双曲线钢冷塔安装空间测量定位技术

秦嘉兴

华电重工股份有限公司 新疆乌鲁木齐 830000

随着钢结构技术和间接空冷技术的发展，钢结构冷却塔在性能、技术与经济方面与钢筋混凝土冷却塔相比具有一定的优势，目前国内已建成数座大型的钢结构空冷塔。这些已建成的钢结构空冷塔外形大部分为圆柱体加锥体结构，而新疆华电哈密发电四期扩建（2×350MW）热电联产工程钢结构间接空冷塔（以下简称钢冷塔）立面外形为双曲线型，钢冷塔每层直径均不相同，各层各球节点支座上下层不同心、位置不一致，每层结构竖向方向均有向内或向外的倾斜度，均不垂直于地面，造型复杂，安装难度大，测量工作是钢结构安装的关键技术工作之一，测量数据的准确程度直接影响整体钢结构的安装质量和进度。常规的钢结构安装采用测量仪器对结构垂直度偏差及轴线位移观测来进行安装质量的控制，而该方法在本工程不适用，本工程我们采用全站仪对各层各球节点支座进行空间定位测量的方法来进行安装质量的控制[1]。

1 钢冷塔概况

新疆华电哈密热电四期扩建项目钢冷塔采用双曲线双层网格钢结构，高度160 米，底部零米板处直径142．3 米，喉部直径92．7 米，出风口直径96．9 米，是目前国内最高的双曲线型钢结构空冷塔。钢冷塔共分18 层，每层均由32 个倒三角形双层桁架（以下简称钢桁架）单元组成，全塔共576 个钢桁架单元，各层各钢桁架单元均通过焊接球连接成一个整体，形成一个双层网格状结构。

钢桁架单元由焊接球及钢管等钢构件焊接组合而成，钢构件全部散件运输到安装现场，在钢冷塔安装现场西侧设置拼装场进行钢桁架单元的组装，组装好的钢桁架单元采用机械运输到现场进行安装。

2 钢冷塔的安装精度要求

钢冷塔每层由32 个三角形桁架单元组成，通过焊接球连接，平面为封闭的圆形。吊装就位时，钢管与焊接球对接安装，当安装定位偏差较大时，容易产生以下问题：①误差累计导致各层无法完成合拢。②钢管与焊接球连接面为球面，误差过大会导致焊缝间隙过大而无法满足质量要求。

该结构既不是传统的管桁架结构也不是传统的网架结构，无规范标准，只能综合各规范要求，按《钢结构工程施工质量验收规范GB50205-2001》表12．3．6 规定：支座中心偏移不大于30mm。根据《钢结构焊接规范GB50661-2011》第7．3．3：坡口组装间隙超过表7．3．1 允许偏差规定但不大于较薄板厚度2 倍或20mm（取其较小值）时，可在坡口单侧或两侧堆焊，使其达到规定的坡口尺寸要求。

为保证焊缝质量，结合本工程实际情况，每榀钢桁架安装时定位必须准确，安装焊缝坡口间隙不能超过20mm；由于每层32 榀钢桁架形成一个封闭的圆形，各层安装还存在最终合拢问题，为保证每层顺利合拢，合拢处支座中心累计偏差不大于20mm。这就要求采用的测量定位方法不光能保证单榀安装的准确性，还需消除累计误差。

3 全站仪定位测量的优点

常规的钢结构安装采用测量仪器对结构垂直度偏差程度及构件中心相对轴线位移大小进行测量来进行安装质量的控制，但这种方法适用于外形立面垂直和具有控制点竖向引测条件的建构筑物。本钢冷塔外形立面为双曲线型，各层立面均不垂直，塔身为网格状，各节点悬空，无控制点竖向引测所需的平台。常规的测量方法对本工程不适用。

利用全站仪进行定位测量正好能解决此类问题，他具有以下优点：①、全站仪测出的是控制点的空间坐标，采用大地坐标系或施工坐标系作为参照，不论结构外形是否垂直于地面，他都能通过观测其控制点的空间坐标值来检测安装质量。②、全站仪测量无需进行控制点竖向引测，直接将小棱镜放置于控制点就可进行观测，只要对比控制点实测坐标和设计坐标就可检测安装质量。③、全站仪测量精度高，常规的垂直度测量采用目测估算，全站仪测量结果采用数字显示，且仪器本身误差小。④、全站仪测量工序简单，速度快；只需将仪器架设调整好对准已置于控制点上小棱镜中心就可以完成测量，无引测等其他工序，且全站仪视线良好，一个仪器架设位置能进行多榀钢桁架的观察。⑤有利于消除累计误差；每榀钢桁架定位球的中心点都可以作为一个控制点，且该点的空间坐标设计值很容易通过图纸计算得出，安装时利用全站仪对这些控制点坐标进行精确测量，与坐标设计值进行比对，根据比对结果来指导安装校正；每榀钢桁架均有控制点，能消除累计误差，保证各层安装顺利合拢[2]。

4 钢冷塔安装空间定位测量技术

本工程选择科力达KTS-462R4L 全站仪，单棱镜距离测量达5Km，距离测量精度：有棱镜2+2ppm，角度测量精度2″。本工程最高处测量距离约400 米，该全站仪测量精度完全满足本工程要求。

全站仪测量定位方法就是将全站仪加设在控制网控制点上，对桁架安装单元定位球中心点坐标进行测量，如下图，分以下几个步骤：

①、在钢冷塔周边建立施工测量控制网。

②、计算各层各桁架单元定位球中心点的设计坐标。

③、在待安装桁架单元定位球上标记出上表面中心点。

④、安装校正时对桁架单元定位球中心点进行测量。

⑤、对比坐标实测值与设计值，依据结果进行校正固定。

4.1 在钢冷塔周围建立施工测量控制网

利用电厂内已有的厂区测量控制点及设计图纸，建立钢冷塔施工测量控制网（如下图），施工测量控制网由中心点（A0）及5 个连线基本呈正五边形的控制点（A1-A5）组成，这五个控制点位置的选择原则是：①、方便全站仪的架设。②、避开观测障碍物及死角，能对整个钢冷塔桁架单元进行观测。必要时可以设置临时坐标控制点辅助测量。

4.2 计算各层各桁架单元定位球中心点的设计坐标

采用AutoCAD 软件计算出每个节点球中心点空间（三维）设计坐标，为全站仪定位测量提供基础数据。以一层钢桁架定位节点球设计坐标计算为例，①XY 向（平面）坐标的获取：打开AutoCAD 软件（软件版本无限制），按照设计图纸提供的数据，画出中心点及32 条轴线；接着画出一层钢桁架顶部节点球中心位置整层钢冷塔的外径及内径；接着先画出一个钢桁架上表面桁架的平面图，复制粘贴完成32 个钢桁架的绘制，各桁架平面端部交点即定位球的中心点；利用坐标标注命令完成每个定位球的中心点平面坐标的标注，即X 向及Y 向坐标值。②Z 向值的获取：设计图纸上已标注了钢桁架每层节点球中心的标高，在一层球节点中心的标高的基础上加上一层节点球的半径就得到该节点球上表面的标高Z 值。这样就完成了一层节点球上表面中心的空间设计坐标（即XYZ 向坐标）的计算。按此方法，依次完成各层球节点上表面中心的设计空间坐标的计算。

4.3 在待安装桁架单元定位球上标记出上表面中心点

根据设计图纸，虽然钢桁架竖直方向存在倾斜角度，但钢桁架上部桁架四个内外弦节点球及内外弦杆的中心均在同一平面，因此可以利用检测尺、角尺等工具，依据设计图纸图示的钢桁架上部桁架平面尺寸，找出待安装桁架单元定位球上表面的中心点，然后用铁锤及冲钉完成中心点的标识。

4.4 安装校正阶段对钢桁架单元定位球中心点进行测量

吊装钢桁架单元就位后，利用钢丝绳、手拉葫芦等工具将钢桁架吊装单元临时固定在下层或两侧已安装固定完毕的钢桁架单元上，安装人员通过钢桁架吊装单元上的钢爬梯到达上弦定位球，将小棱镜对中杆端部对准定位球中心点，调整小棱镜角度，使小棱镜上气泡居中。用全站仪十字丝对住小棱镜中心，完成坐标测量。

4.5 对比坐标实测值与设计值，依据结果进行校正

将钢桁架吊装单元定位球中心点的坐标实测值与设计值进行对比，判断定位节点球位置偏差情况，若偏差较大时，采用手拉葫芦等工具进行调整校正，当各向（XYZ 向）值偏差在15mm 以内且钢管与焊接球安装焊缝间隙小于20mm 时，将钢桁架吊装单元焊接固定，完成校正固定工作。

5 结语

大型结构复杂钢结构在安装过程中的测量和空间定位，对结构的成型及精度控制非常重要，本工程采用的全站仪空间定位测量控制方法，可以方便快捷的对整体结构和单个节点进行精确测量，加快了施工进度，保证了工程质量，该方法可以使用在结构复杂的空间球体等结构的安装定位和后期的阶段性验收和变形监测中，不仅提高了测量的数字化和自动化程度，还满足了复杂钢结构的安装精度要求。

[ 注释]：

钢冷塔：即主体结构采用钢结构的间接空冷塔，常用于发电项目。

全站仪：即全站型电子测距仪（Electronic Total Station），是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。

AutoCAD：是Autodesk（欧特克）公司首次于1982 年开发的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。