雙曲線鋼冷塔安裝空間測量定位技術(shù)

秦嘉興

華電重工股份有限公司 新疆烏魯木齊 830000

隨著鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)和間接空冷技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔在性能、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)方面與鋼筋混凝土冷卻塔相比具有一定的優(yōu)勢，目前國內(nèi)已建成數(shù)座大型的鋼結(jié)構(gòu)空冷塔。這些已建成的鋼結(jié)構(gòu)空冷塔外形大部分為圓柱體加錐體結(jié)構(gòu)，而新疆華電哈密發(fā)電四期擴(kuò)建（2×350MW）熱電聯(lián)產(chǎn)工程鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔（以下簡稱鋼冷塔）立面外形為雙曲線型，鋼冷塔每層直徑均不相同，各層各球節(jié)點(diǎn)支座上下層不同心、位置不一致，每層結(jié)構(gòu)豎向方向均有向內(nèi)或向外的傾斜度，均不垂直于地面，造型復(fù)雜，安裝難度大，測量工作是鋼結(jié)構(gòu)安裝的關(guān)鍵技術(shù)工作之一，測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度直接影響整體鋼結(jié)構(gòu)的安裝質(zhì)量和進(jìn)度。常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)安裝采用測量儀器對結(jié)構(gòu)垂直度偏差及軸線位移觀測來進(jìn)行安裝質(zhì)量的控制，而該方法在本工程不適用，本工程我們采用全站儀對各層各球節(jié)點(diǎn)支座進(jìn)行空間定位測量的方法來進(jìn)行安裝質(zhì)量的控制[1]。

1 鋼冷塔概況

新疆華電哈密熱電四期擴(kuò)建項目鋼冷塔采用雙曲線雙層網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)，高度160 米，底部零米板處直徑142．3 米，喉部直徑92．7 米，出風(fēng)口直徑96．9 米，是目前國內(nèi)最高的雙曲線型鋼結(jié)構(gòu)空冷塔。鋼冷塔共分18 層，每層均由32 個倒三角形雙層桁架（以下簡稱鋼桁架）單元組成，全塔共576 個鋼桁架單元，各層各鋼桁架單元均通過焊接球連接成一個整體，形成一個雙層網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。

鋼桁架單元由焊接球及鋼管等鋼構(gòu)件焊接組合而成，鋼構(gòu)件全部散件運(yùn)輸?shù)桨惭b現(xiàn)場，在鋼冷塔安裝現(xiàn)場西側(cè)設(shè)置拼裝場進(jìn)行鋼桁架單元的組裝，組裝好的鋼桁架單元采用機(jī)械運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行安裝。

2 鋼冷塔的安裝精度要求

鋼冷塔每層由32 個三角形桁架單元組成，通過焊接球連接，平面為封閉的圓形。吊裝就位時，鋼管與焊接球?qū)影惭b，當(dāng)安裝定位偏差較大時，容易產(chǎn)生以下問題：①誤差累計導(dǎo)致各層無法完成合攏。②鋼管與焊接球連接面為球面，誤差過大會導(dǎo)致焊縫間隙過大而無法滿足質(zhì)量要求。

該結(jié)構(gòu)既不是傳統(tǒng)的管桁架結(jié)構(gòu)也不是傳統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，無規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，只能綜合各規(guī)范要求，按《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范GB50205-2001》表12．3．6 規(guī)定：支座中心偏移不大于30mm。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范GB50661-2011》第7．3．3：坡口組裝間隙超過表7．3．1 允許偏差規(guī)定但不大于較薄板厚度2 倍或20mm（取其較小值）時，可在坡口單側(cè)或兩側(cè)堆焊，使其達(dá)到規(guī)定的坡口尺寸要求。

為保證焊縫質(zhì)量，結(jié)合本工程實際情況，每榀鋼桁架安裝時定位必須準(zhǔn)確，安裝焊縫坡口間隙不能超過20mm；由于每層32 榀鋼桁架形成一個封閉的圓形，各層安裝還存在最終合攏問題，為保證每層順利合攏，合攏處支座中心累計偏差不大于20mm。這就要求采用的測量定位方法不光能保證單榀安裝的準(zhǔn)確性，還需消除累計誤差。

3 全站儀定位測量的優(yōu)點(diǎn)

常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)安裝采用測量儀器對結(jié)構(gòu)垂直度偏差程度及構(gòu)件中心相對軸線位移大小進(jìn)行測量來進(jìn)行安裝質(zhì)量的控制，但這種方法適用于外形立面垂直和具有控制點(diǎn)豎向引測條件的建構(gòu)筑物。本鋼冷塔外形立面為雙曲線型，各層立面均不垂直，塔身為網(wǎng)格狀，各節(jié)點(diǎn)懸空，無控制點(diǎn)豎向引測所需的平臺。常規(guī)的測量方法對本工程不適用。

利用全站儀進(jìn)行定位測量正好能解決此類問題，他具有以下優(yōu)點(diǎn)：①、全站儀測出的是控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)，采用大地坐標(biāo)系或施工坐標(biāo)系作為參照，不論結(jié)構(gòu)外形是否垂直于地面，他都能通過觀測其控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)值來檢測安裝質(zhì)量。②、全站儀測量無需進(jìn)行控制點(diǎn)豎向引測，直接將小棱鏡放置于控制點(diǎn)就可進(jìn)行觀測，只要對比控制點(diǎn)實測坐標(biāo)和設(shè)計坐標(biāo)就可檢測安裝質(zhì)量。③、全站儀測量精度高，常規(guī)的垂直度測量采用目測估算，全站儀測量結(jié)果采用數(shù)字顯示，且儀器本身誤差小。④、全站儀測量工序簡單，速度快；只需將儀器架設(shè)調(diào)整好對準(zhǔn)已置于控制點(diǎn)上小棱鏡中心就可以完成測量，無引測等其他工序，且全站儀視線良好，一個儀器架設(shè)位置能進(jìn)行多榀鋼桁架的觀察。⑤有利于消除累計誤差；每榀鋼桁架定位球的中心點(diǎn)都可以作為一個控制點(diǎn)，且該點(diǎn)的空間坐標(biāo)設(shè)計值很容易通過圖紙計算得出，安裝時利用全站儀對這些控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精確測量，與坐標(biāo)設(shè)計值進(jìn)行比對，根據(jù)比對結(jié)果來指導(dǎo)安裝校正；每榀鋼桁架均有控制點(diǎn)，能消除累計誤差，保證各層安裝順利合攏[2]。

4 鋼冷塔安裝空間定位測量技術(shù)

本工程選擇科力達(dá)KTS-462R4L 全站儀，單棱鏡距離測量達(dá)5Km，距離測量精度：有棱鏡2+2ppm，角度測量精度2″。本工程最高處測量距離約400 米，該全站儀測量精度完全滿足本工程要求。

全站儀測量定位方法就是將全站儀加設(shè)在控制網(wǎng)控制點(diǎn)上，對桁架安裝單元定位球中心點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測量，如下圖，分以下幾個步驟：

①、在鋼冷塔周邊建立施工測量控制網(wǎng)。

②、計算各層各桁架單元定位球中心點(diǎn)的設(shè)計坐標(biāo)。

③、在待安裝桁架單元定位球上標(biāo)記出上表面中心點(diǎn)。

④、安裝校正時對桁架單元定位球中心點(diǎn)進(jìn)行測量。

⑤、對比坐標(biāo)實測值與設(shè)計值，依據(jù)結(jié)果進(jìn)行校正固定。

4.1 在鋼冷塔周圍建立施工測量控制網(wǎng)

利用電廠內(nèi)已有的廠區(qū)測量控制點(diǎn)及設(shè)計圖紙，建立鋼冷塔施工測量控制網(wǎng)（如下圖），施工測量控制網(wǎng)由中心點(diǎn)（A0）及5 個連線基本呈正五邊形的控制點(diǎn)（A1-A5）組成，這五個控制點(diǎn)位置的選擇原則是：①、方便全站儀的架設(shè)。②、避開觀測障礙物及死角，能對整個鋼冷塔桁架單元進(jìn)行觀測。必要時可以設(shè)置臨時坐標(biāo)控制點(diǎn)輔助測量。

4.2 計算各層各桁架單元定位球中心點(diǎn)的設(shè)計坐標(biāo)

采用AutoCAD 軟件計算出每個節(jié)點(diǎn)球中心點(diǎn)空間（三維）設(shè)計坐標(biāo)，為全站儀定位測量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以一層鋼桁架定位節(jié)點(diǎn)球設(shè)計坐標(biāo)計算為例，①XY 向（平面）坐標(biāo)的獲?。捍蜷_AutoCAD 軟件（軟件版本無限制），按照設(shè)計圖紙?zhí)峁┑臄?shù)據(jù)，畫出中心點(diǎn)及32 條軸線；接著畫出一層鋼桁架頂部節(jié)點(diǎn)球中心位置整層鋼冷塔的外徑及內(nèi)徑；接著先畫出一個鋼桁架上表面桁架的平面圖，復(fù)制粘貼完成32 個鋼桁架的繪制，各桁架平面端部交點(diǎn)即定位球的中心點(diǎn)；利用坐標(biāo)標(biāo)注命令完成每個定位球的中心點(diǎn)平面坐標(biāo)的標(biāo)注，即X 向及Y 向坐標(biāo)值。②Z 向值的獲?。涸O(shè)計圖紙上已標(biāo)注了鋼桁架每層節(jié)點(diǎn)球中心的標(biāo)高，在一層球節(jié)點(diǎn)中心的標(biāo)高的基礎(chǔ)上加上一層節(jié)點(diǎn)球的半徑就得到該節(jié)點(diǎn)球上表面的標(biāo)高Z 值。這樣就完成了一層節(jié)點(diǎn)球上表面中心的空間設(shè)計坐標(biāo)（即XYZ 向坐標(biāo)）的計算。按此方法，依次完成各層球節(jié)點(diǎn)上表面中心的設(shè)計空間坐標(biāo)的計算。

4.3 在待安裝桁架單元定位球上標(biāo)記出上表面中心點(diǎn)

根據(jù)設(shè)計圖紙，雖然鋼桁架豎直方向存在傾斜角度，但鋼桁架上部桁架四個內(nèi)外弦節(jié)點(diǎn)球及內(nèi)外弦桿的中心均在同一平面，因此可以利用檢測尺、角尺等工具，依據(jù)設(shè)計圖紙圖示的鋼桁架上部桁架平面尺寸，找出待安裝桁架單元定位球上表面的中心點(diǎn)，然后用鐵錘及沖釘完成中心點(diǎn)的標(biāo)識。

4.4 安裝校正階段對鋼桁架單元定位球中心點(diǎn)進(jìn)行測量

吊裝鋼桁架單元就位后，利用鋼絲繩、手拉葫蘆等工具將鋼桁架吊裝單元臨時固定在下層或兩側(cè)已安裝固定完畢的鋼桁架單元上，安裝人員通過鋼桁架吊裝單元上的鋼爬梯到達(dá)上弦定位球，將小棱鏡對中桿端部對準(zhǔn)定位球中心點(diǎn)，調(diào)整小棱鏡角度，使小棱鏡上氣泡居中。用全站儀十字絲對住小棱鏡中心，完成坐標(biāo)測量。

4.5 對比坐標(biāo)實測值與設(shè)計值，依據(jù)結(jié)果進(jìn)行校正

將鋼桁架吊裝單元定位球中心點(diǎn)的坐標(biāo)實測值與設(shè)計值進(jìn)行對比，判斷定位節(jié)點(diǎn)球位置偏差情況，若偏差較大時，采用手拉葫蘆等工具進(jìn)行調(diào)整校正，當(dāng)各向（XYZ 向）值偏差在15mm 以內(nèi)且鋼管與焊接球安裝焊縫間隙小于20mm 時，將鋼桁架吊裝單元焊接固定，完成校正固定工作。

5 結(jié)語

大型結(jié)構(gòu)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)在安裝過程中的測量和空間定位，對結(jié)構(gòu)的成型及精度控制非常重要，本工程采用的全站儀空間定位測量控制方法，可以方便快捷的對整體結(jié)構(gòu)和單個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精確測量，加快了施工進(jìn)度，保證了工程質(zhì)量，該方法可以使用在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空間球體等結(jié)構(gòu)的安裝定位和后期的階段性驗收和變形監(jiān)測中，不僅提高了測量的數(shù)字化和自動化程度，還滿足了復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度要求。

[ 注釋]：

鋼冷塔：即主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)的間接空冷塔，常用于發(fā)電項目。

全站儀：即全站型電子測距儀（Electronic Total Station），是一種集光、機(jī)、電為一體的高技術(shù)測量儀器，是集水平角、垂直角、距離（斜距、平距）、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)。

AutoCAD：是Autodesk（歐特克）公司首次于1982 年開發(fā)的自動計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，用于二維繪圖、詳細(xì)繪制、設(shè)計文檔和基本三維設(shè)計，現(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為流行的繪圖工具。