高层建筑钢结构网架的挠度测量

万迪文，胡志坚，孙艾林

（江西省峡江水利枢纽工程管理局，江西 南昌330046）

0 引言

网架结构在自重、安装误差、外界荷载及锈蚀等不利因素影响下容易产生挠度形变。为确保安全，有必要在钢结构网架总拼完成及屋面工程完成后进行定期的挠度测量，对较关键且挠度值较大的部位采取腹杆、弦杆的检查与加固等相应预防与加固措施。

对钢结构网架进行挠度测量的方法主要有：水管连通器法、几何水准法、贴反射片法、传感器法以及免棱镜全站仪法等[1]。因峡江水利枢纽工程屋顶网架距地面高差为 30.3～32.5 m，对网架螺栓球或下弦杆进行挠度测量一般的测量方法很难实现。如采用几何水准法实施观测难度较大且精度不易保证，而采用水管连通器法、贴反射片法和传感器法，则因屋顶网架挠度测量属于悬高测量，会导致布置测点难度较大且成本较高。在峡江水利枢纽工程屋顶网架悬高测量中我们使用免棱镜TCR全站仪，它具有的优点有：①全站仪照准观测时，可发射激光可见光斑，提高了在较密集的螺栓球中找寻观测点的精确性；②全站仪无需在钢结构网架螺栓球测量点上摆放棱镜，解决了高层建筑网架悬高测量难以布置反射片、棱镜等观测点的困难；③本工程使用的TCR400系列全站仪测角精度为2＂，测距精度为3 mm+2 ppm，最大测程80 m，可满足网架挠度测量精度要求。同时为尽量减小测量误差，引高程控制点至厂房上下游门机的行走机构操作平台上，可减小全站仪至网架测量点的测程。

1 工程概况

江西省峡江水利枢纽工程位于赣江中游峡江县上游河段，是一座以防洪、发电、航运为主，兼顾灌溉等综合利用的大型水利枢纽工程。枢纽总体布置从左到右为船闸、门库段、泄水闸、厂房，左右坝头采用混凝土重力坝连接。主厂房和安装间钢屋架屋顶覆盖面积为9 486 m2，建筑结构安全等级为二级，结构设计使用年限为50年。网架覆盖面积为4 743 m2，网架耐火等级二级，耐火极限为1.5 h。网架荷载（标准值）：屋面恒载为0.5 kN/m2，活载为 0.50 kN/m2，基本风压为 0.30 kN/m2，基本雪压为0.35 kN/m2（地面粗糙度为A类），下弦静载为0.2 kN/m2。网架结构形式为正放四角锥螺栓球节点网架，下弦柱点支撑，上下弦网格节点间距均为2.4 m×2.4 m，顺水流方向最大跨度为16.2 m，垂直水流方向最大跨度为11.7 m，网架矢高9.2 m。主厂房钢屋架屋顶高程 62.0 m（黄海高程，下同），厂房室外地面高程 38.7 m，网架高程 69.0～71.2 m。

2 施测过程

2.1 高程控制测量

本工程在钢结构网架右侧约200 m处有水利乙级坐标控制点，在网架周边场地内以约20 m的间距布设高程控制点，并使用全站仪按二等水准测量要求组成水准网对水利乙级高程控制点进行引测。钢结构网架拼装及屋面工程完成后，进行挠度变形观测。开始观测前，需要先对引出的基准点进行水准测量，再用全站仪测量各基准点的坐标和两点之间的距离、高差，然后进行挠度变形观测点的测量。严密平差计算场内控制点的高程，确保控制点高程误差小于《建筑物变形测量规范》中所要求变形点单程高差观测中误差±0.7 mm。

2.2 网架挠度观测

TCR全站仪在网架周边自由设站，在高程控制点上设置棱镜后，检测控制点的高程无误（检测值与已知值之差小于±2 mm）后进行钢结构网架的挠度观测。本工程网架挠度观测以网架下弦螺栓球的底部为照准测量目标。在挠度测量时，将全站仪的激光束对准网架下弦螺栓球底部，正倒镜观测1测回，得到下弦螺栓球底部高程，并将挠度观测点号与详细位置绘制草图记录于观测专用记录本上。本工程网架挠度的观测点相对应于网架施工平面图的桩号、位置见图1，图中数字编号表示对螺栓球施测的顺序。为确保免棱镜观测数据的精度，要求观测点垂直角大于45°。为尽量减小测量误差，本工程引高程控制点至厂房上下游门机的行走机构操作平台上，将全站仪架设在足够稳定的钢平台上，风荷载可以忽略不计，同时观测点测点视距尽量不大于30 m。

图1 网架观测点布置图

3 网架挠度值计算

依据《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91的规定：用作楼层的网架，挠度控制在短向网架跨度的1/300；用作屋盖的网架，其挠度控制在短向网架跨度的1/250。本工程属于用作屋盖的网架，顺水流方向最大跨度为 16.2 m，垂直水流方向最大跨度为 11.7 m。依据《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001规定及本工程招标文件要求：钢结构网架总拼完成后及屋面工程完成后，承包人应分别测量网架结构的挠度值，其实测最大挠度值应不超过相应设计值（短向网架跨度的1/250）的 1.15 倍。

对钢结构网架进行挠度测量后，将网架下弦螺栓球底部中心三维坐标dat数据文件调入南方CASS成图软件平台，绘制生成网架顺水流方向和垂直水流方向跨度的下弦螺栓球底部中心高程断面图。参照本工程 “网架施工平面图”、“网架下弦布置图”、“网架配料单”以及“球节点劈面尺寸数据”等图纸资料，逐点计算出网架下弦螺栓球底部中心的高程。再由绘制的网架纵、横向下弦螺栓球底部中心高程断面图和下弦螺栓球中心高程设计值，计算网架两支承间下弦各节点的挠度值，并结合钢结构网架挠度的控制指标判断网架结构挠度值较大的部位。网架结构通常都比较复杂，对其挠度变形的观测分为水平网架和斜面网架两种形式。

3.1 对水平网架进行挠度分析的挠度值计算

本工程水平网架主要在顺水流方向，最大跨度为16.2 m。对水平网架进行挠度值计算时，根据实测的网架下弦螺栓球底部中心高程值，找出最大高程值点，再以该点高程的水平面为基准面，计算出整个水平网架下弦螺栓球各节点的挠度值。本工程以图1中顺水流方向坝纵538.6轴为例，纵向下弦螺栓球底部中心高程断面图如图2，图中纵坐标表示黄海高程，横坐标表示坝纵538.6轴顺水流方向。本网架顺水流方向最大跨度为 16.2 m，设计挠度值为 64.8 mm，最大允许挠度值为74.52 mm。根据图2数据中显示，坝纵538.6轴顺水流方向最大高程为 70.18 m，最小高程为 70.15 m，以最大高程为基准面，则最大挠度值为30 mm，故网架坝纵538.6轴挠度值滿足要求。本工程对图1中18个顺水流方向轴的挠度值进行测量，其中最小挠度值为4 mm，最大挠度值为38 mm，均符合规范要求。

图2 坝纵538.6轴螺栓球底部高程断面图

3.2 对斜面网架进行挠度分析的挠度值计算

本工程斜面网架主要在垂直水流方向，最大跨度为11.7 m。对斜面网架进行挠度值计算时，先将需计算跨度的斜面网架投影至网架设计最低高程水平面或自由选取的基准面（本工程选取主梁梁顶高程65.0 m作为基准面），依据设计图纸资料计算出斜面网架上各下弦螺栓球底部中心与基准面的高差值，再由实测高程值减去基准面高程值，两者的差值即为斜面网架上各下弦螺栓球底部中心的挠度值。以图1中垂直水流方向坝横24.20轴为例，横向下弦螺栓球底部中心高程断面图如图3，图中纵坐标表示黄海高程，横坐标表示坝横24.20轴垂直水流方向。本网架垂直水流方向最大跨度为 11.7 m，设计挠度值为 46.8 mm，最大允许挠度值为53.82 mm。挠度值计算以图3中最右测点为例，该点设计高程距离主梁梁顶高差为8.35 m，实测高程为73.358 m，实测点与梁顶高差为 8.358 m，则挠度值为 8 mm。本工程对图1中8个垂直水流方向轴的挠度值进行测量，其中最小挠度值为6 mm，最大挠度值为36 mm，均符合规范要求。

图3 坝横24.20轴螺栓球底部高程断面图

4 结语

面对高层建筑网架结构挠度测量存在的观测难度较大、精度不易保证、成本控制、安全保证等实际问题，本工程经过方案比选和科学组织，使用TCR全站仪进行测量，取得了高效、经济和精确的效果，对相类似的高层网架结构和桥梁的挠度测量具有参考作用。为真实反映钢结构网架工程的稳定性和安全性，测量过程中应本着精益求精的原则，认真做好仪器检验率定及如实记录观测结果。在科技高速发展的时代里，对测量的精确度要求也随之更高。通过本次测量实例，要求掌握测量与相关专业的高新技术，努力拓展工程测量的应用范畴。对实际工程中测量难度较大的，应充分利用先进的仪器和测量方法，达到规范规定的测量精度要求，以有效解决工程实际问题。

［1］杨爱萍，蒙志超.钢结构网架屋面工程挠度测量探讨［J］.地矿测绘，2008， 24（1）： 36～38.