海洋鋼結(jié)構(gòu)尺寸誤差分析新方法

孟令河，秦野，王建喜，王智洪，王雪蓮海洋石油工程股份有限公司，天津300452

海洋鋼結(jié)構(gòu)尺寸誤差分析新方法

孟令河，秦野，王建喜，王智洪，王雪蓮
海洋石油工程股份有限公司，天津300452

海洋鋼結(jié)構(gòu)精度是反映鋼結(jié)構(gòu)建造的一項重要指標，傳統(tǒng)海洋鋼結(jié)構(gòu)精度分析方法是通過對比實際測量尺寸與理論尺寸的差值反映鋼結(jié)構(gòu)的誤差，這種方式簡單卻不夠直觀，不利于施工人員進行尺寸的調(diào)整。運用最小二乘坐標擬合技術(shù)，使實測數(shù)據(jù)最優(yōu)匹配設(shè)計數(shù)據(jù)，并使鋼結(jié)構(gòu)的尺寸誤差以三維偏差的大小和方向表示，直觀合理，并利用AutoCAD VBA編寫計算程序，快速計算出偏差值，對現(xiàn)場施工調(diào)整及誤差評估具有很好的作用。

最小二乘法；坐標擬合；設(shè)計數(shù)據(jù)；實測數(shù)據(jù)；三維精度

1 傳統(tǒng)海洋鋼結(jié)構(gòu)精度分析方法

傳統(tǒng)海洋鋼結(jié)構(gòu)精度分析方法是通過對比實際測量尺寸與理論尺寸的差值來判斷結(jié)構(gòu)精度是否滿足要求，這種方法雖可以判斷簡單的結(jié)構(gòu)尺寸，但是對于復雜結(jié)構(gòu)，就很難反映各個測量點的偏差，而且不利于施工方調(diào)整尺寸。以某導管架形式的鋼結(jié)構(gòu)為例，如需全面反映該鋼結(jié)構(gòu)的制造誤差，需要用多個尺寸表示，如圖1所示。如某一尺寸超出誤差允許范圍，則調(diào)整這個節(jié)點時需要綜合考慮是否會影響相鄰尺寸或者對角尺寸等，調(diào)整的方向和大小都很難判斷。

2 新的海洋鋼結(jié)構(gòu)精度分析方法

圖1　鋼結(jié)構(gòu)三維尺寸示意

本文介紹了一種坐標擬合技術(shù)，通過最小二乘法使實測點最佳匹配理論數(shù)據(jù)，即所有偏差值之和為最小，使各個節(jié)點的三維偏差真實客觀地反映出來，非常方便指導施工方合理調(diào)整尺寸。仍以導管架結(jié)構(gòu)形式為例，如圖2所示，每個節(jié)點的偏差值都是相對于理論數(shù)據(jù)模型的。要調(diào)整某點的三維空間位置，只需要向相反方向調(diào)整相應的偏差值就可以了。由于是在最小二乘法的基礎(chǔ)上，所以調(diào)整的總量是最小。

圖2　鋼結(jié)構(gòu)三維偏差示意

2.1鋼結(jié)構(gòu)坐標擬合原理

在海洋鋼結(jié)構(gòu)實際誤差分析中，二維坐標擬合最為普遍和實用，現(xiàn)以二維平面結(jié)構(gòu)為例介紹其擬合原理。首先在CAD中畫出鋼結(jié)構(gòu)的理論模型，得到各個節(jié)點的理論坐標。為方便分析，在CAD中使理論模型的主軸線平行于X軸或Y軸，設(shè)各個節(jié)點理論坐標為（xSi，ySi），i=1，2，…，n，施工現(xiàn)場用全站儀測量鋼結(jié)構(gòu)各個節(jié)點的實際坐標，設(shè)各個實測點坐標為（xi，yi），i=1，2，…，n，根據(jù)坐標旋轉(zhuǎn)平移原理，實測點通過坐標旋轉(zhuǎn)平移后與理論坐標的偏差為vx、vy，則坐標變換的矩陣形式為：

式中：vxi、vyi為第i點坐標的偏差值；α為實測坐標繞Z軸逆時針旋轉(zhuǎn)的角度，p、q為X軸方向與Y軸方向的平移分量；x0i、y0i為第i點的坐標初始值。

設(shè)cosα=u，sinα=w，則（1）式可以展開為：

在平差計算前，需要計算參數(shù)p、q、u、w的初始值，設(shè)初始值為p0、q0、u0、w0，為計算參數(shù)初值，選擇任意相對應的兩組實測點與理論點坐標，設(shè)兩組實測點坐標為xk、yk、xl、yl，兩組理論點坐標為xSk、ySk、xSl、ySl，則存在如下變換關(guān)系：

由此可計算初值p0、q0、u0、w0。

根據(jù)最小二乘法原則，應使實測坐標變換后與理論坐標的所有坐標偏差值之和為最小，即令γ=最小，同時滿足條件：u2+w2=1，運用帶約束條件的間接平差即可計算修正值p?、q?、u?、w?［1］，平差值為修正值與初始值之和，即

至此，坐標變換的參數(shù)計算完畢，再根據(jù)（2）式即可計算出各個節(jié)點的偏差值。

2.2程序編寫

根據(jù)上述數(shù)學計算原理，利用Auto CAD VBA （VisualBasic ForApplications）編寫計算程序，VBA是微軟開發(fā)出來在其桌面應用程序中執(zhí)行通用的自動化任務的編程語言。VBA是Visual Basic的一個子集，VBA不同于VB，主要是VBA要求有一個宿主應用程序才能運行，而且不能用于創(chuàng)建獨立應用程序。VBA可使常用的過程或者進程自動化，可以創(chuàng)建自定義的解決方案，最適用于定制已有的桌面應用程序［2］。

對于本文坐標擬合程序，VBA比其他計算機語言編寫的獨立應用程序更具優(yōu)越性，可以省略數(shù)據(jù)的輸入，用鼠標點擊各個節(jié)點代替數(shù)據(jù)的輸入，操作非常方便，執(zhí)行效率非常高。本程序運行界面如圖3所示。

圖3　坐標擬合程序界面

3 實際應用

在組塊海上安裝前，運用該方法進行模擬對接，分析計算各個對接點的偏差值，從而對過渡段或鋼樁進行相應的微量調(diào)整，進而降低海上安裝的風險。以墾利10-1 CEP平臺為例，該項目組塊共有8條腿，A軸與B軸的跨距達40 m，質(zhì)量約12 000 t，由于采用浮托法安裝，導管架頂部的橫向無拉筋連接，導管架在運輸與安裝過程中頂部容易產(chǎn)生形變，因此安裝前對對接處進行精度評定和調(diào)整非常重要。

首先，在組塊陸地建造完工后測量組塊底部各個立柱的圓周上若干點坐標，如圖4所示，并運用文獻［3］或［4］中的最小二乘法計算組塊8根立柱的圓心坐標，此8個圓心坐標作為坐標擬合的設(shè)計數(shù)據(jù)使用。為方便后期偏差分析計算，在測量時使全站儀的X軸平行于組塊的主軸線，組塊立柱底部圓心坐標數(shù)據(jù)見表1。在海上安裝組塊前，測量導管架上與鋼樁連接的LMU圓周上若干點坐標，依舊運用文獻［3］或［4］的方法計算各個LUM最佳圓心坐標，LMU圓心坐標數(shù)據(jù)見表2。

圖4　組塊底部立柱圓心位置

表1　組塊立柱圓心數(shù)據(jù)/mm

運用本文坐標擬合方法，使實測8個LMU圓心數(shù)據(jù)最佳匹配組塊底部8根立柱圓心數(shù)據(jù)。計算結(jié)果如表3所示。

依據(jù)表3的偏差值畫出LMU的偏差圖，如圖5所示。根據(jù)該項目對接允許誤差，可以首先評估安裝對接的風險，進而對相應的LMU進行相應的微量調(diào)整。

表2　L MU圓心數(shù)據(jù)/mm

表3　坐標擬合數(shù)據(jù)與偏差值/mm

圖5　墾利10-1平臺L MU偏差數(shù)據(jù)

通過應用本文介紹的方法，對相應的LMU做了調(diào)整，保證了墾利10-1 CEP平臺的順利安裝。相比類似項目，該項目節(jié)省至少3 d工期。

4 結(jié)束語

通過對傳統(tǒng)的海洋鋼結(jié)構(gòu)誤差分析方法和本文提出的海洋鋼結(jié)構(gòu)誤差分析方法的對比，可以得出：

（1）本文鋼結(jié)構(gòu)誤差分析法以偏差大小和方向表示，比傳統(tǒng)的以尺寸長度表示法更加直觀合理。

（2）運用最小二乘法使實測數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)進行最佳匹配，保證了所有偏差之和最小，因此可以大大減少在建鋼結(jié)構(gòu)修改的尺寸幅度，有效地指導施工部門對尺寸進行調(diào)整，進而縮短鋼結(jié)構(gòu)建造工期。

（3）對于海洋鋼結(jié)構(gòu)對接安裝前風險評估和微量調(diào)整具有重要作用，例如以組塊底部立柱的實測圓心坐標為設(shè)計數(shù)據(jù)，以鋼樁、過渡段、LMU等與組塊連接的結(jié)構(gòu)圓心為實測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)最優(yōu)匹配。從而可以直觀地分析各個對接點的偏差大小和方向，如果偏差超出允許范圍，可以在組塊安裝前對鋼樁、過渡段、LMU等進行微量調(diào)整以保證順利安裝。

［1］陶本藻，邱衛(wèi)寧，黃加納.誤差理論與測量平差基礎(chǔ)［M］.武漢：武漢大學出版社，2003：102-148.

［2］張士艦，劉春杰.導管架鋼樁跨距精確測量的一種新方法［J］.中國海上油氣，2014，26（5）：92-95.

［3］劉春杰，張士艦.一種導管架整體尺寸檢測方法［J］.測繪工程，2014，23（2）：39-44.

［4］劉春杰，張士艦，孫云虎.三維坐標系下檢測導管架圓形桿件空間位置狀態(tài)的方法：中國，ZL201010115279.X［P］.2012-11-28.

ANew Method for Analyzing Dimension Deviations ofOffshore SteelStructures

MENG Linghe，QIN Ye，WANG Jianxi，WANG Zhihong，WANG Xuelian
China Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

The precision is one of the important indexes in steel structure construction.Traditional analytical method to reflect precision of offshore steel structure is to compare deviations between real measured dimension data and theoretical dimension data.This method is simple but cannot directly demonstrate the deviations and is inconvenient for construction team to adjust the dimensions.In this paper，a coordinate fitting technique with least square method is applied to optimally fit measured data with design data，and the dimension deviations of steel structure are shown in 3D sizes and directions，which is direct and reasonable.The calculation method is programed with AutoCAD VBAto rapidly calculate the deviations. Keywords：least square method；coordinate fitting；design data；measured data；three dimensionalprecisions

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.020

孟令河（1982-），男，山東濱州人，工程師，2007年畢業(yè)于中國石油大學（華東）測繪工程專業(yè)，主要從事鋼結(jié)構(gòu)測量技術(shù)研究工作。Email：306119898@qq.com

2016-01-15；

2016-04-08