馬鞍山中心體育場屋面徑向大懸挑環(huán)梁鋼結(jié)構(gòu)的測量與施工

中鐵建工集團有限公司 上海 200331

1 工程概況

馬鞍山市體育中心位于馬鞍山市主城區(qū)和秀山新區(qū)之間，屬甲級大型體育建筑，主體育場看臺上覆蓋了鋼結(jié)構(gòu)罩棚，東西長297 m，南北長433 m，呈橢圓形，總建筑面積為62 044.59 m2，建筑高度47.517 m，座位席36 676個。東西兩側(cè)為4 層，北側(cè)為1 層，南側(cè)為3 層，上部為管桁架鋼結(jié)構(gòu)和金屬板及陽光板屋面（圖1）。

圖1 馬鞍山中心體育場外觀

體育場上部鋼結(jié)構(gòu)罩棚為徑向倒三角桁架雙層曲面網(wǎng)殼混合空間網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)屋蓋體系。由懸挑主桁架和內(nèi)環(huán)桁架、腰桁架及支撐體系組成，主懸挑桁架最大懸挑長度37 m，根部高度4 m；體育場北側(cè)由于無核心筒，罩棚由4 個樹形柱支撐。主伸臂桁架支承于下部混凝土核心筒頂，懸挑主桁架底部與筒體的側(cè)邊相連，樹形柱穿過1 層混凝土柱支承于基礎上。 屋面結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)梁、桁架、連接板和加勁板所用鋼材牌號均為Q345B，支撐主桁架的支座構(gòu)件、北側(cè)樹形柱及支撐采用Q345（GJB）。

2 測量主要內(nèi)容

測量主要內(nèi)容見表1。

表1 鋼結(jié)構(gòu)安裝測量要求

環(huán)境溫度的變化對結(jié)構(gòu)變形的影響非常復雜，很難精確地加以描述。在大型結(jié)構(gòu)的施工控制中，溫度影響可以分為兩種：一種是晝夜溫差的影響，另一種是季節(jié)溫差的影響。無論是晝夜溫差還是季節(jié)溫差對桁架標高控制均有較大影響，一般多選擇最接近季節(jié)平均溫度或常溫條件下進行測量。

晝夜溫差的影響一般在標高控制中亦多采用回避的做法，即對標高起控制作用的施工工序，均要求在溫度較均勻的凌晨日出前進行。但遇連續(xù)高溫的天氣情況，由于凌晨的溫度仍難均勻，溫度的影響難以完全避免，在此情況下，宜采用標高的修正公式來減少日照溫差的影響。

季節(jié)溫差的影響，應設定一個標準溫度，將施工過程中實際季節(jié)溫差對結(jié)構(gòu)的影響在施工控制計算中考慮。

3 平面控制網(wǎng)的建立

3.1 控制網(wǎng)的校核

按照國家一級水準量測要求，對土建施工中預先設定的基準點和軸線控制點坐標進行復核測量，確認高程和坐標的正確性[1]。

3.2 平面軸線控制網(wǎng)的測設

（a）確定統(tǒng)一的平面坐標系統(tǒng)：根據(jù)圖紙坐標設定，將所有鋼結(jié)構(gòu)圖面相對坐標，統(tǒng)一換算為大地坐標。

（b）平面控制點的布設：根據(jù)本工程的特點，分別對體育場設置控制點如圖2所示。

圖2 體育場鋼結(jié)構(gòu)安裝測量控制點布置

（c）在這些點上架設儀器，采用導線測設的方法觀測邊長和水平角，經(jīng)平差計算，得到主控制點的精確坐標，測量采取往返觀測，角度測量3 測回測定，在方格網(wǎng)的基線上，再按軸線間距對各軸線進行復測[2]。并根據(jù)現(xiàn)場實際情況，加密方格網(wǎng)。

3.3 軸線控制網(wǎng)的施測精度要求[3-6]

（a）軸線控制網(wǎng)精度要求：I、Ⅱ級平面控制網(wǎng)按一級導線測量的精度要求。角度采用方向觀測法，其主要技術(shù)要求，應符合表2的規(guī)定。

表2 方向觀測法主要技術(shù)要求

當采用全站儀測距時，應符合表3所列精度規(guī)定。

（b）平面控制網(wǎng)的具體施測辦法：按照平面軸網(wǎng)控制點的確立，首先測設橢圓形縱軸兩端和中間共4 個控制點，然后測設橢圓形橫軸的4 個控制點，最后測設剩余四角4 個控制點，按規(guī)范要求做好測量標石標志，在選擇好的點位上埋設。

表3 全站儀測距精度規(guī)定

3.4 工程測量定位特點和要求

（a）桁架地面拼裝定位要求高，要嚴格焊前、焊后的測量檢查制度。

（b）本工程為橢圓形，根據(jù)吊裝順序和土建交付工作面的安排，確定測量放線的先后次序，并根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)高空拼裝的特點，有針對性地制定細部量測方案。

4 高程控制網(wǎng)的建立

4.1 高程控制網(wǎng)的布設

利用土建結(jié)構(gòu)水準基準點，根據(jù)橢圓形結(jié)構(gòu)特征，在體育場場地內(nèi)外圈每隔50 m建立水準控制點，形成水準基點組，并進行閉合校準，閉合誤差應小于為測站數(shù)）。

每條水準路線以測段往返高差不符值計算，每千米水準測量高差的偶然中誤差MΔ和全中誤差MW（mm）為：

式中：Δ——水準路線測段往返高差不符值（mm）；

L——水準測段長度（mm）；

n——往返測的水準路線測段數(shù) 。

式中：W——閉合差；

L——計算各W時，相應的路線長度（km）；

N——附合路線或閉合路線環(huán)的個數(shù) 。

4.2 測設方法

由于本工程看臺結(jié)構(gòu)為不規(guī)則形狀，需要水準測量、三角高程測量2 種測量方法相結(jié)合，以滿足進度要求。水準測量測定高差的精度高，三角高程測量不受地形限制，施測速度快，本技術(shù)采用全站儀配合跟蹤桿量高程的方法，既減小了誤差，又結(jié)合了水準測量置站方便、量測精度高、速度快的特點。

4.3 水準測量的精度要求

測量儀器精度條件見表4；水準測量的施測要求見表5。

5 桁架拼裝的測量控制

5.1 測控步驟

表4 測量儀器精度要求

表5 水準測量施測要求

（a）桁架平面位置測設[7]：根據(jù)桁架的結(jié)構(gòu)幾何形狀，在圖上測定出地面的投影控制線，然后根據(jù)水平投影的相對坐標控制點，在拼裝場地內(nèi)測定出實際的地面投影控制線，并將各主要桿件的連接水平投影點作為控制點，測放完成后，利用極坐標法進行校核。

（b）胎架位置測設：采用圖上作業(yè)的方式，確定胎架的投影位置，反算為大地坐標后，利用全站儀精確定位胎架水平投影位置。待胎架搭設完畢后，調(diào)節(jié)所有胎架頂平，確定胎架桿件控制點標高，調(diào)整測量誤差。

（c）主構(gòu)件定位：首先定位桁架主桿件并吊裝安裝；然后測設主桿件間相對位置，臨時固定。

（d）腹桿定位：將腹桿放置定位并臨時固定，根據(jù)上下弦桿件及腹桿待拼件上的點位標記進行整體位置關系的測量并調(diào)整；桁架拼裝完成后，利用全站儀對桁架各節(jié)點進行復核調(diào)整；完成后，開始桁架焊接。

桁架拼裝精度要求見表6。

表6 桁架拼裝精度要求

5.2 拼裝胎架測量控制

根據(jù)胎架的布置方式和拼裝構(gòu)件的幾何特征，確定測量控制點及其控制坐標值→在胎架布置區(qū)域內(nèi)設置臨時水準點→在胎架布置區(qū)域內(nèi)設置平面控制網(wǎng)→利用水準測量法測設各控制點的高程值→利用全站儀測設各控制點的平面位置，確定各控制點的空間位置。

（a）拼裝主桁架胎架的控制：在每榀胎架放控制軸線，在CAD圖中標出軸線與桿件的位置關系。次桁架、徑向桁架、墻桁架都以此布設控制線（圖3）。

（b）首先用經(jīng)緯儀和盤尺放出胎架控制線。

（c）根據(jù)建立好的控制線，利用經(jīng)緯儀安裝胎架。

（d）拼裝桁架，在拼裝過程中，用經(jīng)緯儀對胎架和桁架進行監(jiān)測。

圖3 胎架軸線布設示意

（e）桁架控制節(jié)點標記示意見圖4。

圖4 節(jié)點標記

5.3 主桁架定位測量

主桁架高胎架定位V形撐時，先測出桁架的位置，（可測主桁架端頭或者V形撐與桁架相連位置坐標），在CAD中反算出V形撐底部位置。

（a）主桁架的定位：以支撐為標高基準，外側(cè)控制V形撐的設計位置，放定位軸線，內(nèi)側(cè)控制上懸桿兩端頭三維位置坐標（12 榀），見圖5；V形撐后補的外側(cè)與內(nèi)側(cè)都控制端頭上懸管中心的三維坐標（4榀），見圖6。

圖5 主桁架定位

圖6 V形撐后補懸管中心三維坐標

（b）徑向桁架控制兩側(cè)端頭位置坐標。

（c）次桁架、墻桁架、內(nèi)外環(huán)桁架鑲補到主桁架上。

（d）環(huán)形桁架空中定位，采用全站儀極軸法與投影法雙向校核。

5.4 環(huán)形桁架安裝測量

（a）利用工程軟件把要安裝主桁架、次桁架、環(huán)桁架的定位點三維坐標放出，利用全站儀將桁架的定位點用反射片貼在桁架兩端的（側(cè)面中心）端頭進去500 mm的位置上，分別為A、B、C、D桁架中間下弦桿上設置1 個觀測點E，作為校核觀測點及后續(xù)使用的沉降觀測點，其示意如圖圖7所示。

圖7 觀測點示意

（b）分別利用全站儀在控制點（加密控制點）上，并從鋼桁架上貼近反射片的地方，利用全站儀測出桁架的三維坐標是否重合，如是，最后固定，如不是，則需再次調(diào)整至重合為止。

（c）利用全站儀極軸法和投影法進行校核。

5.5 標高傳遞

根據(jù)土建提供的控制點坐標，利用軟件進行坐標轉(zhuǎn)換，在場內(nèi)轉(zhuǎn)移建立2 個控制點，利用全站儀對臨時支撐和結(jié)構(gòu)進行標高測量和控制。

6 安裝過程中的測量控制

6.1 樓面控制點位的布置

根據(jù)吊裝工序要求，本工程主桁架組合共分為29 片進行吊裝，故根據(jù)土建軸線控制體系，分別在樓面上設定每片桁架的投影控制點，并在樓地面作好標記。

6.2 桁架平直度的控制

以桁架下弦桿中心線水平投影線為控制依據(jù)，利用激光鉛直儀將地面控制點投測到高空安裝平臺上，然后在高空平臺上架設全站儀進行角度和距離測量，滿足精度控制要求后，分別架設儀器于主控制節(jié)點處，將中心線測設在每個測量平臺上，并用墨線標示。

6.3 下弦控制節(jié)點投測

參照體育場看臺土建軸線控制網(wǎng)，結(jié)合每片桁架的控制點，將桁架下弦投影到平臺上，找出投影線與軸線的交點，以此交點為準，控制每榀桁架的平直度。

6.4 桁架標高控制

若胎架在承重后沉降穩(wěn)定，即進行高程控制，在地面上架設水準儀，后視水準基點，采用鋼尺配S3水準儀，將標高傳送至胎架上，作好點位標志；選擇每分段節(jié)點左右兩邊下弦節(jié)點，分別投影在桁架中心投射線上，做好節(jié)點標志。

6.5 桁架垂直度觀測

桁架垂直度觀測采用平移法進行，首先將激光投測點向同一側(cè)平移約1.5 m，得兩平移點，在一平移點上架設經(jīng)緯儀，后視另一平移點，在桁架中間起拱處設立塔尺，用經(jīng)緯儀縱絲截面的讀數(shù)，與平移值比較，以此確定桁架跨中垂直度。

6.6 桁架撓度變形觀測

（a）桁架就位測量：臨時支撐上部設置支撐點，桁架吊裝就位后，通過三角高程測量，設定支撐點標高，根據(jù)圖紙標高要求，利用千斤頂進行微調(diào)。

（b）桁架安裝復測：桁架前后端定位點、平直度、標高測設完畢，將桁架臨時固定，用極坐標法進行二次復測，確保位置正確。

6.7 沉降觀測

拼裝過程中，拼裝胎架需要進行定期的沉降觀測，在已經(jīng)建成的混凝土柱子上找一個基準點，利用經(jīng)緯儀和水準儀進行沉降觀測，每周進行數(shù)據(jù)記錄和整理，數(shù)據(jù)整理完成后對胎架進行調(diào)整和修改。

6.8 溫度觀測

施工過程中，應根據(jù)溫度變化，對鋼結(jié)構(gòu)進行溫度觀測；觀測時間盡量選擇在6：00～9：00、16：00～19：00之間；每周監(jiān)測匯總整理1 次，進行數(shù)據(jù)對比和校驗。最后，根據(jù)溫度觀測所得數(shù)據(jù)，與第三方標準觀測數(shù)據(jù)進行對比后，來對吊裝進行調(diào)整。

7 結(jié)語

馬鞍山中心體育場通過科學的設定測量方案，對鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場拼裝測量、高空吊裝測量、鋼結(jié)構(gòu)合攏溫度、標高、軸線位置、卸載等的測量，控制了鋼構(gòu)件制作和安裝偏差，保證了整個屋面的拼裝和安裝質(zhì)量。該方法取得了良好的工程實效，順利確保了工程質(zhì)量。