CN116579046A - 一种中心配准的钢结构预拼装方法及接头自抱持装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢结构拼装技术领域，特别涉及一种中心配准的钢结构预拼装方法及接头自抱持调节装置。该方法利用钢结构节段的实测数据构建数字模型，以钢结构节段的端面中轴线为匹配基准进行虚拟预拼装，通过现场测量和虚拟预拼装模拟取代实体预拼装方式，利用数据转换、计算得到合理线形状态下的接头连接件安装参数，作为指导装置调整与接头安装的放样参数，并配合以简单轻便的接头自抱持调节装置提供可靠、稳定的施工平台，辅助连接件的安装，实现钢结构接头的快速匹配连接。本发明通过虚拟预拼装方法进行空间姿态匹配，继而利用可装配使用的辅助装置实现相邻连接端的准确定位安装，节约了时间和空间成本，保证了安装质量。
Description
技术领域
本发明属于石油开采修井技术领域，特别涉及一种中心配准的钢结构预拼装方法及接头自抱持调节装置。
背景技术
大型钢结构制造受运输和安装条件的限制，往往需要在现场完成组拼，并要求现场组拼满足较高的精度要求。例如，钢管节段连接常采用内法兰盘栓接、管外嵌补焊接的形式，因为法兰的安装独立于钢管组拼，法兰与钢管的相对姿态、相邻法兰的相对姿态将必须两两匹配，才能保证节段的顺利连接。
现有安装方法是将相邻节段管口按设计间距摆放，前一节法兰按设计放样位置完成焊接，后一节待安装法兰先紧贴已安装法兰点焊，临时固定状态下完成法兰盘肋板焊接，随后切割掉点焊连接部位，完成一次法兰匹配安装。现有安装方法在实际操作过程中存在以下问题：(1)节段的吊运、调整费时费力；(2)参照节段会额外占用拼装场地，拖慢施工进度；(3)点焊与切割可能导致焊接变形，影响节段之间法兰紧密贴合。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种中心配准的钢结构预拼装方法及接头自抱持调节装置，该方法利用钢结构节段的实测数据构建数字模型，以钢结构节段的端面中轴线为匹配基准进行虚拟预拼装，从而获取准确的连接端放样参数，并配合以简单轻便的接头自抱持调节装置提供可靠、稳定的施工平台，辅助连接件的安装，实现钢结构接头的快速匹配连接，提高生产效率，降低成本。
本发明的技术方案在于：一种中心配准的钢结构预拼装方法，包括以下步骤：
S1：对待拼装的多个钢结构节段分别进行数据采集，数据采集的方式为对钢结构节段的关键测点进行有限测点测量或者对钢结构节段整体进行三维扫描测量；
S2：对待拼装的多个钢结构节段的采集数据进行处理，具体为对每个钢结构节段进行虚拟空间重构，建立钢结构节段的数据模型，并对相邻钢结构节段的数据模型进行平移、旋转操作，使钢结构节段端面中心点连线按设计位置匹配与对接，实现在虚拟空间的预拼装模拟，得到待拼装钢结构节段之间待安装法兰的放样参数；
S3：在钢结构节段的待安装连接端安装接头自抱持调节装置，并根据步骤S2中得到的待安装法兰的放样参数调节所述接头自抱持调节装置，将待安装法兰调整并固定在放样位置，校验无误后，完成待安装法兰的的匹配与安装；
S4：拆除接头自抱持调节装置，移运已安装完成的钢结构节段，等待吊装。
所述步骤S1中对待拼装的多个钢结构节段分别进行数据采集，数据采集测量时待拼装的钢结构节段需处于相同放置状态，即同时保持立式放置状态或者侧卧式放置状态。
所述步骤S1中对待拼装的多个钢结构节段分别进行数据采集，数据采集的方式为传统技术测量，具体过程为：对待拼装的多个钢结构节段分别进行数据采集前，要标定钢结构节段和待安装法兰的放样测点，待安装法兰和钢结构节段关键截面的放样测点均大于三个，在待测钢结构节段上标定关键截面的关键测点后，进行坐标点测量，根据关键点的实测坐标确定整体钢结构节段内关键截面之间的相对位置；关键截面选择待测钢结构节段的首尾端截面及其他设计控制截面，相关测点包含但不限于放样测点，在测量过程中同一节段各测点需处于同一坐标系下；所述步骤S2中，以步骤S1中测量的关键测点连线组成的模型为处理对象，首先将关键测点连线组成的模型按照设计朝向和状态初步放置到位，提取各钢结构节段关键截面中心点连线作为钢结构节段实测线形，输入设计线形的夹角参数，以实测线形为基准将数据模型按照设计夹角进行偏转，完成虚拟预拼装匹配，随后在待安装连接端以钢结构节段各自管口为基准建立局部坐标系，将钢结构节段各自管口放样点数据向局部坐标系转换，给出所述钢结构节段各自管口放样点的相对位置或者距离参数。
对于圆形截面的钢结构，各截面放样测点设置四个，分别在钢结构节段每个管口、待安装法兰的圆周四分点处。
所述步骤S1中对待拼装的多个钢结构节段分别进行数据采集，数据采集的方式为三维激光扫描技术测量，对待测钢结构节段整体进行三维激光扫描测量，获取钢结构节段整体面状分布的点云数据模型，三维扫描各测站的点云数据之间要保证重叠区域的标靶球能够识别且重合；所述步骤S2中，以步骤S1中三维激光扫描的点云数据模型为处理对象，首先将实测点云数据模型与设计点云模型进行配准，利用设计模型的空间几何关系确定相邻钢结构节段点云模型的匹配姿态，并提取钢结构节段的关键截面中心点进行配准调整，完成数据模型的预拼装，随后分别对已经安装的法兰盘及其螺栓孔的轮廓线和关键点进行提取，确定法兰放样的关键控制点，最后以待安装连接端钢结构节段各管口为基准建立局部坐标系，对钢结构节段管口范围的点云数据向局部坐标系转换，得到所述钢结构节段各自管口放样点的相对位置或者距离参数。
一种钢结构预拼装接头自抱持装置，包括十字框架，所述十字框架的十字杆端部分别设有自抱持夹板，所述十字框架的十字杆中部分别设有调位螺栓，所述调位螺栓与所述自抱持夹板之间的十字框架的十字杆上设有定位滑块，所述定位滑块垂直于所述十字框架的十字杆方向上设有纵向定位螺栓，所述定位滑块平行于所述十字框架的十字杆方向上设有卡位螺栓，所述卡位螺栓一端与所述定位滑块可活动连接，另一端与所述自抱持夹板固定连接。
所述十字框架包括两根长度相同的钢管，两根所述钢管垂直设置，两根所述钢管中心连接处设有框架中心螺栓。
所述钢管包括第一段钢管、第二段钢管、第三段钢管…第七段钢管，总计共七段，七段钢管之间采用焊接连接，所述奇数段的钢管厚度大于所述偶数段的钢管厚度，所述奇数段的钢管表面设有螺纹。
所述定位滑块成L形，所述十字框架的十字杆垂直穿过所述定位滑块L形长边一侧，所述十字框架的十字杆与所述定位滑块L形长边接触处设有螺母，所述螺母靠近短边的一侧的定位滑块上设有凹槽，所述定位滑块L形短边一侧设有纵向定位螺栓。
所述自抱持夹板成内凹形，包括两块形状大小相同的复合板和多个固定螺栓，所述复合板为双层结构，包括钢材层和橡胶层，所述钢材层为矩形直钢板，所述橡胶层为双层阶梯状结构，多个所述固定螺栓分别穿过所述复合板橡胶层双层阶梯状结构较厚的一侧将两块复合板固定连接。
本发明的技术效果在于：1、本发明利用钢结构节段的实测数据构建数字模型，以钢结构节段的端面中轴线为匹配基准进行虚拟预拼装，从而获取准确的连接端放样参数，并配合以简单轻便的接头自抱持调节装置提供可靠、稳定的施工平台，辅助连接件的安装，实现钢结构接头的快速匹配连接，提高生产效率，降低成本。2、本发明接头自抱持调节装置通过定位滑块和调位螺栓调整法兰安装姿态，并通过自抱持夹板设计提供稳定的工作平台。2、本发明对待安装法兰采用凹槽约束和螺栓支撑的形式临时固定，可以避免焊接和切割造成的变形，使得节段连接更加紧密和可靠。3、本发明接头自抱持调节装置的自抱持夹板采用双层复合板结构，内部橡胶层采用双层阶梯状结构，橡胶层可以拆换，能适应不同管口壁厚以及弧形管口的抱持。
以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
图1是本发明实施例钢结构节段侧卧式放置的数据采集及整体坐标系示意图。
图2是本发明实施例钢结构节段侧卧式放置的测点布置及局部坐标系示意图。
图3是本发明实施例待安装法兰匹配状态下测点标定示意图。
图4是本发明实施例的钢结构节段立式放置的测点布置示意图。
图5是本发明实施例的有限测点测量虚拟预拼装示意图。
图6是本发明实施例的三维激光扫描技术虚拟预拼装示意图。
图7是本发明实施例的数据xy坐标系转换示意图。
图8是本发明实施例的数据xy平面旋转示意图。
图9是本发明实施例钢结构预拼装接头自抱持调节装置的三维结构示意图。
图10是本发明实施例钢结构预拼装接头自抱持调节装置调整待安装法兰示意图。
附图标记：1-已安装连接端；2-待安装连接端；3-自抱持夹板；4-十字框架；5-定位滑块；6-调位螺栓；7-卡位螺栓；8-框架中心螺栓；9-螺母；10-纵向定位螺栓；11-待安装法兰；12-待安装法兰肋板。
具体实施方式
实施例1
本发明的技术方案在于：一种中心配准的钢结构预拼装方法，包括以下步骤：
S1：对待拼装的多个钢结构节段分别进行数据采集，数据采集的方式为对钢结构节段的关键测点进行有限测点测量或者对钢结构节段整体进行三维扫描测量；
S2：对待拼装的多个钢结构节段的采集数据进行处理，具体为对每个钢结构节段进行虚拟空间重构，建立钢结构节段的数据模型，并对相邻钢结构节段的数据模型进行平移、旋转操作，使钢结构节段端面中心点连线按设计位置匹配与对接，实现在虚拟空间的预拼装模拟，得到待拼装钢结构节段之间的待安装法兰待安装法兰11的放样参数；
S3：在钢结构节段的待安装连接端2安装接头自抱持调节装置，并根据步骤S2中得到的待安装法兰的放样参数调节所述接头自抱持调节装置，将待安装法兰调整并固定在放样位置，校验无误后，完成待安装法兰的的匹配与安装；
S4：拆除接头自抱持调节装置，移运已安装完成的钢结构节段，等待吊装。
如图1所示，所述步骤S1中对待拼装的多个钢结构节段分别进行数据采集，数据采集测量时待拼装的钢结构节段需处于相同放置状态，即同时保持立式放置状态或者侧卧式放置状态，以消除不同状态下挠的影响。
如图5所示，所述步骤S1中对待拼装的多个钢结构节段分别进行数据采集，数据采集的方式为传统技术测量，具体过程为：对待拼装的多个钢结构节段分别进行数据采集前，要标定钢结构节段和待安装法兰11的放样测点，关键截面的放样测点大于三个，在待测钢结构节段上标定关键截面的关键测点后，进行坐标点测量，根据关键点的实测坐标确定整体钢结构节段内关键截面之间的相对位置；关键截面选择待测钢结构节段的首尾端截面或者其他设计控制截面，相关测点需包含但不限于放样测点，在测量过程中同一节段各测点需处于同一坐标系下；可参考如图1节段侧卧式放置状态下的坐标系，以钢结构节段上弦管指向下弦管为y轴方向、待安装连接端2指向已安装连接端1为x轴方向、垂直于x、y轴向上为z轴方向。所述步骤S2中，以步骤S1中坐标点测量的关键测点连线组成的模型为处理对象，首先将关键测点连线组成的模型按照设计朝向和状态初步放置到位，提取各钢结构节段关键截面中心点连线作为钢结构节段实测线形，输入设计线形的夹角参数，以实测线形为基准将数据模型按照设计夹角进行偏转，完成虚拟预拼装匹配，具体转换过程涉及坐标系的转换、数据的旋转以及平移，以xy平面为例，坐标系转换可参考图7和公式(1)，数据坐标旋转可参考图8和公式(2)，数据坐标平移参考公式(3)；随后在待安装连接端2以各自管口为基准建立如图2所示局部坐标系，该局部坐标系以1、2连线方向为y轴，垂直于y轴且平行于4、3连线方向为z轴，同时垂直于y、z轴的法兰方向为x轴，将所述的各自管口放样点数据向局部坐标系转换，计算得到各自的相对位置或者距离参数。
如图2～图4所示，对于圆形截面的钢结构，放样测点设置四个，测点1、2，3、4，1’、2’，3’、4’分别在钢结构节段每个管口、待安装法兰11的圆周四分点处。
所述步骤S1中对待拼装的多个钢结构节段分别进行数据采集，数据采集的方式为三维激光扫描技术测量，如图6所示，对待测钢结构节段整体进行三维激光扫描测量，获取钢结构节段整体面状分布的点云数据模型，三维扫描各测站的点云数据之间要保证重叠区域的标靶球能够识别且重合；所述步骤S2中，以步骤S1中三维激光扫描的点云数据模型为处理对象，首先将实测点云数据模型与设计点云模型进行配准，利用设计模型的空间几何关系确定相邻钢结构节段点云模型的匹配姿态，并提取钢结构节段的关键截面中心点进行配准调整，完成数据模型的预拼装，随后分别对已经安装的法兰盘及其螺栓孔的轮廓线和关键点进行提取，确定法兰放样的关键控制点，最后以待安装连接端钢结构节段各管口为基准建立局部坐标系，对钢结构节段管口范围的点云数据向局部坐标系转换，得到所述钢结构节段各自管口放样点的相对位置或者距离参数。
实施例2
如图9、图10所示，一种钢结构预拼装接头自抱持装置，包括十字框架4，所述十字框架4的十字杆端部分别设有自抱持夹板3，所述十字框架4的十字杆中部分别设有调位螺栓6，所述调位螺栓6与所述自抱持夹板3之间的十字框架4的十字杆上设有定位滑块5，所述定位滑块5垂直于所述十字框架4的十字杆方向上设有纵向定位螺栓10，所述定位滑块5平行于所述十字框架4的十字杆方向上设有卡位螺栓7，所述卡位螺栓7一端与所述定位滑块5可活动连接，另一端与所述自抱持夹板3固定连接。
本发明首先通过自抱持夹板3固定于待安装连接端设计位置，然后进行十字框架4、定位滑块5及相应螺母9的安装，将定位滑块5及相应的螺母9依次序安装至十字框架4上，随后将十字框架4钢管插入自抱持夹板3预留孔位，完成固定连接，在钢管交叉的十字中心处拧入框架中心螺栓8，调位螺栓6贯穿十字框架4，完成本发明装置的组装，装置完成组装之后，需要根据实测数据进行虚拟拼装模拟得到放样参数，然后将待安装法兰放置到定位滑块5的预设凹槽内，通过调整调位螺栓6伸缩长度调整待安装法兰的纵向位置和待抱持管口方向倾角，旋紧纵向定位螺栓10至顶紧待安装法兰，拧紧剩余定位滑块5相应的螺母9，完成待安装法兰肋板11的焊接，最后拆除本装置。
实施例3
在实施例2的基础上，本实施例中，优选地，所述十字框架4包括两根长度相同的钢管，两根所述钢管垂直设置，两根所述钢管中心连接处设有框架中心螺栓8。
本发明所述十字框架4包括两根长度相同的钢管，两根所述钢管垂直设置，两根所述钢管中心连接处设有框架中心螺栓8，框架中心螺栓8便于十字框架4的拆装，不使用时可以将十字框架4拆卸，节省存储空间。
实施例4
在实施例3的基础上，本实施例中，优选地，所述钢管包括第一段钢管、第二段钢管、第三段钢管…第七段钢管，总计共七段，七段钢管之间采用焊接连接，所述奇数段的钢管厚度大于所述偶数段的钢管厚度，所述奇数段的钢管表面设有螺纹。
本发明所述钢管包括第一段钢管、第二段钢管、第三段钢管…第七段钢管，总计共七段，七段钢管之间采用焊接连接，所述奇数段的钢管厚度大于所述偶数段的钢管厚度，已提供刻制螺纹的空间，所述奇数段的钢管表面设有螺纹，以供螺母9紧固卡位使用。
实施例5
在实施例2或实施例3的基础上，本实施例中，优选地，所述定位滑块5成L形，所述十字框架4的十字杆垂直穿过所述定位滑块5L形长边一侧，所述十字框架4的十字杆与所述定位滑块5L形长边接触处设有螺母9，所述螺母9靠近短边的一侧的定位滑块5上设有凹槽，所述定位滑块5L形短边一侧设有纵向定位螺栓10。
本发明所述定位滑块5成L形，所述十字框架4的十字杆垂直穿过所述定位滑块5L形长边一侧，所述十字框架4的十字杆与所述定位滑块5的L形长边接触处设有螺母9，所述螺母9靠近短边的一侧的定位滑块5上设有凹槽，所述定位滑块5L形短边一侧设有纵向定位螺栓10。所述定位滑块5为钢制异形块件，可以通过在十字框架4的十字杆轨道上滑动调整待安装法兰的径向位置。
实施例6
在实施例2或实施例5的基础上，本实施例中，优选地，所述自抱持夹板3成内凹形，包括两块形状大小相同的复合板和多个固定螺栓，所述复合板为双层结构，包括钢材层和橡胶层，所述钢材层为矩形直钢板，所述橡胶层为双层阶梯状结构，多个所述固定螺栓分别穿过所述复合板橡胶层双层阶梯状结构较厚的一侧将两块复合板固定连接。
本发明自抱持夹板3采用双层复合板结构，外部钢材层保证了自抱持夹板3的结构刚性，内部橡胶层采用双层阶梯状结构，橡胶层可以拆换，能适应不同管口壁厚以及弧形管口的抱持。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种中心配准的钢结构预拼装方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：对待拼装的多个钢结构节段分别进行数据采集，数据采集的方式为对钢结构节段的关键测点进行有限测点测量或者对钢结构节段整体进行三维扫描测量；
S2：对待拼装的多个钢结构节段的采集数据进行处理，具体为对每个钢结构节段进行虚拟空间重构，建立钢结构节段的数据模型，并对相邻钢结构节段的数据模型进行平移、旋转操作，使钢结构节段端面中心点连线按设计位置匹配与对接，实现在虚拟空间的预拼装模拟，得到待拼装钢结构节段之间的待安装法兰待安装法兰(11)的放样参数；
S3：在钢结构节段的待安装连接端(2)安装接头自抱持调节装置，并根据步骤S2中得到的待安装法兰的放样参数调节所述接头自抱持调节装置，将待安装法兰调整并固定在放样位置，校验无误后，完成待安装法兰的的匹配与安装；
S4：拆除接头自抱持调节装置，移运已安装完成的钢结构节段，等待吊装。
2.根据权利要求1所述一种中心配准的钢结构预拼装方法，其特征在于：所述步骤S1中对待拼装的多个钢结构节段分别进行数据采集，数据采集测量时待拼装的钢结构节段需处于相同放置状态，即同时保持立式放置状态或者侧卧式放置状态。
3.根据权利要求1所述一种中心配准的钢结构预拼装方法，其特征在于：所述步骤S1中对待拼装的多个钢结构节段分别进行数据采集，数据采集的方式为有限测点测量，具体过程为：对待拼装的多个钢结构节段分别进行数据采集前，要标定钢结构节段和待安装法兰(11)的放样测点，待安装法兰(11)和钢结构节段关键截面的放样测点均大于三个，在待测钢结构节段上标定关键截面的关键测点后，进行坐标点测量，根据关键点的实测坐标确定整体钢结构节段内关键截面之间的相对位置；关键截面选择待测钢结构节段的首尾端截面及其他设计控制截面，相关测点包含但不限于放样测点，在测量过程中同一节段各测点需处于同一坐标系下；所述步骤S2中，以步骤S1中测量的关键测点连线组成的模型为处理对象，首先将关键测点连线组成的模型按照设计朝向和状态初步放置到位，提取各钢结构节段关键截面中心点连线作为钢结构节段实测线形，输入设计线形的夹角参数，以实测线形为基准将数据模型按照设计夹角进行偏转，完成虚拟预拼装匹配，随后在待安装连接端(2)以钢结构节段各自管口为基准建立局部坐标系，将钢结构节段各自管口放样点数据向局部坐标系转换，给出所述钢结构节段各自管口放样点的相对位置或者距离参数。
4.根据权利要求3所述一种中心配准的钢结构预拼装方法，其特征在于：对于圆形截面的钢结构，各截面放样测点设置四个，分别在钢结构节段每个管口、待安装法兰(11)的圆周四分点处。
5.根据权利要求1所述一种中心配准的钢结构预拼装方法，其特征在于：所述步骤S1中对待拼装的多个钢结构节段分别进行数据采集，数据采集的方式为三维激光扫描技术测量，对待测钢结构节段整体进行三维激光扫描测量，获取钢结构节段整体面状分布的点云数据模型，三维扫描各测站的点云数据之间要保证重叠区域的标靶球能够识别且重合；所述步骤S2中，以步骤S1中三维激光扫描的点云数据模型为处理对象，首先将实测点云数据模型与设计点云模型进行配准，利用设计模型的空间几何关系确定相邻钢结构节段点云模型的匹配姿态，并提取钢结构节段的关键截面中心点进行配准调整，完成数据模型的预拼装，随后分别对已经安装的法兰盘及其螺栓孔的轮廓线和关键点进行提取，确定法兰放样的关键控制点，最后以待安装连接端钢结构节段各管口为基准建立局部坐标系，对钢结构节段管口范围的点云数据向局部坐标系转换，得到所述钢结构节段各自管口放样点的相对位置或者距离参数。
6.一种实现如权利要求1～5之一所述的钢结构预拼装接头自抱持调节装置，其特征在于：包括十字框架(4)，所述十字框架(4)的十字杆端部分别设有自抱持夹板(3)，所述十字框架(4)的十字杆中部分别设有调位螺栓(6)，所述调位螺栓(6)与所述自抱持夹板(3)之间的十字框架(4)的十字杆上设有定位滑块(5)，所述定位滑块(5)垂直于所述十字框架(4)的十字杆方向上设有纵向定位螺栓(10)，所述定位滑块(5)平行于所述十字框架(4)的十字杆方向上设有卡位螺栓(7)，所述卡位螺栓(7)一端与所述定位滑块(5)可活动连接，另一端与所述自抱持夹板(3)固定连接。
7.根据权利要求6所述一种钢结构预拼装接头自抱持装置，其特征在于：所述十字框架(4)包括两根长度相同的钢管，两根所述钢管垂直设置，两根所述钢管中心连接处设有框架中心螺栓(8)。
8.根据权利要求7所述一种钢结构预拼装接头自抱持装置，其特征在于：所述钢管包括第一段钢管、第二段钢管、第三段钢管…第七段钢管，总计共七段，七段钢管之间采用焊接连接，所述奇数段的钢管厚度大于所述偶数段的钢管厚度，所述奇数段的钢管表面设有螺纹。
9.根据权利要求6所述一种钢结构预拼装接头自抱持装置，其特征在于：所述定位滑块(5)成L形，所述十字框架(4)的十字杆垂直穿过所述定位滑块(5)L形长边一侧，所述十字框架(4)的十字杆与所述定位滑块(5)L形长边接触处设有螺母(9)，所述螺母(9)靠近短边的一侧的定位滑块(5)上设有凹槽，所述定位滑块(5)L形短边一侧设有纵向定位螺栓(10)。
10.根据权利要求6所述一种钢结构预拼装接头自抱持装置，其特征在于：所述自抱持夹板(3)成内凹形，包括两块形状大小相同的复合板和多个固定螺栓，所述复合板为双层结构，包括钢材层和橡胶层，所述钢材层为矩形直钢板，所述橡胶层为双层阶梯状结构，多个所述固定螺栓分别穿过所述复合板橡胶层双层阶梯状结构较厚的一侧将两块复合板固定连接。
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| CN117197410B (zh) * | 2023-11-06 | 2024-03-26 | 中铁大桥局集团有限公司 | 钢结构的虚拟拼装方法、装置、设备及存储介质 |
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