正球体空间钢结构测量定位要点及安装新技术

李君 王粲 杨真

【摘要】钢结构工程为三球相连，球体直径39m，每球体按经度成20个等分，经纬轴线主要构件均为箱型结构，本次施工为球体构件原位支撑，空中分段组装，构件支撑部分分为两个部分，一部分为第一节弧形柱支撑，满足球体下部结构的施工要求，第二部分为中心支撑架支撑，满足球体上部北极圈的安装定位要求，上下结构安装定位完毕后，中间部分进行安装合拢，稳定连接后，进行纬度联系杆件的依次安装，整体焊接完毕后卸载。通常正球体结构多为圆管结构，本次工程结构形式采用了箱型结构，安装上相对于圆管难度有所提升。本次施工采用精准测量，原位支撑，分段组装的施工技术，解决了施工区域狭小，施工场地无法进入大型起重机械，构架无法组装安装等难题，有效的提升了安装的进度及降低了人工和机械成本，对于安装质量的有效控制方面效果明显。

【关键词】空间钢结构安装;箱型结构;正球体;三球相连;支撑;合拢;卸载;测量定位

1、工程概述

本钢结构工程主体为三个正球体相连结构，球体直径为38.6m，内部中空无支撑结构，球体内部设有中心平台及连桥在标高15.9m处球体横向联系杆件相连，球体底座与球体弧形柱为销轴连接形式。每球体按20等分，每18°设置弧形钢柱与顶部北极圈相互连接形成球体结构，横向主联系杆件为箱型结构，分别设置在6.9m、15.9m、22m标高处，其余次联系杆件主要为圆管结构。三个球体结构用钢量约为1620吨，每单体球用钢量约为540吨，主要材质为Q345B及Q345GJ。弧形钢柱截面主要为：BOX500×400×16mm，柱间箱型联系杆件截面主要为：BOX600×400×16mm。

2、安装方法及步骤

2.1 球体底座安装

球体底座安装角度为45°，安装分两次进行，首先对12根地脚螺栓进行安装定位，待地脚螺栓部分一次灌浆完毕，混凝土凝固期满后再进行底座安装。球体底座安装的难度首先是地脚螺栓的定位，再次才是球体底座的安装定位。由于地脚螺栓定位过程中，所需测量数据较多，测量难度较大，很难准确的测量出各个螺栓的定位位置，为此制作了底座模型作为定位辅助工装，有效的解决的地脚螺栓的安装难度。同时也解决了底座的安装难度，大大的提升了安装效率。根据球体底座的安装位置及其重量，起重方式采用了3吨叉车进行安装，不仅降低了起重解决成本，同时也达到了构件快速转运的作用。

2.2 球体一、二节柱与柱间联系杆件安装

球体柱间联系杆件与球体弧形柱之间为焊接连接，安装过程中，构件之间的无法避免吊装过程中的碰撞，从而造成球体弧形的位置的移动，增加钢柱位置误差，若如此依次安裝将形成较大的累计误差，为此参考铁轨安装的方法，制作了定距的卡尺，联系杆件安装完毕后，使用卡尺对柱间间距进行收紧。该方法在使用后进行数据复测，数据稳定，符合要求，有效的重复测量的复杂过程，有效的加快了安装进度。

2.3 北极圈安装

中心柱及支撑平台通过计算后，承载能力及稳定性符合要求。北极圈安装在支撑架平台上，北极圈定位基准点投射在支撑架平台上，平台上设置5台50吨薄型液压千斤顶用以支撑北极圈，同时在二节柱加载完毕后，调整球体顶部标高的沉降。考虑到二节柱在安装过程中与北极圈无法避免的碰撞，为确保北极圈的稳定性，在平台上设置水平挡板和上限挡板，防止北极圈水平移动和上下移动。

2.4 球体二节柱吊装

球体二节柱吊装过程中主要考虑的是球体安装过程中与中心支撑架之间的稳定性，如单根二节柱依次顺序安装，则会形成单侧逐步加载，如此吊装的过程中有整体结构失稳的风险，为规避该风险，球体二节柱吊装按循环对称吊装的方法，结果显示，不仅有效的规避了失稳的风险，也大大有效的加快了安装进度。

2.5 球体钢结构焊接顺序

球体钢结构为全焊接结构，柱间联系杆件多达18层，在焊接过程中采取合理焊接顺序，能够有效的降低焊接应力。焊接顺序实施为由上至下，逐层对称焊接。

2.6 中心支柱卸载

球体整体焊接检测完毕后，进行卸载，卸载前对顶部标高进行复测，卸载时5台千斤顶同步缓缓泄压，设置标尺及千分表同时监测卸载过程中数据的变化，卸载完毕后测量球顶下挠值与计算值进行对比。

3、球体钢结构安装技术控制要点

3.1 测量控制网的设置

本钢结构工程为球体三维空间结构工程，考虑到安装过程中对钢结构定位测量的需要，对球体各控制点位的设置需要提前完成，各控制点主要为：球体中心点、一节柱轴线投影、一节柱端头投影点、二节柱端头投影点等。

3.2 球体弧形一节柱的测量定位方法

球体一节柱弧长18m，约为球体圆周的1/3，作为整个球体安装基准，其空间定位的准确性要求较高，其定位点主要为：纵向及横向中心偏差、柱端头标高点、复测观察点设置为柱头外侧翼板投影点，通过对中心及标高的测量对一节柱进行定位，通过柱头外侧投影点的复测，确定定位的准确性。

3.3 弧形球体北极圈的测量定位方法

顶部北极圈其定位主要为：构件组合件标高、水平、构件与二节柱中心点之间直线度。由于高度较高，测量环境并不理想，采取两种测量方式符合来确定其标高，一种方法是通过水准仪结合盘尺的常规做法，第二种是通过激光测距仪将量程引下地面，在结合水准仪进行测量，两种方式测量的结论复核，确定北极圈标高。

3.4 球体二节柱合拢测量定位方法

球体二节柱合拢关键在于北极圈与一节柱之间间距尺寸的准确性。为确保间距尺寸符合二节柱安装及焊接的要求。此处的测量同样通过两种方式进行，一种是常规的使用盘尺进行测量，第二种是通过激光测距仪进行测量，两种测量方式的测量数据进行复核，以确定测量数值。

3.5 球体间关联数据的测量方法

球体之间关联数据主要为：球体球心轴线的相互关系、球体弧形钢柱切点之间的关联尺寸。球体球心轴线的相互关系的测量方式是使用激光垂准仪将各球体球心点引至北极圈承载平台，再将全站仪架设在平台上部，对相邻两球体球心距离进行测量。球体弧形钢柱切点之间的关联尺寸是通过激光垂准仪对已安装的弧形钢柱切点进行投点，将实际切点投影点引入地面，与设计基准投影点进行比对，从而确定球体弧形钢柱安装误差。

结语：

精准测量，原位支撑，分段组装的施工技术，解决了施工区域狭小，施工场地无法进入大型起重机械，构架无法组装安装等难题，有效的提升了安装的进度及降低了人工和机械成本，对于安装质量的有效控制方面效果明显。