钢结构施工中采用辅助球面法求相贯线提高施工工效的方法探讨
2017-06-01木向成郑利强
木向成 陈 勇 郑利强
中交二航局第一工程有限公司
钢结构施工中采用辅助球面法求相贯线提高施工工效的方法探讨
木向成 陈 勇 郑利强
中交二航局第一工程有限公司
目前在长江中上游大水位差码头系靠船设施结构设计中多采用多层钢系缆平台型式，而系船梁及钢支撑多采用钢管，钢管下料精度不仅影响结构观感和质量，而且影响工期。本文结合某码头钢结构施工中采用辅助球面法求相贯线的方法，达到了提高施工工效的目的，现对该方法进行探讨，希望可以对类似项目起借鉴作用。
钢系缆平台；辅助球面法；相贯线
1 工程概况
1.1 工程地理位置及规模
该工程位于鄂州市城区约15公里。工程新建5000t级(水工结构兼靠10000t级)多用途泊位泊位4个。
1.2 工程结构型式
码头平台为高桩梁板结构，码头平台长500m，宽30m，共68个排架，排架间距为8.0m，每榀排架采用4根钢管桩和3根PHC桩。
码头平台前沿设四层系靠船平台，以满足不同水位时船舶停靠的需要。最上层为码头面，以下三层均为钢系缆平台，钢系缆平台由钢靠船立柱、钢横撑和钢走道板组成。最上一层钢系缆平台横撑顶标高为+19.9m，中间一层钢系缆平台横撑顶标高为+15.5m，最底下一层钢系缆平台横撑顶标高为+11.1m。
1.3 现场施工条件和施工时机
因长江水位在汛期及枯水期水位高程变化大，钢结构施工最好时机为枯水期(一般为每年10月下旬至次年3月)。
由于罕见的超强等级厄尔尼诺事件，15年年底枯水期水位一直居高不下，对钢结构抢水位施工带来的压力很大。
沉桩结束后及时安装钢靠船立柱，然后进行钢平台的施工，施工从最下一层钢平台往上抢水位施工，减少水位对钢结构施工的影响，确保在一个枯水期完成所有钢结构施工，避免二次进场增加施工成本。
2 钢支撑安装常规施工方法
2.1 施工方法
在沉桩形成部分排架后及时进行夹桩施工，保障桩基不再发生偏位。夹桩型钢的搭设方法和搭设标高可以同时兼顾考虑后续上部结构横梁的施工，本项目夹桩时兼顾考虑了搭设钢钻孔平台和施工上横梁，型钢挑出码头前沿线1m。
夹桩后进行钢靠船立柱的安装，在夹桩型钢上放样出钢靠船立柱的安装线，靠船立柱安装时进行吊铅垂线确保吊装的垂直度。
由于沉桩施工有桩位偏移误差，为了确保钢支撑的下料长度，需要测量人员配合实测出相邻靠船立柱(或相邻桩)之间的钢系船梁(或横撑)长度L，按以下操作进行施工：
(1)在钢管桩上每根横撑连接点搭设一个临时平台。
(2)由测量工测出横撑顶标高位置。
(3)将钢横撑按整节进行下料，下料长度为L(L为实际A、B排架之间钢横撑长度)，吊装前先将两端的相贯线同一边用气割吹出60度坡口，并用角磨机打光。后将另一边的相贯线卡住钢管桩就位，再用25t汽车吊配合安装(采用水平尺检查)，方向正位，然后将相贯线端与钢管桩进行点焊固定。安装后的钢横撑应保持水平，轴线标高满足设计图纸的要求。
2.2 施工特点
1)需要配合的船机设备和测量人员较多；
2)钢横撑的长度均为现场手工量测，量测工作量大，量测精度受外界因素影响大，误差大；
3)现场量测不便利，安全风险大。
4)因下料精度相对较差，焊接量大，工效相对低。
3 采用辅助球面法求相贯线的原因
1)传统施工方法工效底，钢支撑及早焊接使平台桩基排架及快形成整体，利于嵌岩桩施工平台更稳定，而且可以避免二次进场，降低施工成本。
2)系缆钢平台钢管(钢系船梁或钢支撑)下料一般均是直接在现场量测下料，量测精度差，相贯线切割不精确，焊缝焊接量大，返工量大，观感质量差，工效底，并且投入的人员设备相对较多，另外施工安全隐患也较大；
3)技术人员根据测量部门提供的每排架桩基偏位和斜度数据，在电脑上进行模拟制图，采用辅助球面法求出钢管上不同位置的相贯线点，连接成曲线后即为完整的相贯线，然后现场根据电脑制图对应下料，期间人工配合现场量测复核，实现减少现场测量工作量，减少现场测量误差，提高现场下料精度，提高施工工效的目的。
4 人工量测下料和电脑模拟制图的方案对比
（见表1）
5 辅助球面法电脑成图方法
5.1 理论依据
当球体(钢靠船立柱)与一些旋成体(钢支撑或钢系船梁)相交，且球心位于旋成体的轴上时，其交线(即相贯线)为一垂直于旋成体轴线的圆。
两圆柱轴线相交点O为圆心，适当长度R为半径划一辅助球(图1)，球面与圆柱1的交线为P，球面与圆柱2的交线为Q，P、Q相交得两点K，点K即是球面上的点，同时也是圆柱1、2柱面上的点，即点K三面共点，是公共点，是相贯线上的点。如果做一系列辅助球，便可得到一系列相贯点。
表1 方案比较分析表
辅助球面法求相贯线点
辅助球的大小是有限制的：当辅助球过大时，两圆柱与球的交线P、Q没有交点，也就无法找出相贯点；当辅助球过小时，得不到与圆柱2的交线Q，因而无法找出相贯点。Rmax为最大有效辅助球半径，Rmin为最小有效辅助球半径，只有在此范围内所作的辅助球才起作用(见图2)。
5.2 不同直径圆柱相交用辅助球面法求相贯线的完整画法
图3、4中柱2可假设为钢管桩或钢靠船立柱，柱1假设为钢横撑或钢系船梁，三面共点形成的曲线即为相贯线。其中图3为钢管桩为直桩时与钢横撑形成的相贯线，图4为斜桩时与钢横撑形成的相贯线。最后直接用电脑标注相贯线上某些点相对X平面的距离s，施工队伍按此对应放样在钢横撑上，再形成光滑曲线，最后进行下料。
6 辅助球面法电脑成图注意事项
由于钢横撑下料加工采用人工量测方法和凭施工经验较多，采用电脑模拟制图下料可借鉴的经验较少，通过本项目的实施，总结了需要注意的事项如下：
1)施工前应进行详细的技术交底，交底应透彻，使技术人员、施工人员对施工方法有充分的了解；
2)现场测量桩基偏位和斜度应在夹桩后进行，确保桩基在测量后不发生位移，确保测量精度；在现场用仪器测量桩基偏位时，桩顶及水面附件较为方便测量，桩基中间部位一般通过换算得出偏位和斜度，为确保精度，建议在条件具备时根据每层平台高程进行测量；
3)进行电脑成图的技术员应具备较强的CAD应用能力，并透彻理解制图理论依据，充分掌握辅助球面法的原理，掌握制图技巧，施工期间应通过人工量测的方法复核电脑成图的精度，电脑成图结果经复核无误后再打印提供给施工队伍。
7 实施效果
在本项目钢结构施工中通过采用辅助球面法电脑成图结合人工量测复核，达到了预期效果。整个码头钢平台施工工期提前了29天，有效的节省了施工成本。
8 结束语
通过电脑模拟成图，使技术员在现场质量管理时不再单纯依靠施工队伍的经验，而可以参与到施工过程的具体指导与管理；另外施工队伍在此类施工中不再仅靠经验盲目施工，而可以依照详细的图纸，不仅提高施工工效和施工质量，而且达到了节省成本的目的。
[1]《新编钣金技术与展开计算实用手册》；蔡强；2003.07
[2]《新编钣金展开计算实用手册》；梁绍华；2004.6.1
