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

中鐵建工集團(tuán)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(jí)大型體育建筑，主體育場(chǎng)看臺(tái)上覆蓋了鋼結(jié)構(gòu)罩棚，東西長(zhǎng)297 m，南北長(zhǎng)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(gè)。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(yáng)光板屋面（圖1）。

圖1 馬鞍山中心體育場(chǎng)外觀

體育場(chǎng)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(zhǎng)度37 m，根部高度4 m；體育場(chǎng)北側(cè)由于無(wú)核心筒，罩棚由4 個(gè)樹(shù)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(shù)形柱穿過(guò)1 層混凝土柱支承于基礎(chǔ)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(hào)均為Q345B，支撐主桁架的支座構(gòu)件、北側(cè)樹(shù)形柱及支撐采用Q345（GJB）。

2 測(cè)量主要內(nèi)容

測(cè)量主要內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 鋼結(jié)構(gòu)安裝測(cè)量要求

環(huán)境溫度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響非常復(fù)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(wú)論是晝夜溫差還是季節(jié)溫差對(duì)桁架標(biāo)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(jìn)行測(cè)量。

晝夜溫差的影響一般在標(biāo)高控制中亦多采用回避的做法，即對(duì)標(biāo)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(jìn)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(biāo)高的修正公式來(lái)減少日照溫差的影響。

季節(jié)溫差的影響，應(yīng)設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度，將施工過(guò)程中實(shí)際季節(jié)溫差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響在施工控制計(jì)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(guó)家一級(jí)水準(zhǔn)量測(cè)要求，對(duì)土建施工中預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)和軸線控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)核測(cè)量，確認(rèn)高程和坐標(biāo)的正確性[1]。

3.2 平面軸線控制網(wǎng)的測(cè)設(shè)

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

（b）平面控制點(diǎn)的布設(shè)：根據(jù)本工程的特點(diǎn)，分別對(duì)體育場(chǎng)設(shè)置控制點(diǎn)如圖2所示。

圖2 體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)安裝測(cè)量控制點(diǎn)布置

（c）在這些點(diǎn)上架設(shè)儀器，采用導(dǎo)線測(cè)設(shè)的方法觀測(cè)邊長(zhǎng)和水平角，經(jīng)平差計(jì)算，得到主控制點(diǎn)的精確坐標(biāo)，測(cè)量采取往返觀測(cè)，角度測(cè)量3 測(cè)回測(cè)定，在方格網(wǎng)的基線上，再按軸線間距對(duì)各軸線進(jìn)行復(fù)測(cè)[2]。并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，加密方格網(wǎng)。

3.3 軸線控制網(wǎng)的施測(cè)精度要求[3-6]

（a）軸線控制網(wǎng)精度要求：I、Ⅱ級(jí)平面控制網(wǎng)按一級(jí)導(dǎo)線測(cè)量的精度要求。角度采用方向觀測(cè)法，其主要技術(shù)要求，應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2 方向觀測(cè)法主要技術(shù)要求

當(dāng)采用全站儀測(cè)距時(shí)，應(yīng)符合表3所列精度規(guī)定。

（b）平面控制網(wǎng)的具體施測(cè)辦法：按照平面軸網(wǎng)控制點(diǎn)的確立，首先測(cè)設(shè)橢圓形縱軸兩端和中間共4 個(gè)控制點(diǎn)，然后測(cè)設(shè)橢圓形橫軸的4 個(gè)控制點(diǎn)，最后測(cè)設(shè)剩余四角4 個(gè)控制點(diǎn)，按規(guī)范要求做好測(cè)量標(biāo)石標(biāo)志，在選擇好的點(diǎn)位上埋設(shè)。

表3 全站儀測(cè)距精度規(guī)定

3.4 工程測(cè)量定位特點(diǎn)和要求

（a）桁架地面拼裝定位要求高，要嚴(yán)格焊前、焊后的測(cè)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(cè)量放線的先后次序，并根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)高空拼裝的特點(diǎn)，有針對(duì)性地制定細(xì)部量測(cè)方案。

4 高程控制網(wǎng)的建立

4.1 高程控制網(wǎng)的布設(shè)

利用土建結(jié)構(gòu)水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)，根據(jù)橢圓形結(jié)構(gòu)特征，在體育場(chǎng)場(chǎng)地內(nèi)外圈每隔50 m建立水準(zhǔn)控制點(diǎn)，形成水準(zhǔn)基點(diǎn)組，并進(jìn)行閉合校準(zhǔn)，閉合誤差應(yīng)小于為測(cè)站數(shù)）。

每條水準(zhǔn)路線以測(cè)段往返高差不符值計(jì)算，每千米水準(zhǔn)測(cè)量高差的偶然中誤差MΔ和全中誤差MW（mm）為：

式中：Δ——水準(zhǔn)路線測(cè)段往返高差不符值（mm）；

L——水準(zhǔn)測(cè)段長(zhǎng)度（mm）；

n——往返測(cè)的水準(zhǔn)路線測(cè)段數(shù) 。

式中：W——閉合差；

L——計(jì)算各W時(shí)，相應(yīng)的路線長(zhǎng)度（km）；

N——附合路線或閉合路線環(huán)的個(gè)數(shù) 。

4.2 測(cè)設(shè)方法

由于本工程看臺(tái)結(jié)構(gòu)為不規(guī)則形狀，需要水準(zhǔn)測(cè)量、三角高程測(cè)量2 種測(cè)量方法相結(jié)合，以滿足進(jìn)度要求。水準(zhǔn)測(cè)量測(cè)定高差的精度高，三角高程測(cè)量不受地形限制，施測(cè)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(zhǔn)測(cè)量置站方便、量測(cè)精度高、速度快的特點(diǎn)。

4.3 水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求

測(cè)量?jī)x器精度條件見(jiàn)表4；水準(zhǔn)測(cè)量的施測(cè)要求見(jiàn)表5。

5 桁架拼裝的測(cè)量控制

5.1 測(cè)控步驟

表4 測(cè)量?jī)x器精度要求

表5 水準(zhǔn)測(cè)量施測(cè)要求

（a）桁架平面位置測(cè)設(shè)[7]：根據(jù)桁架的結(jié)構(gòu)幾何形狀，在圖上測(cè)定出地面的投影控制線，然后根據(jù)水平投影的相對(duì)坐標(biāo)控制點(diǎn)，在拼裝場(chǎng)地內(nèi)測(cè)定出實(shí)際的地面投影控制線，并將各主要桿件的連接水平投影點(diǎn)作為控制點(diǎn)，測(cè)放完成后，利用極坐標(biāo)法進(jìn)行校核。

（b）胎架位置測(cè)設(shè)：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(biāo)后，利用全站儀精確定位胎架水平投影位置。待胎架搭設(shè)完畢后，調(diào)節(jié)所有胎架頂平，確定胎架桿件控制點(diǎn)標(biāo)高，調(diào)整測(cè)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(cè)設(shè)主桿件間相對(duì)位置，臨時(shí)固定。

（d）腹桿定位：將腹桿放置定位并臨時(shí)固定，根據(jù)上下弦桿件及腹桿待拼件上的點(diǎn)位標(biāo)記進(jìn)行整體位置關(guān)系的測(cè)量并調(diào)整；桁架拼裝完成后，利用全站儀對(duì)桁架各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核調(diào)整；完成后，開(kāi)始桁架焊接。

桁架拼裝精度要求見(jiàn)表6。

表6 桁架拼裝精度要求

5.2 拼裝胎架測(cè)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(cè)量控制點(diǎn)及其控制坐標(biāo)值→在胎架布置區(qū)域內(nèi)設(shè)置臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)→在胎架布置區(qū)域內(nèi)設(shè)置平面控制網(wǎng)→利用水準(zhǔn)測(cè)量法測(cè)設(shè)各控制點(diǎn)的高程值→利用全站儀測(cè)設(shè)各控制點(diǎn)的平面位置，確定各控制點(diǎn)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(biāo)出軸線與桿件的位置關(guān)系。次桁架、徑向桁架、墻桁架都以此布設(shè)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(guò)程中，用經(jīng)緯儀對(duì)胎架和桁架進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖3 胎架軸線布設(shè)示意

（e）桁架控制節(jié)點(diǎn)標(biāo)記示意見(jiàn)圖4。

圖4 節(jié)點(diǎn)標(biāo)記

5.3 主桁架定位測(cè)量

主桁架高胎架定位V形撐時(shí)，先測(cè)出桁架的位置，（可測(cè)主桁架端頭或者V形撐與桁架相連位置坐標(biāo)），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(biāo)高基準(zhǔn)，外側(cè)控制V形撐的設(shè)計(jì)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(biāo)（12 榀），見(jiàn)圖5；V形撐后補(bǔ)的外側(cè)與內(nèi)側(cè)都控制端頭上懸管中心的三維坐標(biāo)（4榀），見(jiàn)圖6。

圖5 主桁架定位

圖6 V形撐后補(bǔ)懸管中心三維坐標(biāo)

（b）徑向桁架控制兩側(cè)端頭位置坐標(biāo)。

（c）次桁架、墻桁架、內(nèi)外環(huán)桁架鑲補(bǔ)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(cè)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(diǎn)三維坐標(biāo)放出，利用全站儀將桁架的定位點(diǎn)用反射片貼在桁架兩端的（側(cè)面中心）端頭進(jìn)去500 mm的位置上，分別為A、B、C、D桁架中間下弦桿上設(shè)置1 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)E，作為校核觀測(cè)點(diǎn)及后續(xù)使用的沉降觀測(cè)點(diǎn)，其示意如圖圖7所示。

圖7 觀測(cè)點(diǎn)示意

（b）分別利用全站儀在控制點(diǎn)（加密控制點(diǎn)）上，并從鋼桁架上貼近反射片的地方，利用全站儀測(cè)出桁架的三維坐標(biāo)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(jìn)行校核。

5.5 標(biāo)高傳遞

根據(jù)土建提供的控制點(diǎn)坐標(biāo)，利用軟件進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，在場(chǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)移建立2 個(gè)控制點(diǎn)，利用全站儀對(duì)臨時(shí)支撐和結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)高測(cè)量和控制。

6 安裝過(guò)程中的測(cè)量控制

6.1 樓面控制點(diǎn)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(jìn)行吊裝，故根據(jù)土建軸線控制體系，分別在樓面上設(shè)定每片桁架的投影控制點(diǎn)，并在樓地面作好標(biāo)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(diǎn)投測(cè)到高空安裝平臺(tái)上，然后在高空平臺(tái)上架設(shè)全站儀進(jìn)行角度和距離測(cè)量，滿足精度控制要求后，分別架設(shè)儀器于主控制節(jié)點(diǎn)處，將中心線測(cè)設(shè)在每個(gè)測(cè)量平臺(tái)上，并用墨線標(biāo)示。

6.3 下弦控制節(jié)點(diǎn)投測(cè)

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

6.4 桁架標(biāo)高控制

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

6.5 桁架垂直度觀測(cè)

桁架垂直度觀測(cè)采用平移法進(jìn)行，首先將激光投測(cè)點(diǎn)向同一側(cè)平移約1.5 m，得兩平移點(diǎn)，在一平移點(diǎn)上架設(shè)經(jīng)緯儀，后視另一平移點(diǎn)，在桁架中間起拱處設(shè)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(cè)

（a）桁架就位測(cè)量：臨時(shí)支撐上部設(shè)置支撐點(diǎn)，桁架吊裝就位后，通過(guò)三角高程測(cè)量，設(shè)定支撐點(diǎn)標(biāo)高，根據(jù)圖紙標(biāo)高要求，利用千斤頂進(jìn)行微調(diào)。

（b）桁架安裝復(fù)測(cè)：桁架前后端定位點(diǎn)、平直度、標(biāo)高測(cè)設(shè)完畢，將桁架臨時(shí)固定，用極坐標(biāo)法進(jìn)行二次復(fù)測(cè)，確保位置正確。

6.7 沉降觀測(cè)

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

6.8 溫度觀測(cè)

施工過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)溫度變化，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度觀測(cè)；觀測(cè)時(shí)間盡量選擇在6：00～9：00、16：00～19：00之間；每周監(jiān)測(cè)匯總整理1 次，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比和校驗(yàn)。最后，根據(jù)溫度觀測(cè)所得數(shù)據(jù)，與第三方標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后，來(lái)對(duì)吊裝進(jìn)行調(diào)整。

7 結(jié)語(yǔ)

馬鞍山中心體育場(chǎng)通過(guò)科學(xué)的設(shè)定測(cè)量方案，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)拼裝測(cè)量、高空吊裝測(cè)量、鋼結(jié)構(gòu)合攏溫度、標(biāo)高、軸線位置、卸載等的測(cè)量，控制了鋼構(gòu)件制作和安裝偏差，保證了整個(gè)屋面的拼裝和安裝質(zhì)量。該方法取得了良好的工程實(shí)效，順利確保了工程質(zhì)量。