中国建筑第八工程局有限公司西南分公司 四川省成都市 610041
摘要：随着我国建筑工程领域的不断发展，在机场、体育场、车站等建筑工程中为了充分利用空间，实现大跨度、大空间，或多或少都会采用铰接树形分叉钢柱作为结构支撑；而该树形分叉柱往往采用大重量的梭形管桁架钢柱双端铰接组成，设计对梭形柱安装完成后的垂直倾斜角度和各梭形柱之间的夹角规定都有严格要求，且梭形柱的垂直倾斜角度和各梭形柱之间的夹角正确安装直接影响结构运行安全，具有重要的意义；而双端铰接树形分叉柱属于较少通用结构，其安装的经验相对欠缺，目前在梭形柱安装中一般采用经纬仪配合激光扫平仪和倾斜角度测量尺或斜率测量仪进行安装，这些安装测量工具都有一定的局限性；这就需要设计一种高精度、省时、操作简单、成本低的安装方法，本文以拉萨贡嘎机场改扩建新建航站楼项目为例，对重型双端铰接树形分叉柱的安装进行介绍和探讨，为以后同类情况的树形分叉梭形柱的安装提供参考和指导。
关键词：梭形柱 角度测量放样 方位角 全站仪
0前言
目前机场、车站、体育场为了实现大跨度大空间会采用树形分叉钢柱作为其主要结构支撑；该结构作为支撑整个屋面管桁架的关键节点，其安装倾斜角度和各个梭形柱之间夹角安装精确程度直接影响结构安全，如何快速、低成本、易操作精确安装梭形柱对结构安全起着关键作用。
本文结合拉萨贡嘎机场改扩建新建航站楼工程项目，对树形分叉刚柱的安装进行TEKLA（特克拉）和MIDAS（迈达斯）建模分析，得出要想精确安装该树形分叉柱，则需严格按照设计要求控制好各梭形柱的垂直倾斜角度和各个梭形分叉柱之间夹角角度的安装精度；通过现场实际安装，结果表明，在利用1″级的全站仪进行测量放样后进行计算比对，能很好的满足各梭形柱安装角度最大限度满足设计要求，且利用全站仪放样方式安装，能让梭形柱一次性安装到位，避免多次调整，操作相对简单，降低操作难度、机械设备投入，节约了成本，还节省时间。
1工程概况
拉萨贡嘎机场改扩建新建航站楼工程屋面钢结构工程包括指廊区屋面、中心区钢柱及屋面桁架；中心区主屋面陆侧屋脊建筑高度为31.960m～41.850m，环向投影长度约314m，径向约132m，最大跨度约58.7m（见图1）；采用轴向受力钢桁架结构体系，由中心区设置的12根巨型钢柱支撑整个屋面桁架结构，每根巨型钢柱顶柱顶均设置4根设计垂直倾斜角度35°00′00″～42°00′00″的重型双端铰接树形梭形分叉柱，梭形柱之间轴线设计夹角为69°41′06″～114°50′49″（见图2）。
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图1 中心区屋面钢结构树形分叉柱平立面示意图
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图2 树形分叉柱安装垂直及平面角度示意图
2梭形柱角度安装放样及计算分析
要想准确对梭形柱垂直和平面角度进行测量放样，根据梭形柱程两端小中间大的逐步变截面设计，以及梭形柱两端与柱和屋面管桁架连接均采用向心关节轴承铰接方式；在垂直方向上要精确安装到设计倾斜角度，根据梭形柱两端点连线轴线长度，采用三角函数正算方式进行计算后测量放样安装；各梭形柱之间夹角测量放样根据设计梭形柱轴线的平面位置，采用坐标方位角反算后进行测量放样安装；为保证安装方便，采用先平面位置在竖向位置，先安装铰接端在梭形柱的顺序进行调整安装，其中角度安装设计文件明确规定各角度误差不得超过±1°00′00″，本文具体以中心区8#树形分叉柱的1#、2#梭形柱安装作为例子进行演示，其余梭形柱原理相同，具体步骤如下：
1）梭形柱和铰接端与柱连接厚板轴线确认
为保证向心关节轴承的铰接端和梭形柱端均能按照设计要求在同一条直线上，根据梭形柱设计，在出厂前将梭形柱两端变截面起点的铸钢件表面的四个垂直方向轴线中心位置做好标记；以及铰接端与柱连接厚板板中心轴线做好标记，运至现场后分别在标记的轴线位置特征点位贴上全站仪测量反射片（见图1、图2）。
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图1 梭形柱贴设轴线测量反射片正立面图
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图2 梭形柱两铰接端连接厚板贴设轴线测量反射片仰视图
2）测量放样计算准备
为方便计算和调整，我们将1#梭形柱轴线两端点设为A1B1两点，铰接下端与钢柱连接端厚板轴线两端点设为C1D1两点，铰接上端与桁架连接端厚板轴线设为E1F1两点；将2#梭形柱轴线两端点设为A2B2两点，铰接下端与钢柱连接端厚板轴线两端点设为C2D2两点，铰接上端与桁架连接端厚板轴线设为E2F2两点，1、2#梭形柱夹角设为δ，梭形柱的垂直倾斜角度设为
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，下铰接端垂直倾斜角度设为β，上铰接端垂直倾斜角度设为θ；各轴线点的高程设为HA、HB、HC、HD、HE、HF，梭形柱轴线两端点高差为h1，下铰接端轴线两端点高差为h2，上铰接端轴线两端点高差为h3。（具体见图3、4）
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图3 梭形柱平面夹角布置图
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图4 上下铰接端构造大样
通过TEKLA建模和设计图纸，我们可以得出1#和2#梭形柱设计平面夹角角度为69°41′06″；上下铰接端向心关节轴承和梭形柱轴心线在一条直线上，因此上下铰接端轴线夹角也为69°41′06″；垂直方向上1、2#梭形柱倾斜角度均一致，下铰接端倾斜角度35°00′00″，梭形柱倾斜角度35°00′00″，上铰接端倾斜角度26°00′00″；根据1#和2#梭形柱先前所确定的各轴线两端点，我们可以得出1#梭形柱各个点的设计平面坐标分别为A1（XA1=156.560，YA1=183.234），B1（XB1=149.761，YB1=174.787），C1（XC1=148.531，YC1=173.142），D1（XD1=149.280，YD1=174.143），E1（XE1=156.560，YE1=183.874），F1（XF1=157.908，YF1=185.676）；2#梭形柱各个点的设计三维坐标分别为A2（XA2=138.472，YA2=183.821），B2（XB2=144.200，YB2=174.962），C2（XC2=145.308，YC2=173.247），D2（XD2=144.630，YD2=174.296），E2（XE2=138.042，YE1=184.486），F2（XF2=136.820，YF1=186.376）。（平面位置见图3）
（1）平面角度测量放样计算分析
根据上图3的轴线位置和设计坐标，通过坐标反算可以得出1#、2#梭形柱的轴线方位角，两轴线方位角相减即可得出两梭形柱轴线夹角，因此只要保证轴线端点坐标放样准确，即可根据设计要求完成梭形柱平面位置的夹角准确安装，具体方位角计算如下：
1）梭形柱1轴线方位角计算：
δB1A1=
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；经过计算，得出梭形柱1轴线方位角为δB1A1=53°11′46.9″。
2）梭形柱1下端与钢柱连接厚板轴线方位角计算：δC1D1=
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=1.336448598；经过计算，梭形柱1下端与钢柱柱连接厚板轴线方位角为δC1D1=53°11′39.35″。
3）梭形柱1上端与桁架连接厚板轴线方位角计算：δE1F1=
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；经过计算，梭形柱1下端与钢柱柱连接厚板轴线方位角为δE1F1=53°12′5.01″。
4）梭形柱2轴线方位角计算：δB2A2=
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；经过计算，得出梭形柱2轴线方位角为δB2A2=122°53′8.39″。
5）梭形柱2下端与钢柱连接厚板轴线方位角计算：δC2D2=
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=1.54719764
；经过计算，梭形柱2下端与钢柱柱连接厚板轴线方位角为δC2D2=122°52′32.85″。
6）梭形柱2上端与桁架连接厚板轴线方位角计算：δE2F2=
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=1.546644845；经过计算，梭形柱2下端与钢柱柱连接厚板轴线方位角为δE2F2=122°53′6.46″。
7）各轴线之间夹角计算
1）梭形柱1和梭形柱2轴线夹角计算：δB2A2-δB1A1=69°41′21.49″（设计允许误差）。
2）梭形柱1和梭形柱2下端与钢柱连接厚板轴线夹角计算：δC2D2-δC1D1=69°40′53.5″（设计允许误差内）
3）梭形柱1和梭形柱2上端与桁架连接厚板轴线夹角计算：δE2F2-δE1F1=69°41′1.45″（设计允许误差内）
通过上述坐标反算，得出了1、2#梭形柱的平面夹角角度，因此我们可以采用上述设计坐标进行测量放样，从而实现铰接端和梭形柱的高精度安装放样。
（2）垂直角度测量放样计算分析
通过TEKLA建模和设计图纸，梭形柱1#和2#的铰接端垂直倾斜角度都一样，因此我们以1#梭形柱为例进行分析，下铰接端轴线两端点C1D1的距离为1.250m，倾斜角度35°00′00″，上铰接端轴线两端点E1F1的距离为2.250m，倾斜角度为26°00′00″，梭形柱轴线两端点B1A1的距离为10.550m，倾斜角度为35°00′00″，通过正弦值进计算出轴线两端点的高差，从而可以反推轴线两端点的高程，通过控制轴线点高程放样来实现垂直角度的测量放样及梭形柱安装，具体计算如下：
1）下铰接端与钢柱连接厚板两轴线点高差：
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2）上铰接端与钢柱连接厚板两轴线点高差：
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3）梭形柱两轴线点高差：
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为了方便高差调整，我们可以通过设计图纸和模型查找各点绝对高程值，也可采用自建基准相对高程值通过全站仪的三角高程测量实时反映出各轴线两端点的高差，从而和理论值进行比对，实时调整，实现垂直角度精确安装。
3梭形柱安装
根据第2节中的梭形柱垂直倾斜角度安装放样分析及平面夹角安装放样分析，我们只需根据确定的各个轴线点的三维坐标放样，利用全站仪线、点放样功能指挥起重机吊运梭形柱缓慢就位，即可实现梭形柱快速、精准、高效率安装就位，具体操作步骤如下：
1）下铰接端平面位置和竖向倾斜角度安装
在1#、2#梭形柱钢柱安装的下铰接连接的钢柱上利用全站仪的线放样功能，将下铰接端的两轴线点平面坐标输入全站仪，在钢柱厚板对接面放样出下端对接轴线，并用墨斗弹出；指挥起重机械吊运至安装位置，根据贴设的下铰接端两端点轴线，用架设好的全站仪指挥起重机械分别对两轴线端点进行三维测量放样，放样就位调整好后，将激光扫平仪架设在钢柱顶对准先前放样好的钢柱顶轴线，在对铰接厚板轴线进行检查，若在一条 直线上则安装完成，否则重复上述步骤，直至安装完成，确认无误后，将下铰接端与钢柱进行临时固结（见图1）。
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图1 梭形柱与钢柱对界面立体图
2）上铰接端平面位置和竖向倾斜角度安装
上铰接端对接方式与下铰接端安装方式同样，重复上述步骤后，将上铰接端与格构柱临时支撑进行临时固结。
3）梭形柱平面位置和竖向倾斜角度安装
原则上梭形柱的两铰接端按照设计要求调整好后，梭形柱轴线与铰接端轴线是在一条直线上，但实际是有误差，因此，还需对梭形柱平面位置和竖向倾斜角度进行调整；首先我们采集梭形柱两端轴线点三维坐标，通过坐标正算和高差计算，将实际坐标方位角和设计坐标方位角进行对比及实际高差和设计高差进行对比，根据误差数据偏差，采用液压千斤顶配合起重机对梭形柱进行调整，直至调整到位，确认无误后下端与钢柱，上端与支撑格构柱进行临时固结。
4）铰接端和梭形柱进行整体检查和焊接
对固结好的铰接端和梭形柱再次进行个轴线点坐标采集，进行高差和轴线方位角计算，将计算结果与设计进行比对，无误后方可进行正式焊接。
4安装关键节点处理
（1）在确定上下铰接端和梭形柱两端点的轴线点的时候一定要准确，这里由于梭形柱是变截面，因此钢尺量会出现较大误差，可以采用采集坐标正算方式计算出轴线两端点的距离，将该值与设计长度进行比对，从而可以看出误差，进行轴线点位调整，保证安装的准确性。
（2）为了能精确安装，减小误差，在选择测量放样仪器时，建议采用1″以上的全站仪进行测量放样，以保证其测量精度，减少多次调整引起不必要的误差。
（3）计算过程中尽量采用编程计算器进行编程计算，保证计算结果快速、准确性。
5总结与结论
随着时代的发展，各种新型建筑结构层出不穷，由于类似的树形分叉柱在体育场馆、车站、机场航站楼中能够实现大跨度、大空间，结构简单特点，定会越来越得到广泛应用；而该树形分叉柱的正确安装对结构安全起着至关重要作用，采用该方法进行安装，具有操作方便、简单、成本低、精度高特点，后期定会广泛利用。
参考文献
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