高层全钢结构测量校正技术浅析

高层全钢结构测量校正技术浅析介绍全钢结构控制测量及控制点的传递、轴线放样和钢结构安装测量校正。AnalysesofMeasurementEmendationTechnologyofHigh-riseFullSteelStructure南京地铁大厦位于市区珠江路和中山路路口的东北侧，占地面积为4783m2，南北长约75m，东西宽约63m，施工场地非常狭小。大厦总建筑面积约为4万m2，地上部分塔楼28层、裙楼8层，地下部分3层，总高度为105.6m。地铁大厦建成后主要作为南京地铁1#、2#、3#线控制运营管理中心，是江苏目前最高、规模最大的全钢框架高层钢结构建筑。测量校正是高层全钢结构施工的关键之一，钢结构测量控制与校正是保证钢结构安装精确到位及工程进度的关键工序。其工作主要内容包括：钢结构安装平面控制网的布设及传递、高程控制网的布设及传递、钢柱安装轴线及标高控制线的放样、钢柱垂直度测量校正及监测、钢梁水平度控制等。1高层全钢结构测量校正的基础条件1.1测量校正依据《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205--2001）；《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99--98）；《工程测量规范》（GB50026--93）；建设单位提供的测量资料及现场实物；工程图纸和其它相关技术文件。1.2统一距离丈量尺度该全钢结构工程设有三把“基准尺”，监理单位、制造单位和安装单位各执一把，这三把尺是经同一部门检定改正并经三方认可的长度丈量标准用尺。在构件制作、安装和验收过程中，各单位实际使用的尺子都是跟各自所持的“基准尺”进行校尺并经温度尺长改正。1.3构件制造尺寸构件制作精度的高低将决定了高层全钢结构的安装精度、施工进度及其它方面的质量。高层全钢结构测量校正的前提条件是运至施工现场的构件必须具有合格的制造尺寸。2测量控制网的布设2.1平面控制基准复测及坐标转换根据南京地铁测量中心提供的平面控制点（城市坐标）ZJL2、DT009、DT010，以ZJL2点为起始点计算坐标，DT010点为后视起算方向，按照《工程测量规范》所规定的四等平面控制网（点）精度要求，以极坐标的形式对DT009、DT010进行施测，计算得出DT009、DT010的复测坐标。DT009、DT010的复测坐标值与原始坐标值之差满足规范要求，因此以ZJL2、DT009、DT010平面控制点作为该全钢结构安装工程的平面控制测量基准。在实际的施工测量中，由于城市坐标数字较多，且坐标轴与建筑物的主轴线不平行，其数据的记录、转抄繁琐且容易出错，因此将城市坐标系通过平移、旋转的方式转换成建筑坐标系（如图1），以便于以后的测量工作。该钢结构安装工程的坐标转换公式为：H=COS48″（X-47806.183）+SIN48″（Y-29622.453），V=-SIN48″（X-47806.183）+COS48″（Y-29622.453）。图1：建筑坐标与城市坐标转换示意图2.2平面控制网的布设首先根据地铁大厦钢结构平面图，优化布设六个平面控制点，并计算控制点的坐标，然后以ZJL2点为测站DT010点为后视方向，高精度全站仪运用极坐标放样法，在底层楼面上放样出A1、A2、A3、A4、A5、A6平面控制点（如图2）。该六点组成的闭合导线按四等平面控制网的精度要求进行导线测量，测角六测回、测边四测回，并与原始平面控制点联测。对外业测量结果进行严密平差，计算控制点的坐标，并与理论坐标值比较后归化改正。为了保证点位的绝对可靠和边长相对精度较高的要求，在归化改正结束后重新观测角度和边长。若不满足规范要求，则必须依据观测结果作二次归化。当复测角度偏差小于±10″、边长偏差小于±2mm时，在平面控制点上做好“十”字线标记（线宽0.2mm），并打上洋冲眼，以便长期保存。在施工的过程中，做好控制点的保护，并定期对平面控制网进行检测。图2：控制点分布示意图2.3高程基准复测及控制网的布设以南京地铁测量中心提供的dt18、dt65二等水准点作为高程控制测量基准，并对dt18、dt65按二等水准测量的要求进行复测，其水准测量闭合差f=+0.71mm，符合二等水准测量所规定的小于4（水准路线长度L=1.2Km）的要求，因此dt18、dt65都可以作为该钢结构安装工程的二等高程控制点，且定期对dt18、dt65进行联测。若dt18、dt65之间二等水准测量闭合差满足规范要求，则dt65水准点没有发生变动（dt18二等水准点非常稳固）；若两点之间二等水准测量闭合差超出规范要求，则dt65水准点发生变动，必须从dt18向dt65进行二等水准往返观测，由dt18求出dt65新的高程，并作为新的高程测量基准。由于dt65点距施工现场较近，因此本工程以dt65点作为原始高程点。在底层楼面上设立两个水准点（利用已建立的平面控制点，如图2）BM1、BM2，与原始高程点构成闭合二等水准路线，测量并计算出高程作为该钢结构安装的高程控制点。3控制点的竖向传递及安装控制线的放样3.1平面控制点的竖向传递及轴线放样轴线是高层全钢结构安装的生命线，轴线放样精度的高低将直接影响钢结构安装的整体垂直度及钢梁安装的速度。首层轴线的放样直接依据平面控制网，其它楼层柱顶轴线放样是从地面控制网投测到高空，再根据投测的控制网进行柱顶轴线放样，而不得使用下一节柱顶定位轴线。高层全钢结构安装的施工控制网与地面建筑施工控制网的不同之处是地面建筑施工控制网（一般为建筑方格网）只布设一次，而高层全钢结构的施工控制网是随着楼层的增加需要不断向上引测。从目前工程测量的角度而言，建筑物的整体垂直度和水平位移的控制主要是通过内控、外控或内外控结合的方法来控制的。由于本工程的施工场地非常狭小，因此平面控制网的竖向传递采用内控法，投点的仪器采用瑞士产徕卡ZL天顶准直仪（精度：1/20万）。压型钢板施工时，在控制点的正上方开设20cm×20cm方形孔洞。先在需要传递控制点的楼面预留孔处水平固定好激光靶（有机玻璃板），然后在控制点上架设天顶准直仪，经严密对中、整平之后，从0°、90°、180°、270°四个角度分别向光靶投点。从理论上讲该四个点应重合，但实际操作中由于各种误差的影响，这四个点有可能不完全重合。若不完全重合，则取四点对角线的交点或者取分布较集中的三点构成的三角形的重心作为平面控制点的传递点，并用0.2mm的油性记号笔作好标记，此点为传递上来的平面控制点。所有控制点传递完成后，则形成该楼层平面控制网（引测网）。投测好的引测网必须进行角度和距离检测，距离用钢尺精密丈量四测回，各测回之间较差≤±2mm，与理论值之差△S不宜超过4mm；角度观测必须满足《工程测量规范》对四等网测角的规定：角度与理论值之差|△β|应小于0.0025ρ×S3/S1·S2（式中：S3为两目标点之间的距离，S1、S2为测站点到两目标点之间的距离，以米为单位）。该钢结构（塔楼）工程中：S1=20m、S2=36.4m、S3=41.533m，ρ=206265，则|△β|应小于29″。若角度偏差△β和距离偏差△S超出规范要求，则必须重新投测平面控制点。只有当△β、△S符合要求后，方可进行经典自由网平差，对平差的结果进行投测点的归化。以归化后的投测点作为平面测量依据，运用标准钢卷尺配合全站仪或J2经纬仪，正倒镜法放样出所有柱顶轴线。3.2高程控制点的竖向传递及标高控制线放样高程的传递运用水准仪、水准尺和标准钢卷尺，采用挂钢尺法按照《工程测量规范》中所规定的三等水准测量的精度要求将高程引测到施工楼层上。在施工测量的过程中必须施加标准拉力且应进行温度尺长改正。高程的传递除了采用挂钢尺法外，还有一种方法是在底层架设好全站仪，先精确测定仪器高，然后转动全站仪测量天顶距，通过计算求得激光反射片的高程，再按三等水准测量的要求把反射片的高程传递到钢柱上。这两种测量方法相比较：测量105.6m相互间偏差为2mm，但采用全站仪测量比挂钢卷尺测量方便且精度高。以传递到施工楼层的高程控制点作为测量基准，采用视线高法在每一根钢柱上做好标高控制线据。4全钢结构安装测量校正4.1测量校正的工艺原理及流程全钢结构安装精度的控制与内钢筋混凝土核心筒外钢框架结构形式一样都是以钢柱安装控制为主。钢柱就位后，按照先调整标高、再调整扭转、最后调整垂直度的顺序进行。钢柱在自由状态下，在满足单节柱垂直度不超标的情况下使柱顶偏向钢柱安装轴线。在钢梁安装时，对钢柱垂直度进行监测。在高强螺栓紧固的过程，必须监控钢柱垂直度。在一个节点所有钢梁的高强螺栓紧固完之后，对钢结构中间验收即焊接前验收。在梁柱接点焊接过程中，必须对钢柱垂直度进行跟踪监测，以确保钢结构最终验收合格。4.2钢柱标高调校因钢柱受制作误差、焊接收缩、荷载、气温、季节变化等影响，使得同一层钢柱的柱顶标高不在同一个平面上，在安装下一节钢柱之前必须对上一节柱的柱顶标高进行抄平。本工程采用相对标高控制和设计标高控制相结合的方法进行钢结构安装，每安装一节柱以后，引测实际标高复核设计标高，将标高误差控制在5mm以内，逐渐趋近设计标高。钢柱吊装就位后，用临时大六角高强度螺栓通过连接板固定上下耳板，但不夹紧，通过吊钩起落与撬棍拨动调节上下柱之间间隙。量取上柱根标高线与下柱头标高控制线之间的距离与理论值相比较，并考虑焊接收缩和压缩变形，因此将偏差调整至+5mm以内，符合要求后在上下耳板间隙中打入钢楔，用以限制钢柱下落。若钢柱制造误差超过5mm，则应分次调整，不宜一次调整到位。4.3钢柱扭转、垂直度测量与校正钢柱的扭转偏差是在其制造、运输、堆放、安装过程中产生的。钢柱若发生扭转将对垂直度测量校正有很大的影响，因此在垂直度测量校正前尽可能消除扭转的影响。在柱顶轴线放样时，将钢柱的四面轴线标出（如图3）。假定沿x方向钢柱一侧偏移值为a，另一侧偏移值为b，实际钢柱中心沿x方向的轴线偏移值为△x=（a+b）/2，柱顶扭转值为（a-b）/2；沿y方向的轴线偏移值为△y=（c+d）/2，柱顶扭转值为（c-d）/2与前面的扭转值相等。在柱顶轴线放样后，标出钢柱的扭转值和扭转方向，调校时将上节钢柱向相反方向扭转予以调整，即上柱和下柱的耳板的不同侧面夹入一定厚度的垫板，微微夹紧柱头临时接头的连接板。钢柱的扭转每次只能调整3mm，若偏差过大只能分次调整。钢柱的扭转调整之后，进行钢柱垂直度的测量校正。将两台经纬仪架设在钢柱相互正交（或近似正交）方向线上，采用正倒镜法测量钢柱的垂直度，以消除仪器的系统误差。如果柱整体垂直度或单节柱垂直度超差，都要对钢柱进行校正，此时松开连接板螺栓，调节连接板螺栓孔的间隙。在钢柱偏斜方向的同侧锤击钢楔或微微顶升千斤顶，在保证单节柱垂直度不超标的前提下，尽可能将柱顶偏向钢柱轴线，然后拧紧上下柱临时接头的大六角高强螺栓，并把临时连接板焊接牢靠，以防止钢梁安装过程中柱与柱对接的微动而影响钢柱垂直度。图3：钢柱扭转偏差分析示意图4.4钢柱垂直度监测在钢梁安装过程中，钢柱垂直度一般会发生变化，因此采用4台J2经纬仪对相应钢柱进行跟踪观测。若钢柱垂直度不超标，只记录数据不必调整；若钢柱垂直度超标，应复核构件制作误差及轴线放样误差，针对不同情况进行处理。若钢梁尺寸存在问题时，可采取更换连接板或修改钢梁螺栓孔位的方法；若放线误差较大，则必须重新放线纠正误差。在钢梁安装的过程中，不应再次调整钢柱的垂直度。在高强螺栓紧固之前，测量所有钢柱的垂直度，并在高强螺栓紧固的过程中，对钢柱的垂直度进行监控。在所有的钢梁高强螺栓紧固后，再次测量钢柱的垂直度，对垂直度偏差较大的采用焊接变形的方法来校正，使其偏差变小以达到规范要求。焊接过程中必须对钢柱垂直度进行跟踪监测，根据钢柱偏差的具体情况，适当调整焊接顺序及施焊的速度，随时纠偏以确保钢结构安装最终的高精度。在所有的焊口焊接完之后做最后复测，并做好偏差记录，以便后续工作检核。4.5钢梁水平度测量校正用水准测量的方法从高程传递点开始，测量梁的水平度，并将实际标高与设计值比较，确定校正值及校正方法。当螺栓孔直