整體式球鉸在轉(zhuǎn)體橋中的應(yīng)用*

朱建鋒

(中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司，陜西 西安 710032)

1 工程概況

隴西—漳縣高速公路渭河特大橋全長2 782.92m，為本項目重難點(diǎn)工程，其中上跨隴海鐵路為41.4m+70m+41.4m連續(xù)梁(見圖1)，橋面寬25.5m，主墩采用雙薄壁墩，墩高18m，墩底接轉(zhuǎn)盤，其中上轉(zhuǎn)盤尺寸為10.8m×10.8m×3m，下轉(zhuǎn)盤尺寸為15.7m×15.7m×3.5m。橋面投影距回流線最小距離為2m，先平行于隴海鐵路進(jìn)行懸澆施工，然后進(jìn)行橋梁轉(zhuǎn)體。轉(zhuǎn)體橋位于R=830m曲線上，最大風(fēng)速達(dá)24m/s。

圖1 上跨隴海鐵路轉(zhuǎn)體橋立面(單位：cm)

考慮施工中風(fēng)荷載及施工誤差等因素，導(dǎo)致轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)失去平衡需進(jìn)行平衡配重，球鉸設(shè)計豎向承載力為85 000kN，選用工廠生產(chǎn)的8 500t級轉(zhuǎn)體成品球鉸，設(shè)計最大靜摩擦系數(shù)0.1，最大動摩擦系數(shù)0.06。環(huán)形滑道由工廠預(yù)制，現(xiàn)場分節(jié)段拼裝，轉(zhuǎn)體時確保撐腳可在滑道內(nèi)滑動，轉(zhuǎn)體前在滑道上鋪設(shè)3mm厚不銹鋼板及5mm厚聚四氟乙烯板。轉(zhuǎn)體過程中采用4臺ZLD型連續(xù)千斤頂，配合泵站、主控臺，組成連續(xù)牽引系統(tǒng)，理論啟動牽引力為918kN。

2 球鉸選型及優(yōu)化

球鉸轉(zhuǎn)動體系主要由承重系統(tǒng)、頂推牽引系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)組成，承重系統(tǒng)由上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)動球鉸構(gòu)成，通過上轉(zhuǎn)盤相對于下轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，達(dá)到轉(zhuǎn)體目的。傳統(tǒng)球鉸形式為分離式結(jié)構(gòu)，上、下轉(zhuǎn)盤間為若干個聚四氟乙烯滑片，在工廠內(nèi)組拼，然后拆分運(yùn)至工地后進(jìn)行二次拼裝，工期長、安裝精度低。為縮短安裝時間、確保安裝精度，對原設(shè)計球鉸進(jìn)行優(yōu)化，采取場內(nèi)組裝、整體吊裝，提高生產(chǎn)效率。

2.1 分離式球鉸結(jié)構(gòu)與施工

分離式球鉸分為上盤與下盤，中心設(shè)銷軸，上、下盤間球形滑面安裝聚四氟乙烯滑片，聚四氟乙烯滑片與沉孔編號一一對應(yīng)。下盤底部設(shè)支撐骨架，在澆筑下承臺時進(jìn)行預(yù)埋(見圖2)。

圖2 分離式球鉸結(jié)構(gòu)

分離式結(jié)構(gòu)球鉸制造完成后，需先在工廠內(nèi)預(yù)拼裝，檢驗合格后再拆分運(yùn)至施工現(xiàn)場。由于球鉸尺寸較大，運(yùn)輸難度加大，且須采取有效措施防止球鉸變形?，F(xiàn)場安裝時，首先將支撐骨架置于下承臺預(yù)留槽內(nèi)，調(diào)平固定。安裝下盤，精確定位后進(jìn)行鎖定，在混凝土澆筑前將下盤中心銷軸的套管精確定位并固定。下盤混凝土凝固后，將下盤凹球面清理干凈，球形表面及沉孔內(nèi)不得有任何雜物及積水，將表面吹干，逐一對應(yīng)安裝聚四氟乙烯滑片，然后將銷軸(鋼錠)插入下盤中心套管內(nèi)。檢查合格后，在球面上各滑片間涂抹黃油聚四氟乙烯粉，并略高于滑片(見圖3)。然后吊裝上盤，在凸球面上均勻涂滿1層黃油聚四氟乙烯粉，最后將上盤中心孔對準(zhǔn)中心銷軸，使之水平安裝并固定(見圖4)。

圖3 聚四氟乙烯滑片安裝

圖4 上盤吊裝

分離式球鉸雖一直被沿用，但由于其工藝特點(diǎn)，在現(xiàn)場組拼延長安裝時間，且精度不易保障，尋求一種安裝快捷、精度高、全工廠化作業(yè)新型球鉸勢在必行。

2.2 整體式球鉸設(shè)計與施工優(yōu)化

2.2.1整體式球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計

為解決分離式球鉸的不足之處，設(shè)上球擺和下球擺，上球擺底面具有凸球面，上球擺底面中心設(shè)置有銷孔；下球擺頂面具有與上球擺的凸球面相配合的凹球面，下球擺頂面中心設(shè)置有與銷孔相配合的銷軸；銷孔側(cè)壁與銷軸側(cè)壁形成具有夾角的間隙；上球擺的凸球面上設(shè)置有鍍鉻面層，下球擺的凹球面上設(shè)置有耐磨板。上球擺與下球擺形成球形弧面接觸的摩擦面，且鍍鉻面層與耐磨板間的摩擦系數(shù)小，保證了水平轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性。橋梁轉(zhuǎn)體支座豎向轉(zhuǎn)動的傾斜角度通過銷軸側(cè)壁與銷孔側(cè)壁間的間隙實現(xiàn)，達(dá)到設(shè)定角度時通過銷軸對豎向轉(zhuǎn)動進(jìn)行定位，防止橋梁超出預(yù)設(shè)角度，并同時保證水平轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性。

經(jīng)理論建模分析研究(見圖5)，并通過模擬試驗，將傳統(tǒng)的聚四氟乙烯滑片改為耐磨滑板，場內(nèi)組拼，整體運(yùn)輸安裝。下盤支撐骨架優(yōu)化為地腳螺栓，不僅縮短球鉸安裝時間，而且縮短支撐骨架安裝時間，通過地腳螺栓固定并傳力(見圖6)。

圖5 整體式球鉸應(yīng)變與應(yīng)力分析

圖6 整體式球鉸構(gòu)造

2.2.2整體式球鉸施工

通過對傳統(tǒng)加工工藝的改進(jìn)，整體式球鉸在工廠內(nèi)組裝，耐磨滑板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聚四氟乙烯滑片，采用螺栓固定(見圖7)，組裝完成后，利用臨時連接裝置連接成整體，在橋梁最終轉(zhuǎn)動前不得拆解和松動臨時連接裝置。球鉸安裝前，應(yīng)檢查球鉸連接狀況是否正常，球鉸支撐承臺高程是否符合設(shè)計要求，螺桿是否緊密固定，鑿毛并清理基面，整體吊裝。安裝時，用楔塊支承四周，調(diào)整中心及高程，使球鉸底面與支撐承臺間留有20～30mm空隙，便于灌漿填充(見圖8)。

圖7 耐磨滑板安裝

圖8 球鉸吊裝

整體式球鉸采用錨固螺桿與上下承臺連接，為確保球鉸定位精度，減少對下承臺頂面受力鋼筋的干擾，施工下承臺和支撐承臺時預(yù)留錨栓孔，深度比螺桿加長70～100mm。

2.2.3止水裝置優(yōu)化

轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)體裝置多數(shù)位于基坑內(nèi)，施工中經(jīng)常面臨雨水(洪水)倒灌風(fēng)險，同時施工過程中由于壓漿、混凝土澆筑過程中沖洗等原因?qū)е滤酀{進(jìn)入轉(zhuǎn)體裝置內(nèi)，影響轉(zhuǎn)體。為防止泥砂、水泥漿等雜物進(jìn)入轉(zhuǎn)體裝置，在球鉸加工過程中，上下盤預(yù)留凹槽，球鉸組裝完成后，采用止水帶進(jìn)行包裹，內(nèi)部填充油脂，在上、下凹槽處采用鋼箍緊固(見圖9)，轉(zhuǎn)體前拆除止水裝置。

圖9 球鉸止水裝置

3 效果對比

3.1 經(jīng)濟(jì)效益對比

整體式球鉸與傳統(tǒng)分離式球鉸相比，具有加工時間短、安裝便捷、成本低等特點(diǎn)(見表1)。

表1 轉(zhuǎn)體球鉸應(yīng)用對比

3.2 結(jié)構(gòu)形式對比

分離式球鉸上、下盤間依靠聚四氟乙烯滑片減少摩阻力，但聚四氟乙烯滑片需一一對應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場安裝，費(fèi)工費(fèi)時。整體式球鉸依靠耐磨滑板減少摩阻力，全部在工廠內(nèi)組裝，精度高，工期短(見圖10)。

圖10 球鉸模型對比

分離式球鉸加工時，球鉸球面板與肋板采用焊接工藝，焊接過程中易產(chǎn)生裂紋、咬邊、氣孔、夾渣等缺陷。焊接易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力可改變材質(zhì)性能。而整體式球鉸上、下盤采用鑄件形式，避免了在焊接過程中產(chǎn)生變形，精度較高，受力穩(wěn)定性和整體性能優(yōu)越。

4 結(jié)語

隴漳高速公路上跨隴海鐵路轉(zhuǎn)體橋緊鄰隴海鐵路，基坑深，距離既有橋墩近，安全風(fēng)險高，通過整體式球鉸的應(yīng)用，壓縮工期，縮短基坑暴露時間，降低安全風(fēng)險；分別于2020年4月16日、18日順利完成球鉸安裝，單個球鉸安裝時間僅4h，受到各方一致好評，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。