郑州奥林匹克体育中心体育场单支点铰接立面桁架精确测量定位技术
1 工程概况
郑州奥林匹克体育中心由体育场、体育馆、游泳馆、商业及地下室组成，建筑面积约57.4万m2。体育场地上11层，地下2层，6.300m平台以下结构外轮廓基本呈矩形，东西向长约322m，南北向长约362m，混凝土结构顶标高43.850m，钢结构顶标高53.402m。建成后将作为承办全国综合性运动会的主会场。体育场立面桁架分布于体育场东西两侧，立面桁架总重为510.4t，其中最重吊装段为25.3t。
2 单支点立面桁架结构形式
立面桁架采用单支点片式桁架结构，通过支座和下部混凝土结构形成铰接，作为网架支撑(见图1)。看台罩棚支承于看台顶部周圈钢管柱，南北端部分支承于三角形巨型桁架。网架结构一端支承于钢柱，另一端支承于立面桁架。
图1 体育场立面桁架结构
Fig.1 Vertical truss structures of the stadium
3 立面桁架安装定位特点及难点
和常规钢柱、桁架定位安装不同，片式桁架在单支点状态下上部结构悬挑，缺少刚性约束，在安装定位时受自重引起的下挠、焊接收缩变形等多重因素影响，如直接采用立面桁架的目标态设计坐标进行测量定位，在履带式起重机撤离、焊接完成后立面桁架空间位置相对设计位置将会有较大偏差，无法满足现场施工精度要求，造成下道工序难以施工。其中，自重和焊接对立面桁架空间位置的影响难以反馈至具体测量坐标上，这是亟待解决的问题。
4 立面桁架测量定位关键技术
4.1 控制网布设
1)平面控制网结合本工程特点，采用三级控制网进行布设，即以正式测绘成果资料提供的控制点作为首级平面控制网;根据首级控制网在体育场外围布设闭合导线或附合导线，以平差处理后的导线点形成外控制网;根据现场施工测量需要，以外控制网为基准，在体育场内环岛沿立面桁架分布轮廓建立相应的区域性内控制网(见图2)。
图2 体育场平面控制网
Fig.2 Plan control network of the stadium
2)高程控制网根据正式测绘成果提供的水准点，经校核无误后使用高精度水准仪引测至附近永久建筑物上投测本工程±0.000，并用红色油漆做明显标记，作为本工程高程测量依据。
4.2 基准点选取及布设
桁架施工时，需事先选取桁架测量定位基准点，基准点一般选取桁架端部或与下一道安装工序交接处，在基准点位置布设测量全站仪用反射片，反射片应大小合适，粘贴牢固，如图3所示。此项工作须在桁架拼装完成后、吊装开始前完成。
选取基准点后，根据体育场钢结构模型计算并提取立面桁架各基准点的三维设计坐标，以桁架SHJ15为例予以说明，如表1所示。
4.3 起拱值计算
单支点桁架由于自重作用，在吊装过程中，起重机松钩后，桁架会出现下挠现象，以致桁架空间位置发生偏移。为预控此类变形，需计算单支点桁架在自重作用下的下挠值，使用有限元分析软件MIDAS建立模型、还原单支点铰接约束条件、模拟现场施工措施进行计算，所得下挠值和实测值进行对比，两者相符，则计算所得下挠值为实际校正时所需起拱值。通过计算，各基准点下挠值如表2所示。
图3 基准点选取和布设
Fig.3 Selection and layout of datum points
表1 桁架基准点三维坐标
Table 1 The three-dimensional coordinates of truss datum points
mm
表2 基准点下挠值
Table 2 The deformation of datum points
4.4 焊接收缩量模拟
在片式桁架构件板厚较大时，焊接收缩直接影响桁架空间位置。焊接收缩变形难以预估和计算，也是此类问题的难点和关键，为预控此类变形，需采用与待安装桁架相同管径及板厚的试件且使用相同焊接工艺进行焊接，模拟片式桁架焊接过程得到焊接收缩量(见图4)。
如在吊装片式桁架SHJ-15前，取和SHJ-15及与之连接的XHJ15相同规格钢构件PIP450×16和PIP560×30试件，采用正式安装焊接时的焊接顺序和焊接方法，待完成后记录试件焊接收缩量，同种规格试件重复3次焊接流程，取3次平均值作为最终焊接收缩量。具体模拟所得收缩量如表3所示。
表3 焊接收缩量统计
Table 3 Statistics of welding shrinkage
4.5 三维坐标修正
定义待定位片式桁架4个基准点的设计坐标分别为(X1,Y1,Z1),(X2,Y2,Z2),(X3,Y3,Z3),(X4,Y4,Z4),4个基准点所在位置经有限元分析软件计算所得下挠值分别为Δ1，Δ2，Δ3，Δ4，下挠方向与所建立坐标系x,y,z轴夹角分别为(α1，β1，γ1)，(α2，β2，γ2)，(α3，β3，γ3)，(α4，β4，γ4)。4个基准点所在位置经焊接模拟所得收缩量分别为ε1，ε2，ε3，ε4，收缩方向与所建坐标系x,y,z轴夹角分别为(θ1，φ1，ω1)，(θ2，φ2，ω2)，(θ3，φ3，ω3)，(θ4，φ4，ω4)。则修正后的4个基准点三维坐标分别为:(X1-Δ1cosα1-ε1cosθ1,Y1-Δ1cosβ1-ε1cosφ1,Z1-Δ1cosγ1-ε1cosω1),(X2-Δ2cosα2-ε2cosθ2,Y2-Δ2cosβ2-ε2cosφ2,Z2-Δ2cosγ2-ε2cosω2),(X3-Δ3cosα3-ε3cosθ3,Y3-Δ3cosβ3-ε3cosφ3,Z3-Δ3cosγ3-ε3cosω3),(X4-Δ4cosα4-ε4cosθ4,Y4-Δ4cosβ4-ε4cosφ4,Z4-Δ4cosγ4-ε4cosω4)。
根据前述自重下挠的计算结果及焊接收缩模拟值，可代入以上算式得出桁架修正后的三维坐标，以桁架SHJ15为例，计算结果如表4所示。
4.6 桁架校正与复核
进行立面桁架校正时，使用高精度全站仪配合安装前布设的激光反射片进行测量，和修正后的各基准点三维坐标一一比对，使用缆风绳配合手拉葫芦及底部千斤顶进行调教(见图5)，直至桁架各基准点实际空间位置和修正后三维坐标相符为止。
图5 立面桁架校正及复核
Fig.5 Checking the position of vertical truss
在片式桁架焊接完成且所使用起重机松钩撤离，焊接收缩及自重下挠已经结束，整个结构处于最终设计状态时，对片式桁架4个基准点实际三维坐标进行复测，和对应的设计坐标(X1,Y1,Z1),(X2,Y2,Z2),(X3,Y3,Z3),(X4,Y4,Z4)进行比对，确保最终误差处在合理范围，不影响下一道工序施工。
5 结语
郑州奥林匹克体育中心体育场外罩棚立面桁架共29片，于2017年9月18日开始安装，至2017年12月4日完成。安装完成后对立面桁架实际空间位置分阶段进行3次测量复核。复核时间分别为起重机撤离、焊接完成、焊接完成后24h。测量复核结果与结构分析模型计算结果及试件模拟焊接结果吻合程度高，最终立面桁架实际位置与设计位置的偏差符合规范及设计要求，成功完成立面桁架测量校正工作。
表4 三维坐标修正
Table 4 Correction of three-dimensional coordinates
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