轉(zhuǎn)體法施工轉(zhuǎn)動體系設(shè)計、加工與安裝技術(shù)研究

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(中交集團第二公路工程局股份有限公司，西安 710075)

哈大鐵路客運專線北起北國冰城哈爾濱市，南抵遼寧省港口城市大連，途經(jīng)3個省會城市、大連和6個地級市，線路全長903.939 km。項目按照開通運營時速200 km目標(biāo)建設(shè)，基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)留時速350 km。我局施工的路基段為 DK602+407.3～DK650+231.4，全長47.824 km。劉房子特大橋起訖點樁號為DK645+946.49～DK648+965.13，全長3.018 64 km。48#、49#主墩分別高7.5 m、7.0 m，位于既有線鐵路兩側(cè)路塹邊坡上，主墩承臺邊距軌道外側(cè)最近距離分別為6.5 m和7.4 m。上跨Ⅰ級雙線電氣化既有線京哈鐵路，斜交角度為25°，對既有線的影響里程為 K952+040～K952+240。為不給既有鐵路營運造成更多的負(fù)面影響，將原設(shè)計跨既有哈大鐵路的施工方案變更為平行于既有鐵路，于48#、49#墩位實施轉(zhuǎn)體施工的方案。該特大橋主要特點為:

1)在鉆孔樁基礎(chǔ)上設(shè)置承臺，將48號、49號主墩承臺按2級矩形承臺設(shè)計。其中，一級承臺尺寸為14.6 m×14.6 m×3.2 m，二級承臺尺寸為8.0 m×8.0 m×3.0 m，兩級承臺之間安裝直徑為4.6 m、高0.80 m的轉(zhuǎn)盤，中間部分為封鉸混凝土。

2)上部結(jié)構(gòu)為(48+80+48)m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室直腹板連續(xù)箱梁。箱梁頂寬12 m，底寬6.7 m，單側(cè)懸臂長2.65 m。主墩墩頂5.0 m范圍內(nèi)梁等高6.65 m，跨中及邊墩墩頂現(xiàn)澆梁高為3.85 m，梁底下緣按二次拋物線變化。箱梁1號塊梁段長度為23 m，2號塊長度16 m，3號塊長度11.5 m，合龍段長度為2.0 m，邊跨直線段長度為7.75 m。

1 平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)動體系的基本組成

轉(zhuǎn)動體系主要有承重系統(tǒng)、助推牽引系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)3部分構(gòu)成。承重系統(tǒng)由上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤和球鉸構(gòu)成;轉(zhuǎn)盤設(shè)置于上下承臺之間，下承臺與樁基相連，上轉(zhuǎn)盤支承轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)。施工時將下轉(zhuǎn)盤與下承臺澆成整體，上轉(zhuǎn)盤與上承臺、墩身及T構(gòu)連成整體。通過牽引系統(tǒng)拉動上轉(zhuǎn)盤相對于下轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，帶動上承臺、墩身、T構(gòu)一起旋轉(zhuǎn)，達(dá)到轉(zhuǎn)體目的。助推牽引系統(tǒng)由牽引設(shè)備、牽引反力支座、助推反力支座構(gòu)成。平衡系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)本身、上承臺預(yù)埋撐腳、大噸位千斤頂及梁頂3#塊放置的6 m3的備用水箱構(gòu)成(轉(zhuǎn)動體系及球鉸結(jié)構(gòu)如圖1)。

圖1 轉(zhuǎn)動體系布置立面圖(單位:cm)

2 轉(zhuǎn)盤設(shè)置

2.1 承臺結(jié)構(gòu)及功能

承臺分為C40普通鋼筋混凝土下承臺、C40纖維鋼筋混凝土托盤及上轉(zhuǎn)盤、C40纖維鋼筋混凝土上承臺、C50微膨脹混凝土封鉸體4部分，承臺總厚度7.0 m，其中頂部0.8 m為封鉸部分。第1次澆筑3.20 m的一級承臺與基樁相連，在一級承臺上設(shè)置助推反力支座、牽引反力支座、滑道、下球鉸定位支架。托盤為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與上球鉸相連;托盤上設(shè)置上轉(zhuǎn)盤，其中要預(yù)埋牽引鋼絞線。上承臺為承重結(jié)構(gòu)，要預(yù)埋無縫鋼管支撐腳，對轉(zhuǎn)體起到平衡與保險作用。

2.2 撐腳、反力支座的布置

每2個 φ600 mm、δ=8 mm、L=1 270 mm 的無縫鋼管并焊接在一起，底部焊接 δ=20 mm鋼板組成1組撐腳，8組撐腳均勻分布于圓形滑道，徑向夾角為60°。撐腳嵌入上承臺50 cm，上轉(zhuǎn)盤徑向主筋穿過每組撐腳，將撐腳與上承臺聯(lián)成整體。撐腳底部鋼板固定δ=10 mm四氟滑板，四氟滑板底面距滑道頂面15 mm。一旦有傾覆傾向，撐腳就支撐在滑道上，支承整個轉(zhuǎn)動體系。環(huán)道兩側(cè)沿圓周方向的夾角30°均勻布置12對徑向厚度為40 cm的助推反力支座。

2.3 環(huán)道滑板安裝及混凝土澆筑

環(huán)道滑板由δ=24 mm鋼板、δ=5 mm不銹鋼板、δ=5 mm四氟板組成。經(jīng)澆筑在承臺混凝土中的定位鋼支架精確定位，利用調(diào)節(jié)螺栓調(diào)整頂面高程、平整度。要求平整度不超過1 mm/2 m，高程偏差不超過±1 mm。環(huán)道內(nèi)腔采用微膨脹C50混凝土填充，混凝土達(dá)到設(shè)計強度時，用磨光機對滑道進(jìn)行打磨，布置不銹鋼環(huán)道、在不銹鋼板上粘貼四氟板。

2.4 球鉸設(shè)計、加工及安裝

2.4.1 球鉸上下鋼盤受力計算及尺寸擬定

1)球鉸豎向反力計算時，取以下兩種最不利者控制球鉸的豎向承載力。

①當(dāng)轉(zhuǎn)體動體系平衡時，球鉸軸心處豎向反力等于轉(zhuǎn)體部分重量，即，N1=G;

②當(dāng)轉(zhuǎn)體失去平衡時，球鉸軸心處豎向反力大于撐腳豎向反力，存在偏心矩:N1=G-N2;N2=G×e/R1。

式中:N1——球鉸軸心處豎向反力;N2——撐腳豎向反力;G——轉(zhuǎn)體部分重量;e——偏心矩;R1——撐腳中心線至轉(zhuǎn)動中心的距離。

2)球鉸平面半徑計算

球鉸鋼板直徑按下式計算:D≥2［N1/(π×k×［σa］)］0.5

式中:D——球鉸平面直徑;k——球鉸接觸面積折減系數(shù)，取0.65;N1——球鉸軸心處豎向反力，N1=(上承臺+墩身 +箱梁梁段重量)×1.15=47 000 kN;σa——混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強度，上下承臺采用 C40混凝土，軸心抗壓強度26 MPa。計算得球鉸平面直徑D=1.88 m，結(jié)合滑板的布置空間及施工安全取D=2.3 m。

2.4.2 球鉸選型

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)體最大凈重G=40 976.24 kN?？紤]風(fēng)荷載及施工誤差，結(jié)合結(jié)構(gòu)受力情況及滑道空間布置要求，為保證轉(zhuǎn)動體系有一定的安全儲備，選用725所設(shè)計生產(chǎn)的48 000 kN轉(zhuǎn)體球鉸。球鉸平面直徑D=2 300 mm，設(shè)計最大靜摩擦系數(shù)0.1，最大動摩擦系數(shù)0.06。球鉸由上下兩塊鋼質(zhì)球面板和轉(zhuǎn)軸3部分組成，采用 δ=30 mm的 Q345鋼板壓制成球面板，上面板為凸面，球缺高230 mm，下面板為凹面，球缺高250 mm。鋼材化學(xué)成分及機械性能符合GB1591—1994有關(guān)規(guī)定。為方便球鉸的定位、加強與周圍混凝土的連接，防止球鉸在加工、運輸過程中變形，采用Q235鋼板在上下面板的背部焊接肋條。鋼材化學(xué)成分及機械性能應(yīng)符合GB/T700—1988有關(guān)規(guī)定。轉(zhuǎn)軸直徑為220 mm，高8 500 mm，采用45鍛鋼加工而成。鋼材化學(xué)成分及機械性能符合 GB/T17107—1997有關(guān)規(guī)定?；瑝K采用中船重工725所研制的填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板(LR516)制成，其容許應(yīng)力≥100 MPa，滑動摩擦系數(shù)≤0.03(脂潤滑)，滑塊頂面位于同一球面上，誤差≤1 mm。

2.4.3 球鉸加工

1)工藝流程

圖2 球鉸加工工序流程

2)加工方法

按計算面積下料，用點壓法在壓力機上將單個球面單元按設(shè)計弧度預(yù)壓成型，再進(jìn)行試拼。若發(fā)現(xiàn)有誤差，立即矯正。拼焊時精確定位，采用手工電弧焊，U型坡口，焊接完畢打磨掉焊縫余高，經(jīng)超聲波探傷達(dá)到JB4730—1994Ⅱ級為合格。然后將球面板放在液壓機上壓制成型。最后在下球面板的凸面、上球面板的凹面分別焊加強肋板。焊接時，先點焊定位再正常施焊，以防止球面板變形。焊接完畢，對已焊好的上、下球鉸進(jìn)行退火處理，以消除焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。處理完畢，在凸、凹球面采用數(shù)控“旋風(fēng)車”加工工藝，使上下球面板的曲率相吻合，采用同球面半徑的模板檢測球面加工精度。用于下球面板凹坑填充的聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板同步加工，出廠前將上下面板鎖定成整體。

2.4.4 下球鉸安裝

用全站儀準(zhǔn)確地放出下承臺中心十字線，通過預(yù)埋鋼筋將下球鉸定位架焊接牢固。用電子水準(zhǔn)儀測出定位架頂面高程，安放下球鉸，調(diào)整其中心位置及球面使轉(zhuǎn)軸套管豎直。測量工程師用電子水準(zhǔn)儀測量并指揮施工人員利用定位架與下球鉸之間的連接螺栓對下球鉸頂面微調(diào)，球鉸頂面高程控制誤差宜控制在0.01 mm以內(nèi)。然后用螺栓鎖定下球鉸于定位鋼支架上，同時封住中心銷軸套管口。下球鉸安裝經(jīng)檢測無誤后，綁扎下球鉸鋼筋，澆筑微膨脹C50混凝土。

下球鉸混凝土達(dá)到設(shè)計強度后，對下球鉸上表面進(jìn)行清理，按照編號將圓柱體滑塊安放在下球鉸頂?shù)陌疾壑?，在滑塊之間、下球鉸頂面和轉(zhuǎn)軸表面均勻地涂滿黃油四氟粉潤滑混合料(按重量比120∶1)。插入轉(zhuǎn)軸后再吊裝上球鉸，準(zhǔn)確地將上球鉸的凸面扣在下球鉸的凹面上。

3 托盤及上轉(zhuǎn)盤

3.1 托盤與上轉(zhuǎn)盤施工

為保證上承臺及封鉸部分的有效空間且便于填充部分的拆除，將有效空間由漿砌紅磚做成隔離模板，在紅磚周邊均勻抹上20號水泥砂漿。按設(shè)計要求將轉(zhuǎn)盤徑向鋼筋伸入到撐腳鋼管內(nèi)，為保證轉(zhuǎn)動體系的整體性，提高混凝土力學(xué)性能，對轉(zhuǎn)盤、托盤及撐腳內(nèi)澆筑C40纖維混凝土，加強養(yǎng)護(hù)。施工時注意預(yù)留封鉸混凝土振搗孔，預(yù)埋牽引鋼絞線、埋設(shè)監(jiān)控設(shè)施并將其連接線引出模板外側(cè)。上轉(zhuǎn)盤施工時，應(yīng)對轉(zhuǎn)盤部位進(jìn)行臨時錨固，確保轉(zhuǎn)體前箱梁施工安全。

3.2 轉(zhuǎn)盤及托盤混凝土配合比

1)碎石:選取粒徑為5～10 mm的碎石(占碎石總量的20%)，10～20 mm的碎石(占總量的80%)，組合成5～20 mm的連續(xù)級配碎石。

2)砂子:選取顆粒潔凈、級配良好、質(zhì)地均勻的中砂。

3)水:采用飲用水。

4)粉煤灰:采用F類Ⅰ級。

5)水泥:選用P.O 42.5低堿水泥，水泥初凝時間為136 min，終凝時間為258 min。依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55—2000)進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計，經(jīng)過多次試驗，確定施工采用的配合比如表1。

表1 C40纖維混凝土每m3的材料用量 kg

4 結(jié)語

1)球鉸設(shè)計中，要充分考慮到不利因素;加工中應(yīng)嚴(yán)格控制每個環(huán)節(jié);安裝時，要準(zhǔn)確測量定位。鋼盤圓弧頂面的安裝精度、球鉸底部混凝土的密實程度會對轉(zhuǎn)體結(jié)果造成重大影響。

2)環(huán)道施工質(zhì)量不僅影響推力的大小，同時決定著轉(zhuǎn)動體系在轉(zhuǎn)動過程中的平穩(wěn)程度，高程的變化會影響合龍的效果。環(huán)道安裝時，頂面高程要用電子水準(zhǔn)儀測量，誤差控制在±0.1 mm以內(nèi)。

3)平面轉(zhuǎn)體法施工對既有線鐵路影響小，應(yīng)用也將越來越廣泛。但是，如果轉(zhuǎn)動體系在設(shè)計、加工、運輸、安裝等環(huán)節(jié)控制不好，會影響到轉(zhuǎn)體效果，最終會影響既有線鐵路正常營運安全及橋梁施工期間的安全和質(zhì)量，應(yīng)予以高度重視。

［1］鐵道第一勘察設(shè)計院.劉房子特大橋47#～50#墩間(48+80+48)m連續(xù)梁施工方案變更設(shè)計(專題施工)［R］.西安:鐵道第一勘察設(shè)計院，2009.

［2］中交第二公路工程局有限公司.劉房子哈大鐵路立交特大橋跨既有京哈鐵路轉(zhuǎn)體施工方案［R］.西安:中交第二公路工程局有限公司，2009.

［3］中華人民共和國交通部.JTJ041—2000 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［4］中交第二公路工程局有限公司.哈大鐵路客運專線橋梁工程質(zhì)量控制手冊［R］.西安:中交第二公路工程局有限公司，2007.

［5］余?？?，劉建明，張翔，等.連續(xù)梁轉(zhuǎn)體后中跨合龍段移動支架設(shè)計與施工［J］.鐵道建筑，2010(5):16-17.