高層建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的撓度測(cè)量

萬迪文，胡志堅(jiān)，孫艾林

（江西省峽江水利樞紐工程管理局，江西 南昌330046）

0 引言

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在自重、安裝誤差、外界荷載及銹蝕等不利因素影響下容易產(chǎn)生撓度形變。為確保安全，有必要在鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架總拼完成及屋面工程完成后進(jìn)行定期的撓度測(cè)量，對(duì)較關(guān)鍵且撓度值較大的部位采取腹桿、弦桿的檢查與加固等相應(yīng)預(yù)防與加固措施。

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架進(jìn)行撓度測(cè)量的方法主要有：水管連通器法、幾何水準(zhǔn)法、貼反射片法、傳感器法以及免棱鏡全站儀法等[1]。因峽江水利樞紐工程屋頂網(wǎng)架距地面高差為 30.3～32.5 m，對(duì)網(wǎng)架螺栓球或下弦桿進(jìn)行撓度測(cè)量一般的測(cè)量方法很難實(shí)現(xiàn)。如采用幾何水準(zhǔn)法實(shí)施觀測(cè)難度較大且精度不易保證，而采用水管連通器法、貼反射片法和傳感器法，則因屋頂網(wǎng)架撓度測(cè)量屬于懸高測(cè)量，會(huì)導(dǎo)致布置測(cè)點(diǎn)難度較大且成本較高。在峽江水利樞紐工程屋頂網(wǎng)架懸高測(cè)量中我們使用免棱鏡TCR全站儀，它具有的優(yōu)點(diǎn)有：①全站儀照準(zhǔn)觀測(cè)時(shí)，可發(fā)射激光可見光斑，提高了在較密集的螺栓球中找尋觀測(cè)點(diǎn)的精確性；②全站儀無需在鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架螺栓球測(cè)量點(diǎn)上擺放棱鏡，解決了高層建筑網(wǎng)架懸高測(cè)量難以布置反射片、棱鏡等觀測(cè)點(diǎn)的困難；③本工程使用的TCR400系列全站儀測(cè)角精度為2＂，測(cè)距精度為3 mm+2 ppm，最大測(cè)程80 m，可滿足網(wǎng)架撓度測(cè)量精度要求。同時(shí)為盡量減小測(cè)量誤差，引高程控制點(diǎn)至廠房上下游門機(jī)的行走機(jī)構(gòu)操作平臺(tái)上，可減小全站儀至網(wǎng)架測(cè)量點(diǎn)的測(cè)程。

1 工程概況

江西省峽江水利樞紐工程位于贛江中游峽江縣上游河段，是一座以防洪、發(fā)電、航運(yùn)為主，兼顧灌溉等綜合利用的大型水利樞紐工程。樞紐總體布置從左到右為船閘、門庫段、泄水閘、廠房，左右壩頭采用混凝土重力壩連接。主廠房和安裝間鋼屋架屋頂覆蓋面積為9 486 m2，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。網(wǎng)架覆蓋面積為4 743 m2，網(wǎng)架耐火等級(jí)二級(jí)，耐火極限為1.5 h。網(wǎng)架荷載（標(biāo)準(zhǔn)值）：屋面恒載為0.5 kN/m2，活載為 0.50 kN/m2，基本風(fēng)壓為 0.30 kN/m2，基本雪壓為0.35 kN/m2（地面粗糙度為A類），下弦靜載為0.2 kN/m2。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式為正放四角錐螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架，下弦柱點(diǎn)支撐，上下弦網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間距均為2.4 m×2.4 m，順?biāo)鞣较蜃畲罂缍葹?6.2 m，垂直水流方向最大跨度為11.7 m，網(wǎng)架矢高9.2 m。主廠房鋼屋架屋頂高程 62.0 m（黃海高程，下同），廠房室外地面高程 38.7 m，網(wǎng)架高程 69.0～71.2 m。

2 施測(cè)過程

2.1 高程控制測(cè)量

本工程在鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架右側(cè)約200 m處有水利乙級(jí)坐標(biāo)控制點(diǎn)，在網(wǎng)架周邊場(chǎng)地內(nèi)以約20 m的間距布設(shè)高程控制點(diǎn)，并使用全站儀按二等水準(zhǔn)測(cè)量要求組成水準(zhǔn)網(wǎng)對(duì)水利乙級(jí)高程控制點(diǎn)進(jìn)行引測(cè)。鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架拼裝及屋面工程完成后，進(jìn)行撓度變形觀測(cè)。開始觀測(cè)前，需要先對(duì)引出的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，再用全站儀測(cè)量各基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)和兩點(diǎn)之間的距離、高差，然后進(jìn)行撓度變形觀測(cè)點(diǎn)的測(cè)量。嚴(yán)密平差計(jì)算場(chǎng)內(nèi)控制點(diǎn)的高程，確?？刂泣c(diǎn)高程誤差小于《建筑物變形測(cè)量規(guī)范》中所要求變形點(diǎn)單程高差觀測(cè)中誤差±0.7 mm。

2.2 網(wǎng)架撓度觀測(cè)

TCR全站儀在網(wǎng)架周邊自由設(shè)站，在高程控制點(diǎn)上設(shè)置棱鏡后，檢測(cè)控制點(diǎn)的高程無誤（檢測(cè)值與已知值之差小于±2 mm）后進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的撓度觀測(cè)。本工程網(wǎng)架撓度觀測(cè)以網(wǎng)架下弦螺栓球的底部為照準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)。在撓度測(cè)量時(shí)，將全站儀的激光束對(duì)準(zhǔn)網(wǎng)架下弦螺栓球底部，正倒鏡觀測(cè)1測(cè)回，得到下弦螺栓球底部高程，并將撓度觀測(cè)點(diǎn)號(hào)與詳細(xì)位置繪制草圖記錄于觀測(cè)專用記錄本上。本工程網(wǎng)架撓度的觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)于網(wǎng)架施工平面圖的樁號(hào)、位置見圖1，圖中數(shù)字編號(hào)表示對(duì)螺栓球施測(cè)的順序。為確保免棱鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度，要求觀測(cè)點(diǎn)垂直角大于45°。為盡量減小測(cè)量誤差，本工程引高程控制點(diǎn)至廠房上下游門機(jī)的行走機(jī)構(gòu)操作平臺(tái)上，將全站儀架設(shè)在足夠穩(wěn)定的鋼平臺(tái)上，風(fēng)荷載可以忽略不計(jì)，同時(shí)觀測(cè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)視距盡量不大于30 m。

圖1 網(wǎng)架觀測(cè)點(diǎn)布置圖

3 網(wǎng)架撓度值計(jì)算

依據(jù)《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》JGJ7-91的規(guī)定：用作樓層的網(wǎng)架，撓度控制在短向網(wǎng)架跨度的1/300；用作屋蓋的網(wǎng)架，其撓度控制在短向網(wǎng)架跨度的1/250。本工程屬于用作屋蓋的網(wǎng)架，順?biāo)鞣较蜃畲罂缍葹?16.2 m，垂直水流方向最大跨度為 11.7 m。依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50205-2001規(guī)定及本工程招標(biāo)文件要求：鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架總拼完成后及屋面工程完成后，承包人應(yīng)分別測(cè)量網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的撓度值，其實(shí)測(cè)最大撓度值應(yīng)不超過相應(yīng)設(shè)計(jì)值（短向網(wǎng)架跨度的1/250）的 1.15 倍。

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架進(jìn)行撓度測(cè)量后，將網(wǎng)架下弦螺栓球底部中心三維坐標(biāo)dat數(shù)據(jù)文件調(diào)入南方CASS成圖軟件平臺(tái)，繪制生成網(wǎng)架順?biāo)鞣较蚝痛怪彼鞣较蚩缍鹊南孪衣菟ㄇ虻撞恐行母叱虜嗝鎴D。參照本工程 “網(wǎng)架施工平面圖”、“網(wǎng)架下弦布置圖”、“網(wǎng)架配料單”以及“球節(jié)點(diǎn)劈面尺寸數(shù)據(jù)”等圖紙資料，逐點(diǎn)計(jì)算出網(wǎng)架下弦螺栓球底部中心的高程。再由繪制的網(wǎng)架縱、橫向下弦螺栓球底部中心高程斷面圖和下弦螺栓球中心高程設(shè)計(jì)值，計(jì)算網(wǎng)架兩支承間下弦各節(jié)點(diǎn)的撓度值，并結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架撓度的控制指標(biāo)判斷網(wǎng)架結(jié)構(gòu)撓度值較大的部位。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)通常都比較復(fù)雜，對(duì)其撓度變形的觀測(cè)分為水平網(wǎng)架和斜面網(wǎng)架兩種形式。

3.1 對(duì)水平網(wǎng)架進(jìn)行撓度分析的撓度值計(jì)算

本工程水平網(wǎng)架主要在順?biāo)鞣较颍畲罂缍葹?6.2 m。對(duì)水平網(wǎng)架進(jìn)行撓度值計(jì)算時(shí)，根據(jù)實(shí)測(cè)的網(wǎng)架下弦螺栓球底部中心高程值，找出最大高程值點(diǎn)，再以該點(diǎn)高程的水平面為基準(zhǔn)面，計(jì)算出整個(gè)水平網(wǎng)架下弦螺栓球各節(jié)點(diǎn)的撓度值。本工程以圖1中順?biāo)鞣较驂慰v538.6軸為例，縱向下弦螺栓球底部中心高程斷面圖如圖2，圖中縱坐標(biāo)表示黃海高程，橫坐標(biāo)表示壩縱538.6軸順?biāo)鞣较?。本網(wǎng)架順?biāo)鞣较蜃畲罂缍葹?16.2 m，設(shè)計(jì)撓度值為 64.8 mm，最大允許撓度值為74.52 mm。根據(jù)圖2數(shù)據(jù)中顯示，壩縱538.6軸順?biāo)鞣较蜃畲蟾叱虨?70.18 m，最小高程為 70.15 m，以最大高程為基準(zhǔn)面，則最大撓度值為30 mm，故網(wǎng)架壩縱538.6軸撓度值滿足要求。本工程對(duì)圖1中18個(gè)順?biāo)鞣较蜉S的撓度值進(jìn)行測(cè)量，其中最小撓度值為4 mm，最大撓度值為38 mm，均符合規(guī)范要求。

圖2 壩縱538.6軸螺栓球底部高程斷面圖

3.2 對(duì)斜面網(wǎng)架進(jìn)行撓度分析的撓度值計(jì)算

本工程斜面網(wǎng)架主要在垂直水流方向，最大跨度為11.7 m。對(duì)斜面網(wǎng)架進(jìn)行撓度值計(jì)算時(shí)，先將需計(jì)算跨度的斜面網(wǎng)架投影至網(wǎng)架設(shè)計(jì)最低高程水平面或自由選取的基準(zhǔn)面（本工程選取主梁梁頂高程65.0 m作為基準(zhǔn)面），依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙資料計(jì)算出斜面網(wǎng)架上各下弦螺栓球底部中心與基準(zhǔn)面的高差值，再由實(shí)測(cè)高程值減去基準(zhǔn)面高程值，兩者的差值即為斜面網(wǎng)架上各下弦螺栓球底部中心的撓度值。以圖1中垂直水流方向壩橫24.20軸為例，橫向下弦螺栓球底部中心高程斷面圖如圖3，圖中縱坐標(biāo)表示黃海高程，橫坐標(biāo)表示壩橫24.20軸垂直水流方向。本網(wǎng)架垂直水流方向最大跨度為 11.7 m，設(shè)計(jì)撓度值為 46.8 mm，最大允許撓度值為53.82 mm。撓度值計(jì)算以圖3中最右測(cè)點(diǎn)為例，該點(diǎn)設(shè)計(jì)高程距離主梁梁頂高差為8.35 m，實(shí)測(cè)高程為73.358 m，實(shí)測(cè)點(diǎn)與梁頂高差為 8.358 m，則撓度值為 8 mm。本工程對(duì)圖1中8個(gè)垂直水流方向軸的撓度值進(jìn)行測(cè)量，其中最小撓度值為6 mm，最大撓度值為36 mm，均符合規(guī)范要求。

圖3 壩橫24.20軸螺栓球底部高程斷面圖

4 結(jié)語

面對(duì)高層建筑網(wǎng)架結(jié)構(gòu)撓度測(cè)量存在的觀測(cè)難度較大、精度不易保證、成本控制、安全保證等實(shí)際問題，本工程經(jīng)過方案比選和科學(xué)組織，使用TCR全站儀進(jìn)行測(cè)量，取得了高效、經(jīng)濟(jì)和精確的效果，對(duì)相類似的高層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和橋梁的撓度測(cè)量具有參考作用。為真實(shí)反映鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架工程的穩(wěn)定性和安全性，測(cè)量過程中應(yīng)本著精益求精的原則，認(rèn)真做好儀器檢驗(yàn)率定及如實(shí)記錄觀測(cè)結(jié)果。在科技高速發(fā)展的時(shí)代里，對(duì)測(cè)量的精確度要求也隨之更高。通過本次測(cè)量實(shí)例，要求掌握測(cè)量與相關(guān)專業(yè)的高新技術(shù)，努力拓展工程測(cè)量的應(yīng)用范疇。對(duì)實(shí)際工程中測(cè)量難度較大的，應(yīng)充分利用先進(jìn)的儀器和測(cè)量方法，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的測(cè)量精度要求，以有效解決工程實(shí)際問題。

［1］楊愛萍，蒙志超.鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架屋面工程撓度測(cè)量探討［J］.地礦測(cè)繪，2008， 24（1）： 36～38.