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        曲面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)工程施工測(cè)量技術(shù)

        2021-09-27 03:10:54王登杰熊長(zhǎng)鑫
        經(jīng)緯天地 2021年4期
        關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)測(cè)量施工

        王登杰 王 巖 熊長(zhǎng)鑫

        (1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061;2.山東高速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司,山東 濟(jì)南 250013)

        0.引言

        大跨度鋼管桁架屋蓋作為一種曲面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)形式,在國(guó)內(nèi)外大型場(chǎng)館的建設(shè)中的應(yīng)用越來越多。由于此類工程在結(jié)構(gòu)上是空間曲面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu),施工過程中的空間結(jié)構(gòu)內(nèi)力與體系轉(zhuǎn)換后的空間結(jié)構(gòu)內(nèi)力相差十分懸殊,施工誤差及結(jié)構(gòu)變形對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度和安全穩(wěn)定作用具有重大影響。因此,如何通過準(zhǔn)確的施工測(cè)量降低安裝誤差,控制安裝精度,提高安裝質(zhì)量,是鋼管桁架結(jié)構(gòu)工程施工的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。

        在施工測(cè)量方面,鋼管桁架屋蓋結(jié)構(gòu)與一般混凝土結(jié)構(gòu)的方法不同,混凝土工程施工測(cè)量是在相對(duì)穩(wěn)定的施工作業(yè)面上進(jìn)行精密定位測(cè)量,而鋼管桁架屋蓋結(jié)構(gòu)施工定位,是在空中進(jìn)行三維跟蹤測(cè)量定位和精密測(cè)量連續(xù)歸化校正定位,通過不斷定位與調(diào)整,使每一段鋼管桁架精確定位,組成的每榀桁架位置正確、線形完美,并符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。因此,鋼結(jié)構(gòu)安裝的精密定位及測(cè)量校正技術(shù)是鋼結(jié)構(gòu)工程施工的重點(diǎn),也是施工測(cè)量的難點(diǎn)。同時(shí),曲面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的每榀桁架在不同結(jié)構(gòu)層上傾斜角與扭轉(zhuǎn)的方向都不相同,而且每榀桁架結(jié)構(gòu)之間也沒有規(guī)律可循,使得確定桁架結(jié)構(gòu)的定位數(shù)據(jù)計(jì)算過程非常繁瑣[2],給精密定位測(cè)量帶來大量?jī)?nèi)外業(yè)工作。特別是在地面上安置全站儀,在施工控制點(diǎn)上直接觀測(cè)到每榀桁架的端點(diǎn)(已知坐標(biāo)的放樣點(diǎn))是非常困難的。在實(shí)際的放樣過程中必須重新計(jì)算桁架上能看到的點(diǎn)(管桁架的上緣線或下緣線上的點(diǎn)),以現(xiàn)場(chǎng)能看到的點(diǎn)作為放樣點(diǎn),來進(jìn)行精密定位和測(cè)量校正。這樣給現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算放樣點(diǎn)的坐標(biāo)和傳統(tǒng)的定位測(cè)量帶來了許多的困難。

        傳統(tǒng)的測(cè)量方法,是采用極坐標(biāo)法確定放樣點(diǎn)的平面位置,利用水準(zhǔn)測(cè)量或三角高程測(cè)量方法來測(cè)量放樣點(diǎn)的高程。也就是在布設(shè)好的控制點(diǎn)上安置全站儀,采用空間三維極坐標(biāo)的方法,通過測(cè)設(shè)每節(jié)鋼桁架端點(diǎn)的坐標(biāo)來確定放樣點(diǎn)的位置。但是,由于鋼結(jié)構(gòu)施工場(chǎng)地狹小,對(duì)測(cè)量控制點(diǎn)間通視影響較大的特點(diǎn),這種傳統(tǒng)的測(cè)量方法很難保證相鄰控制點(diǎn)之間及控制點(diǎn)與放樣點(diǎn)之間的通視,使得傳統(tǒng)的測(cè)量方法在曲面鋼結(jié)構(gòu)施工測(cè)量及精密定位中無法應(yīng)用。為此我們提出了基于空間直線方程的歸化法放樣。

        1.高精度控制網(wǎng)的建立與快速加密

        施工測(cè)量主要是為工程建設(shè)提供技術(shù)成果和技術(shù)服務(wù)。施工測(cè)量的精度與質(zhì)量直接影響整個(gè)工程建設(shè)的安全和質(zhì)量[3]。根據(jù)曲面鋼結(jié)構(gòu)工程精密定位的要求,結(jié)合濟(jì)南市自行車比賽館實(shí)際情況,利用高精度的全站儀(TCR1200+)和精密電子水準(zhǔn)儀(Dini 12)建立了高精度的三維首級(jí)控制網(wǎng)(如圖1 所示),在比賽場(chǎng)館的中心設(shè)置一固定點(diǎn)為多邊形的中心點(diǎn),利用此中心點(diǎn)增加圖形強(qiáng)度和網(wǎng)形結(jié)構(gòu)。通過測(cè)量所有的邊長(zhǎng)和角度,形成邊角混合網(wǎng),使首級(jí)控制的精度達(dá)到二等三角網(wǎng)的技術(shù)要求,同時(shí)滿足曲面鋼結(jié)構(gòu)工程體系轉(zhuǎn)換時(shí)的變形測(cè)量要求。在每一個(gè)控制點(diǎn)上設(shè)置強(qiáng)制對(duì)中裝置,其高程采用Dini12 電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行精密水準(zhǔn)測(cè)量,使其精度達(dá)到國(guó)家二等水平測(cè)量技術(shù)要求[4]。濟(jì)南市自行車比賽館,在施工初期就建立了高精度的三維首級(jí)控制網(wǎng),它不僅是鋼結(jié)構(gòu)工程施工的首級(jí)控制網(wǎng),還是曲面鋼結(jié)構(gòu)工程變形測(cè)量的控制網(wǎng)。

        圖1 施工控制網(wǎng)

        由于受到施工條件和環(huán)境的限制,在施工放樣時(shí)需要快速加密控制點(diǎn)。以方便曲面鋼結(jié)構(gòu)的精密測(cè)量與定位??焖偌用芸刂泣c(diǎn)是利用全站儀(TCR1200+)的自由設(shè)站功能,通過后方交會(huì)法,可以靈活、快速加密施工控制點(diǎn)(如圖2 所示)。將全站儀安置在P 點(diǎn)上,觀測(cè)P 點(diǎn)至C1、C2、C3各方向的夾角γ1、γ2。根據(jù)已知點(diǎn)C1、C2、C3坐標(biāo),即可推算P 點(diǎn)坐標(biāo)。后方交會(huì)的計(jì)算工作量較大,計(jì)算公式很多,在此不再詳述。利用此加密控制點(diǎn)即可進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的施工放樣和精密定位工作。

        圖2 后方交會(huì)示意圖

        2.似水準(zhǔn)法高程測(cè)量

        曲面鋼結(jié)構(gòu)工程大部分是空中定位的,放樣的點(diǎn)離地面很高,受施工條件和施工環(huán)境的限制,傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量根本無法進(jìn)行,只能采用三角高程測(cè)量方法。傳統(tǒng)的三角高程測(cè)量方法,是將全站儀安置在控制點(diǎn)上,通過觀測(cè)儀器到放樣點(diǎn)的距離和豎直角度,來求得放樣點(diǎn)的高程[5]。

        式(1)中,D 為儀器到觀測(cè)點(diǎn)的水平距離;α 為豎直角;i為儀器高;v 為棱鏡高;hAC為A 點(diǎn)到C 點(diǎn)的高差。

        傳統(tǒng)的三角高程測(cè)量的方法,有以下不足:(1)由于是間接測(cè)量高程,即要量取儀器高還要測(cè)量棱鏡高,影響測(cè)量精度的因素多,帶來的測(cè)量誤差大,放樣點(diǎn)的測(cè)量精度低;(2)由于施工條件和周圍施工環(huán)境的影響,控制點(diǎn)上的全站儀很難看到放樣點(diǎn)上棱鏡,使高程測(cè)量常常無法進(jìn)行。為此,我們提出了似水準(zhǔn)法的高程測(cè)量。似水準(zhǔn)法高程測(cè)量,就是將全站儀安置的控制點(diǎn)(水準(zhǔn)點(diǎn))與放樣點(diǎn)之間的任意位置A 點(diǎn)上(只要A 點(diǎn)能與放樣點(diǎn)和任意控制點(diǎn)通視),通過測(cè)量?jī)x器到控制點(diǎn)C 的高差和儀器到放樣點(diǎn)P 的高差,利用控制點(diǎn)C的已知高程,即可得到放樣點(diǎn)P 的高程(如圖3 所示):

        圖3 似水準(zhǔn)法高程測(cè)量

        由式(2)可知,儀器到控制點(diǎn)C 的高差為hAC,則:

        式(2)中,Dc為儀器到控制點(diǎn)的水平距離;αc為儀器到控制點(diǎn)的豎直角;i為儀器高;vc為控制點(diǎn)C上的棱鏡高;dhac為儀器到控制點(diǎn)的高差讀數(shù),稱為“后視讀數(shù)”。

        同理,儀器到觀測(cè)點(diǎn)(放樣點(diǎn))P的高差為hAP,則:

        式(3)中,Dp為儀器到觀測(cè)點(diǎn)的水平距離;αp為儀器到觀測(cè)點(diǎn)的豎直角;i為儀器高;vp為觀測(cè)點(diǎn)上的棱鏡高;dhap為儀器到觀測(cè)點(diǎn)的高差讀數(shù),稱為“前視讀數(shù)”。

        由式(2)和式(3)得:

        由式(4)可知:當(dāng)控制點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)上的棱鏡高相同時(shí),即vc=vp時(shí),控制點(diǎn)C點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)P點(diǎn)的高差hCP=Dc·tgαc-Dp·tgαp=dhac-dhap,即高差=后視讀數(shù)-前視讀數(shù),與水準(zhǔn)測(cè)量相似,這就是似水準(zhǔn)法的計(jì)算公式。

        由式(4)可知:由控制點(diǎn)高程HC計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)高程HP時(shí),與全站儀的儀器高i值無關(guān)。觀測(cè)高差的精度只與儀器到控制點(diǎn)和觀測(cè)的距離和豎直角有關(guān),這與全站儀的測(cè)角精度和測(cè)距精度有直接聯(lián)系。如果采用測(cè)角精度為1",測(cè)距精度為1mm+1ppm 的TC1200+全站儀進(jìn)行觀測(cè),觀測(cè)距離不超過200m時(shí),其實(shí)測(cè)高差的精度可達(dá)到±2 mm以內(nèi)[6]。其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足鋼結(jié)構(gòu)工程施工放樣的要求。

        3.基于空間直線方程的歸化法放樣

        3.1 建立空間直線方程

        鋼結(jié)構(gòu)工程深化設(shè)計(jì)時(shí),給出的坐標(biāo)是每段管桁架結(jié)構(gòu)中每根鋼管兩端點(diǎn)的中心坐標(biāo)(即管軸線坐標(biāo)),根據(jù)此段鋼管的上、下兩端點(diǎn)的中心坐標(biāo),可以建立鋼管的中心線方程(如圖4所示):

        圖4 緣線上點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算

        3.1.1 建立計(jì)算模型

        鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí),施工放樣坐標(biāo)是由深化設(shè)計(jì)單位提供的每段管桁架中某根鋼管軸線兩端點(diǎn)的空間三維坐標(biāo),即A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo),分別為A(xA,yA,zA,)和B(xB,yB,zB,)(如圖5所示)。γ是鋼管軸線與XOY面的夾角,即鋼管的軸線與鋼管軸線在XOY面上的投影線A′P′的夾角;γ′是鋼管軸線在XOZ面上的投影與X軸的夾角;γ″是鋼管軸線在YOZ面上的投影與Y軸的夾角;α為鋼管軸線在XOY面上的投影與X軸正方向的夾角,即鋼管軸線AB的方位角;P為鋼管軸線上的任意一點(diǎn),離端點(diǎn)A的距離為l,R為鋼管的半徑。

        圖5 計(jì)算模型

        3.1.2 建立直線方程

        由圖5可知,xA、yA和tgγ′、tgγ″是此段鋼管中心線分別向XOZ面和YOZ面投影線的截距和斜率,由此,可歸納出鋼管中心線及在XOZ面和YOZ面投影線的空間直線方程為:

        式(5)中,l為鋼管軸線上任意一點(diǎn)P到A點(diǎn)的距離;對(duì)于每段鋼(管)桁架來說,α和γ是定值,式(5)即為鋼管軸線空間直線方程,它們是l的函數(shù)。當(dāng)給定一個(gè)P點(diǎn)后,l值即可確定,即可計(jì)算P點(diǎn)的坐標(biāo)(xP,yP,zP),用實(shí)測(cè)坐標(biāo)與計(jì)算坐標(biāo)比較,可以求得坐標(biāo)差(ΔxP,ΔyP,ΔzP),通過過渡點(diǎn)修正這一差值,將P點(diǎn)調(diào)整到正確的位置,使坐標(biāo)差為零,即可精確放樣P點(diǎn)的位置,經(jīng)過多次觀測(cè)、歸化、調(diào)整,得到P點(diǎn)的精確位置。

        在實(shí)際工程的測(cè)量時(shí),因?yàn)锳、B、P點(diǎn)位于鋼管的軸線上,是無法放置棱鏡。因此,在實(shí)際工程放樣時(shí),要將鋼管軸線上的點(diǎn)引到鋼管的上緣線或下緣線。上緣線上的P′點(diǎn)沿上緣線到A端上緣線點(diǎn)的距離為(l+R·tg)γ,下緣線上的P″點(diǎn)沿下緣線到A端的下緣線端點(diǎn)的距離為(l-R·tg)γ,則上緣線上P′點(diǎn)的坐標(biāo)(xP′,yP′,zP′)為:

        同理,可得下緣線上P″點(diǎn)的坐標(biāo)(xP″,yP″,zP″)為:

        式(6)和式(7)即為上緣線和下緣的空間直線方程。

        3.2 歸化法放樣測(cè)量

        鋼管桁架的精密定位是按照先放樣、后安裝、再測(cè)量調(diào)整的歸化法放樣程序進(jìn)行的[7],首先采用式(7)計(jì)算下緣線上特征點(diǎn)坐標(biāo),計(jì)算下緣線上A″、B″兩點(diǎn)的三維坐標(biāo),采用三維空間極坐標(biāo)法,將A″、B″兩點(diǎn)放樣在固定鋼管桁架結(jié)構(gòu)的臨時(shí)支架上,如果放樣的點(diǎn)位恰好不在支架上,此時(shí),可以在此處的臨時(shí)支架上焊一塊小鋼板(此鋼板能方便調(diào)整),將要放樣的點(diǎn)A″或B″測(cè)設(shè)在此鋼板上,精度滿足要求后并固定此鋼板。

        然后吊裝鋼管桁架結(jié)構(gòu)并進(jìn)行安裝,安裝時(shí)將鋼管桁架結(jié)構(gòu)上A″、B″兩點(diǎn)與放樣好的臨時(shí)支架上的A″、B″兩點(diǎn)對(duì)接,對(duì)接好后并臨時(shí)固定。然后通過測(cè)量鋼管桁架結(jié)構(gòu)(鋼管)上緣線上的A′、B′兩點(diǎn)的坐標(biāo),與計(jì)算的設(shè)計(jì)坐標(biāo)比較,求得坐標(biāo)差,根據(jù)A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)差,來進(jìn)行歸化調(diào)整鋼管桁架結(jié)構(gòu),使實(shí)測(cè)的A′、B′兩點(diǎn)的坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)一致。

        在放樣和校核測(cè)量過程中,當(dāng)看不到上緣線上的A′、B′時(shí)(此時(shí)下緣線上的點(diǎn)已經(jīng)無法看到),可以將棱鏡放到上緣線上的任意一點(diǎn)P′上,通過似水準(zhǔn)測(cè)量的方法,精確地測(cè)量出此點(diǎn)的高程zP′。將zP代入式(7)中的zP′坐標(biāo)計(jì)算公式,可反求出此點(diǎn)的l。然后。將l代入式(7)中,可求得此點(diǎn)的(xP′,yP′)與實(shí)測(cè)的(xP′,yP′)進(jìn)行比較。根據(jù)坐標(biāo)差進(jìn)行歸化與調(diào)整,直至坐標(biāo)差滿足要求為止。

        4.結(jié)束語(yǔ)

        本文創(chuàng)造性地提出了中間設(shè)站的三角高程測(cè)量和基于空間直線方程的歸化法放樣,很好地解決了施工放樣過程中測(cè)量與施工安裝相互干擾的矛盾,加快了施工放樣和測(cè)量校核的速度,提高了測(cè)量精度。經(jīng)工程竣工驗(yàn)收可知,采用本方法進(jìn)行施工測(cè)量,其平面放樣誤差平均±3.5mm,高程誤差平均±3.0mm。鋼桁架結(jié)構(gòu)安裝誤差均滿足允許誤差±3mm~±5mm要求[8]。

        在曲面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)施工測(cè)量及精密定位過程中,對(duì)部分在施工控制點(diǎn)能直接看到的特征點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量。對(duì)放樣的點(diǎn)進(jìn)行精密觀測(cè),實(shí)際觀測(cè)坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)比較,最大相差±1.0mm,高程最大相差±2.0mm。觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)中誤差為±0.69mm,高差中誤差為±0.83mm,均達(dá)到了亞毫米級(jí)的觀測(cè)精度。

        空間直線方程是將空間曲面鋼結(jié)構(gòu)工程的不規(guī)則性、多樣性、復(fù)雜性簡(jiǎn)化為由短直線組合而成。這與實(shí)際的空間曲面結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)計(jì)算略有不同,但這種差別與鋼桁架結(jié)構(gòu)的加工誤差相比,是可以忽略的。如果能將其歸化成曲線方程,其精度更高,與實(shí)際工程更接近,這正是我們以后研究的方向。

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