(wǎng)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(xiàn)場施工干擾等諸多因素，將鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼拆分成適當(dāng)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(jìn)行拼裝焊接。整個網(wǎng)殼由下而上逐層安裝，當(dāng)下層吊裝組件安裝到位并焊接牢固后，再進(jìn)行上一層組件的吊裝。網(wǎng)殼主體拆分的吊裝組件如圖2所示。

圖2 網(wǎng)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(shè)計值是構(gòu)成網(wǎng)殼的立桿、橫桿和斜桿中心線在連接處交點的三維坐標(biāo)。理論上講，定位時應(yīng)在吊裝組件設(shè)計點安置測量標(biāo)志，通過對標(biāo)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(zhǔn)。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(nèi)移動。

（2）觀測位于組件上端的測量標(biāo)志，用葫蘆鏈條移動組件上端，直至觀測坐標(biāo)等于設(shè)計坐標(biāo)。當(dāng)?shù)跹b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(wǎng)殼定位設(shè)計點是無法直接觀測到的。經(jīng)過文獻(xiàn)查閱，處理這種問題的一般思路是另行設(shè)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(biāo)來推算設(shè)計點坐標(biāo)。

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

（1）安裝操作平臺作業(yè)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(biāo)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(shè)計點與觀測點之間的空間幾何關(guān)系復(fù)雜而難以確定。

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

3.2 解決方法

要解決上述問題，設(shè)置觀測點的位置應(yīng)符合以下要求：

（1）觀測點與設(shè)計點之間的空間幾何關(guān)系簡單、精確。

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

（3）當(dāng)觀測點坐標(biāo)等于計算值時，設(shè)計點即已到達(dá)正確位置，無需由觀測點坐標(biāo)再推算設(shè)計點坐標(biāo)對比檢驗。

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

設(shè)吊裝組件豎桿上端定位交點設(shè)計坐標(biāo)為P1(x1,y1,z1)，豎桿下一交點設(shè)計坐標(biāo)為P2(x2,y2,z2)，設(shè)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(biāo)為Pi(xi,yi,zi)，可得：

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

如前所述，網(wǎng)殼安裝時首先將吊裝組件豎桿下端，對準(zhǔn)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(shè)計點已經(jīng)到位。觀測點計算坐標(biāo)值是采用吊裝組件豎桿設(shè)計方位角計算的，因此，當(dāng)觀測點坐標(biāo)等于計算值時，所在豎桿軸線空間方位角必等于設(shè)計值，從而軸線上的設(shè)計點必等于設(shè)計值。由此可簡單地根據(jù)觀測點坐標(biāo)等于計算值，來完成無法直接觀測的設(shè)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(jù)以上解決問題的思路，以及觀測標(biāo)志應(yīng)滿足的要求，結(jié)合工程實際情況，設(shè)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(nèi)徑和豎桿外徑相等的半開口圓筒狀扣件，頂部正中設(shè)置可伸縮的棱鏡桿，扣件制作時采用精確機(jī)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(shè)計點所在豎桿中軸線重合，從而棱鏡中心位于定位設(shè)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(shè)計為能在5～50cm范圍內(nèi)拉伸的伸縮桿，定位時根據(jù)障礙物阻擋情況預(yù)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(xiàn)場根據(jù)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(shè)置鋼筋混凝土強(qiáng)制對中觀測墩。塔式起重機(jī)將拼裝好的吊裝組件吊到相應(yīng)位置后，首先對吊裝組件豎桿下端進(jìn)行限位，使其對接在相對應(yīng)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(yè)

然后觀測人員連續(xù)觀測安置在吊裝組件上端豎桿上的反射棱鏡，根據(jù)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(shè)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(diào)整。觀測點實測坐標(biāo)與設(shè)計值的三維坐標(biāo)差值反映了定位準(zhǔn)確度。由于組件立桿底部已經(jīng)到達(dá)設(shè)計位置，如果組件豎桿上部到達(dá)設(shè)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(dāng)，僅焊縫收縮引起的變形都可能達(dá)到幾厘米，而要在高空將重達(dá)數(shù)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(dá)到理論上的要求，實際上是難以實現(xiàn)的。實踐中采用的作業(yè)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(qiáng)制移動吊裝單元，使上下豎桿端口完成對接。

（3）在此基礎(chǔ)上，再定位吊裝單元豎桿上端到設(shè)計位置。

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

4 小結(jié)

嘉峪關(guān)氣象塔海豚狀網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝定位難點很多，且無任何經(jīng)驗可供借鑒。這一技術(shù)的成功應(yīng)用，創(chuàng)造性地解決了安裝定位中的問題，使工程進(jìn)展十分順利，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

[1]CJJ8—99，城市測量規(guī)范[S].

[2]孔祥元，梅是義.控制測量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2002.

[3]李玉寶，曹智翔.大比例尺數(shù)值化測圖技術(shù)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2006.

[4]李青岳，陳永奇.工程測量學(xué)[M].北京:測繪出版社，1995.