倾斜三棱锥形桁架式框架结构及其制作、安装、测量方法

摘要

本发明公开了一种倾斜三棱锥形桁架式框架结构及其制作、安装、测量方法，该框架结构包括有三棱锥锥台部和三棱锥顶尖部；锥台部的三根棱线为由多个格构柱通过法兰连接而成的桁架柱，桁架柱的柱脚固定于作为三棱锥底面的一基台上，一根桁架柱为受压桁架柱并与底面的夹角大于90°且小于110°，另外两根桁架柱为受拉桁架柱并与底面的夹角大于50°且小于65°；锥台部还包括多个由格构单元焊接而成的桁架梁，通过与底面平行的方式分多个平行层在桁架柱之间通过法兰连接；格构柱单元由多根钢管和法兰焊接而成，格构柱单元之间通过法兰连接；顶尖部为由钢管焊接的一体结构，三棱锥顶尖部的三根棱线为沿三棱锥锥台部的桁架柱焊接延伸的钢管。

说明书

技术领域

本发明属于土木建筑工程领域中的塔桅结构工程建造技术，特别涉及一种倾斜三棱锥形钢管空间桁架式框架结构斜塔及其建造方法，结构类型为空间钢结构，具体为空间桁架式框架结构。

背景技术

国内、外的高耸结构主要有电视塔、无线电塔、微波塔、输电线路塔、旅游、观光、纪念塔，主要分为钢结构和钢筋混凝土结构(包括预应力混凝土结构)。其中钢结构有以下优点：钢材强度高、塑性和韧性好、具有匀质等向体性能、可焊可装配、整体稳定性好、整体重量轻等。国内、外采用“钢结构”的高塔建筑概况见下表。

  使用功能  立面形式  代表工程  主要建造技术  建造时  间  电视塔  直线形直塔  美国密尔沃基电  视塔329.00m  大直径圆钢和角钢的组合  结构，用钢量750t，  1962年  折线形直塔  上海电视塔  210.55m  焊接节点，地面卧拼，整  体架设  1973年  汕头电视塔  212.00m  六边形钢管结构，设预拉  力柔性杆，用钢量700t，  1989年  石家庄广播电视  塔280.00m  螺栓连接，钢管组合结构，  1997年  东京电视塔  333.00m  四边形角钢组合结构，铆  接连接；用钢量3600t，  1958年  俄罗斯圣彼得堡  电视塔315.00m  六边形格构式钢管结构，  用钢量1160t，  1962年  乌克兰基辅电视  塔380.00m，世界  最高钢结构塔  焊接连接的钢管空间桁架  结构，用钢量2800t，  1973年  亚美尼亚埃里温  电视塔312.00m  三边形空间桁架结构，设  组合式斜杆和横杆，用钢  量1758t，  1977年  无线电塔  直线形直塔  北京某无线电塔  81.00m 螺栓连接角钢杆件桁架结 构，  纤绳桅杆  波兰华沙长波桅  杆645.28m 正三边形钢管结构，3个 方向、由上至下共五道纤 绳  微波塔  两段直线形  直塔  日本电气公司  NEC  微波塔  92.00m 螺栓连接角钢杆件桁架结 构  输电线路  塔  直线形直塔  广州500kV线路  直线跨越塔  235.75m 螺栓连接角钢杆件构成的 组合结构，用钢量1040t  1987年  直线形直塔  南京220kV自立  式钢管输电塔  193.50m 法兰盘螺栓连接，钢管  1976年  旅游、观  光、纪念  塔  折线形直塔  巴黎艾菲尔铁塔  320.80m 四边形铆接型钢杆件结构 单元，散装；用钢量8500t，  1889年  空间折线形  直塔  日本水户艺术馆  瞭望塔100.00m 钢管焊接连接，预制单元， 现场组装焊接，空间桁架 结构；外装饰3.2mm厚钛 合金板  1989年  直线形直塔  日本千叶港瞭望  塔125.00m 菱形平面、六角形简体、 焊接钢管空间框架结构； 外装饰玻璃幕墙  1986年

钢结构杆件之间的连接主要有：铆接、焊接、螺栓连接等，最近20年的钢塔均采用散装法，法兰盘螺栓连接。可见王肇民《我国钢结构电视塔设计与施工概况》。

现有技术的直线或折线形直塔，因为从外观上看具有稳定性，没有倾斜所产生的紧迫和震撼的感觉，而建造斜塔有一定的技术难度，其基础、主体各单元分段加工和安装具有较复杂的变形控制措施，需要进行精确的工厂加工定位和现场安装空中定位，而现有技术还没有对建造斜塔提出一种成熟的技术方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种倾斜三棱锥形桁架式框架结构及其制作、安装、测量方法，解决现有技术还没有对建造斜塔提出一种成熟的技术方案的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种倾斜三棱锥形桁架式框架结构，其特点在于，包括有三棱锥锥台部和三棱锥顶尖部；所述三棱锥锥台部的三根棱线为由多个格构柱单元通过法兰连接而成的桁架柱，所述三根桁架柱的柱脚固定于作为所述三棱锥底面的一基台上，一根桁架柱为受压桁架柱并与所述三棱锥底面的夹角大于90°且小于110°，另外两根桁架柱为受拉桁架柱并与所述底面的夹角大于50°且小于65°；所述三棱锥锥台部还包括多个由格构单元焊接而成的桁架梁，通过与所述三棱锥底面平行的方式分多个平行层在所述桁架柱之间通过法兰连接；所述格构柱单元由多根钢管和法兰焊接而成，所述格构柱单元之间通过法兰连接；所述三棱锥顶尖部为由钢管焊接的一体结构，所述三棱锥顶尖部的三根棱线为沿所述三棱锥锥台部的桁架柱焊接延伸的钢管。

上述的框架结构，其特点在于，每隔2或3个所述平行层设置一个加强层，并且在所述平行层之间还设置有斜撑。

上述的框架结构，其特点在于，在所述三棱锥锥台部的外表面包覆有石材幕墙，在所述三棱锥顶尖部的外表面包覆有玻璃幕墙。

上述的框架结构，其特点在于，所述受压桁架柱与所述三棱锥底面的夹角为99.68°，所述两根受拉桁架柱与所述三棱锥底面的夹角为64.69°。

上述的框架结构，其特点在于，所述三根桁架柱的柱脚形成以所述受压桁架柱的柱脚为顶点的等腰三角形，并且顶角为50°。

上述的框架结构，其特点在于，所述等腰三角形的底边为25.2米，高为27米，所述平行层的间距为12米，所述三棱锥锥台部高73米。

为了更好的实现本发明的目的，本发明还提供了一种上述框架结构的制作、安装方法，其特点在于，包括如下步骤：步骤一，焊接制作用于组装桁架柱和桁架梁的格构柱单元，焊接制作由钢管结构组成的三棱锥顶尖部；步骤二，建造作为所述三棱锥底面的基台；步骤三，吊装所述格构柱单元，于所述基台上焊接组成所述桁架柱和桁架梁，组成所述三棱锥锥台部；步骤四，将所述三棱锥顶尖部吊装至所述锥台部的顶端，使所述三棱锥顶尖部的三根棱线沿所述三棱锥锥台部的三根桁架柱延伸对齐。

上述的方法，其特点在于，所述步骤三进一步包括：步骤31，进行柱脚测量，吊装位于柱脚与第一平行层之间的组成所述受压桁架柱的第一节受压桁架柱，吊装组成所述两根受拉桁架柱的两根第一节受拉桁架柱；吊装位于所述第一平行层并分别连接所述三根桁架柱的三根第一层桁架梁；步骤32，吊装位于第一平行层与第二平行层之间的第二节受压桁架柱和两根第二节受拉桁架柱；吊装位于所述第二平行层并分别连接所述三根桁架柱的三根第二层桁架梁；步骤33，安装第一、二层桁架梁之间的面梁；步骤34，安装现有层的上一层的桁架柱和桁架梁；步骤35，安装所述上一层的桁架梁与所述现有层桁架梁之间的面梁；步骤36，重复步骤34、35，直到组成所述三棱锥锥台部。

为了更好的实现本发明的目的，本发明还提供了一种用于上述框架结构的制作、安装方法中的测量方法，其特点在于，包括如下步骤：步骤91，在安装每一层的桁架柱和桁架梁时，选一根桁架梁的中点作为基准点，采用悬吊钢尺传递高程，测出所述基准点的标高；步骤92，测量每一层的桁架柱和桁架梁的位置误差，并进行调整；步骤93，测量所述框架结构的整体变形，在所述三棱锥顶尖部选定一选定点，在所述三棱锥底面所在平面的两点架设经纬仪，并保证所述经纬仪在所述框架结构发生变形时能够观测到所述选定点，之后进行多次观测，把每次观测的记录进行比较，计算出所述框架结构的变形结果。

上述的测量方法，其特点在于，所述步骤92中的调整包括：对超过垂直方向误差限度的桁架柱，用卷扬机向相反方向拉，合乎要求后，将桁架柱的法兰间产生的间隙用斜垫片垫实。

本发明的技术效果在于：

(1)应用斜塔空间钢结构三棱锥形巨型管桁架结构单元体加工制作技术，通过采用先进的空间定位、加工和焊接工艺，解决了空间钢结构的加工制作难题；

(2)针对工程特点，研究解决了空间钢结构斜塔的空间精确定位、高空分段组合吊装等技术难题。

(3)采用斜塔钢柱脚倾斜预埋锚栓技术。通过加工模具、采用全站仪控制，解决了倾斜预埋锚栓的质量控制难题。

综上所述：通过复杂有序的桁架式框架构件(桁框架梁、桁框架柱、撑杆、连系杆等)组成了严密的“空间桁架式框架结构体系”，具有了足够的强度、稳定性和耐久性，该倾斜钢结构可以满足承受使用荷载(主要是水平风荷载)，结构的安全等级达到了规范要求的“二级”。

附图说明

图1为本发明框架结构的立面示意图；

图2为本发明格构柱单元的成型胎组装前放样立胎平台面布置图；

图3为本发明格构柱单元的放样立胎工装简图；

图4为本发明框架结构的安装场地周围布设的闭合导线控制网示意图；

图5为本发明在安装过程中的高程测量计算的示意图；

图6为本发明安装后的变形测量示意图。

具体实施方式

参考图1，为本发明的倾斜三棱锥形钢管空间桁架式框架结构的立面示意图，本发明框架结构为一标志塔，标志塔为焊接钢管空间桁架式框架结构，为倾斜三棱锥形状。73m以下由三根斜向格构柱构成，73m以上采用3根钢管构成，横向配合钢管横梁和斜杆连接成整体，73m以下每隔12m设置加强桁架梁，并在层间设置斜撑。

标志塔的底层水平截面即三棱锥底面的外轮廓为顶角为50°的等腰三角形，也就是本发明框架结构的三根桁架柱的柱脚形成以受压桁架柱的柱脚为顶点的等腰三角形，等腰三角形的底边为25.2米，高为27米。三根桁架柱于三棱锥底面的夹角为99.68°，两根受拉桁架柱与所述三棱锥底面的夹角为64.69°

钢结构斜塔基本构件为钢管和法兰，组合成空间桁架梁、空间桁架柱，桁架梁之间为平面桁架，桁架梁和桁架柱分段焊接成一体，通过法兰连接。

一、本发明的框架结构主要工艺如下：

主体结构钢管管径大于φ400均用Q345E钢板卷焊；管径小于φ400并大于φ180采用Q345C无缝钢管，管径小于并等于φ180者采用Q235C无缝钢管。与法兰节点有关的所有板材和螺栓均用Q345C钢。

除法兰节点以外的其余塔内型钢、节点板、钢板均采用Q235B。

管径大于φ400采用3000t液压机卷管，3000t精装机精整。采用双面坡口埋弧自动焊焊接，焊缝采用超声波探伤。塔柱主杆及桁架主杆采用火焰切割法进行下料，下料尺寸允许偏差：宽+1mm 长0-3mm。

加工坡口：用半自动气割打坡口，坡口面要求光滑，清除氧化皮，将缺棱部位磨平。预弯：用相匹配的预弯模预弯，φ600规格采用650预弯模，φ450规格采用500预弯模，两端安装过渡块，避免局部压痕。折弯：采用3000t压力机，在折弯过程用计算机控制进深量，折弯对点偏差不大于开口直径，应控制在20mm范围内。合缝：板厚为16、20、24的管均采用自动合缝架合缝，板厚28的用3000t精整机进行合缝，椭圆度、错边量、合缝间隙、扭曲度都是合缝段必须控制的指标。精整：选用600、450的精整模对Φ600、Φ450的管径进行精整，椭圆度偏差-1～2，长度每隔0.5m整一次，然后旋转45°再整一次，如此循环将直线度偏差控制在3mm范围以内，精整前需将焊缝余高磨平，避免余高部分压下时连带压深过渡。局部热校直：观察管体的弯形情况(外凸或内凹)，针对出现的情况选择校直方法：火焰法、机械法、机械法和火焰法相结合的三种方法进行解决。

放样立胎：标志塔单元体构件为空间结构，放样精度需采用有效措施进行控制。桁框架梁、柱的节点相贯线最多达9道，主管最大直径600mm，最大壁厚28mm。在放样之前，采用AutoCAD建立斜塔及其每个桁架构件的三维模型，然后根据细部图纸，在放样平台上对桁架构件进行1∶1实物放样。如图2所示，为成型胎组装前放样立胎平台面布置图。根据工艺卡及构件图中的水平方向标注确定法兰孔或板的位置，根据滑胎的角度标识来调节好两面角的位置，同时利用圆胎上原有的定位销孔来定位。所立各胎支架在加固焊接后必须用余料进行加固措施，预防组装过程中碰撞变形；立完胎后必须进行段检合格后与工位操作人员进行现场交接。

整体组装放样立胎，图3为放样立胎工装简图：确定各横斜杆节点的投影位置；待样全部放完后，将立胎用平放胎板调至适当立胎位置避开节点管位置，且不影响吊锤使用。将板吊入后查看板下闪缝情况，要求与地面贴合良好，无缝隙，并用膨胀螺栓进行地面紧固，并与水泥平台拉地盘焊接到一起。将装配好的支架放到预先设置的放置点处，利用水准仪水平找正，进行加固焊接。放样完毕后根据各节点平面位置进行检样、校样合格后进行下一步操作。对胎完毕后，依据工艺卡或构件图的标示，确定节点法栏板或孔的位置。

格构柱单元的两端法兰盘组装焊接工艺如下：

主杆两端法兰盘组装用大液压滑胎组装，组装长度允许±2mm。两端法兰盘焊接应用埋弧自动焊机(MZ-1-1000)、倾斜架工装。

节点管组装焊接顺序：先组装主杆两端法兰盘→焊接两端法兰盘→组装两端法兰盘径板→焊接两端两端法兰径板→组装主杆节点管、连板→焊接节点管及连板。主杆节点组装前，先将节点组装焊接完毕。

塔架组装：先放样、立胎。塔体分三组胎具组装，桁架三组胎具，共6套胎具同时操作，根据图纸尺寸在平台上放大样。在铁板上把胎板组装好，组装胎板时，用水准仪打好水平。胎板立好后，将主杆吊到胎板上，同时紧固好两端法兰盘，再把横杆对准在比子上，准确无误后再让电焊工把杆件点固定好。

设计要求管—管相贯节点均为一级焊缝，而且由于管结构材质为Q345钢和钢管壁较厚，给焊接带来很大难度。设计要求凡是钢管、钢板的对接焊，钢管法兰的内外环焊缝均要求一级焊缝，100％外观检测，100％超声波探伤。而且大量的大口径钢管交叉焊缝，一部分节点为多次相贯焊缝非常密集，应作好防变形措施。严格按照建筑钢结构焊接规程JGJ81-91进行焊缝的无损检检验(超声波探伤、磁粉探伤)。对不合格的焊缝进行返修，返修之后仍要通过检测。

二、斜塔空间桁架式框架钢结构的安装技术如下：

标志塔结构为焊接钢管空间钢结构，主体三个面倾斜，受压柱倾斜9.680，受拉柱倾斜25.310。钢结构构件的连接采用法兰。

1)施工方案确定

斜塔钢结构构件重，单个构件十几吨、二十多吨，并且为保证后续工序施工，附房结构必须施工，吊车工作半径加大。经综合考虑决定采用吊车吊装。

2)工艺流程及操作方法

施工工艺流程：柱脚测量→吊装第一节受压柱→吊装第一节受拉柱→吊装第一节南北大梁→吊装第一节东侧大梁→吊装第二节受压柱→吊装第二节受拉柱→吊装第二节南北大梁→吊装第二节东侧大梁→安装第一、二节大梁间的面梁→安装上一层柱、梁→安装上一层面梁→以此类推→吊装塔尖。

北面的大梁51.997m以下均由80t吊车完成，东面、南面的梁和北面51.997m以上的由150t履带吊完成。标高73.000米～85.000米以下塔段分件吊装。85m以上塔体整体吊装。幕墙和避雷、航空灯以及泛光照明等所有设备必须在地面组装好，整体吊装。采用300t吊车吊装，150t履带吊配合摘钩。

高强螺栓安装：高强螺栓连接副扭矩检验应在施拧1h后，48h内完成。

检验方法：在螺尾端头和螺母相对位置划线，将螺母退回60度左右，用扭矩扳手测定拧回至原来位置时的扭矩值。该扭矩值与施工扭矩值的偏差在10％以内为合格。

高强螺栓连接副终拧扭矩值按下式计算：Tc＝K×Pc×d

式中     Tc——终拧扭矩值(N.m)

         Pc——施工预拉力值标准值(kN)

         d——螺栓公称直径(mm)

         K——扭矩系数(0.11～0.15)

高强螺栓连接副施拧预拉力值标准值

三、斜塔空间钢结构测量控制技术如下：

标志塔空间结构复杂，其安装精度又要求非常高，预埋锚栓垫板法兰中心标高水平方向偏差值小于±5mm，垂直方向偏差值小于±2mm，角度偏差值小于±0.02°。

1)总体控制

平面控制：场地控制测量，按照高级控制低级、由整体到局部、先控制后碎部逐级控制的测量原则，结合场地、工程建筑结构特点，根据现场通视条件及现场施工的需要，以城市导线点为高级控制点，沿场地周围布设了一条闭合导线，作为首级控制导线网。导线全长中误差高于1/40000，方位角闭合差小于±5n1/2″(n为导线点个数)，平差后精度指标：测角中误差小于±4″，边长相对中误差高于1/45000。图4为安装场地周围布设的闭合导线控制网示意图：

轴线控制点的测放，按常规正倒镜头点法投测，并经平差、复核后，采用直角坐标法测放出其他线及墙体控制线等细部线。为了便于检核，在各流水段内应以适当密度设置预留点，对于标志塔的点位检查采用激光铅直仪法进行投点检核。

2)竖向标高控制

从第一节到最后一节钢柱连接的测量控制：

高程测量，图5为高程测量计算的示意图，在安装每节时，选一根梁的中点G作为基准点，采用悬吊钢尺传递高程，按照下面公式测出基准点的标高

Hm＝Hh+a+1+Δt+Δk

Hm所测中点的标高；

Hh地面上水准点高程；

钢尺距离；

Δt钢尺温度改正数；

Δk钢尺尺长改正数。

由于受现场条件的影响，不能都是用悬吊钢尺传递高程法，最后决定用水管以所测基点为准，对其他各点进行抄平。具体方法是：选30mφ10的透明水管，先将水管灌满水(注意水管中不能有气泡)，将两端拉结，以防管内水流出，将水管两端的结打开，一端先靠在基准点上，另一端靠在被测点H、I上，并慢慢移动水管(上或下)，使基准点一端的水管中的水柱逐渐靠近基准点，最后调整到该点处水柱的凹液面与基本准点相平，用三角板量测点与基准点的高差，做好记录，然后在安装时进行调整。

3)对受压柱和受拉柱进行测量控制，并使用如下纠偏措施：对垂直度超差者，可用卷扬机将塔柱向相反方向拉，当合乎要求后，将塔柱法兰产生的间隙用斜垫片垫实。

4)竣工后的变形测量

参考图6，为竣工后的变形测量示意图。在塔顶选定一特殊点S点，保证塔发生变形时，在M、N点架设经纬仪观测S点时都能观测到。具体方法是：

在图中以“X”轴为坐标系中的“X”轴，以“C”轴为坐标系中的“Y”轴，所以只要每次观测时计算出S点的坐标，把每次观测的记录进行比较，就可以计算出标志塔的变形结果。图中M点到N点的距离为2L，0是M点和N点的中点。当标志塔变形时，可以应用数学公式根据α、β和2L等数据计算出S点的坐标。推理如下：

由|MR|tagα＝|NR|tagβ＝|RS|、|MR|+|NR|＝2L推出|MR|与|NR|的距离，即得出S点的坐标，由各次坐标值得出变形结果。

综上所述，本发明在结构体系形成的基础上，对钢结构方案设计进行深化设计，设计出每一个结构单元的“上弦、下弦、腹杆、连接节点”等的详细尺寸、位置、水平角、垂直角；对这种复杂的“斜三棱锥形的空间桁架式框架结构斜塔”进行空间钢结构杆件单元体加工，控制其精度，误差小于2mm，保证焊接质量(超声波探伤达100％合格)，优化组合出一种最合理的安装顺序，以利于现场安装，对现场安装过程中的塔体进行临时抗倾覆控制，最后完成钢塔主体杆件安装。并达到如下效果：

(1)应用斜塔空间钢结构三棱锥形巨型管桁架结构单元体加工制作技术，通过采用先进的空间定位、加工和焊接工艺，解决了空间钢结构的加工制作难题；

(2)针对工程特点，研究解决了空间钢结构斜塔的空间精确定位、高空分段组合吊装等技术难题。

(3)采用斜塔钢柱脚倾斜预埋锚栓技术。通过加工模具、采用全站仪控制，解决了倾斜预埋锚栓的质量控制难题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；凡是依本发明所作的等效变化与修改，都被本发明的专利范围所涵盖。