橋梁平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)鉸接觸面的發(fā)展歷程及優(yōu)化設(shè)計(jì)

王興猛

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731)

橋梁平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)鉸接觸面的發(fā)展歷程及優(yōu)化設(shè)計(jì)

王興猛

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731)

橋梁轉(zhuǎn)體施工常見(jiàn)的方法有平轉(zhuǎn)法、豎轉(zhuǎn)法、豎轉(zhuǎn)與平轉(zhuǎn)結(jié)合法，其中以平轉(zhuǎn)法運(yùn)用最多。平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)造中上、下轉(zhuǎn)盤接觸面摩擦系數(shù)的降低一直是工程界普遍思考和待解決的問(wèn)題。對(duì)單橋而言，摩擦系數(shù)的降低能相應(yīng)降低牽引力的配置從而降低造價(jià);對(duì)轉(zhuǎn)體工藝建橋技術(shù)而言，摩擦系數(shù)的降低和牽引能力的提高可使平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)體質(zhì)量大幅提升。本文介紹了平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)鉸接觸面的發(fā)展歷程，并對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了展望。

橋梁施工 平轉(zhuǎn)法 轉(zhuǎn)鉸 接觸面 設(shè)計(jì)優(yōu)化

橋梁轉(zhuǎn)體施工常見(jiàn)的方法有平轉(zhuǎn)法、豎轉(zhuǎn)法以及豎轉(zhuǎn)與平轉(zhuǎn)結(jié)合法。我國(guó)自1977年第一座采用轉(zhuǎn)體工藝建成遂寧建設(shè)橋至2010年，119座轉(zhuǎn)體施工橋梁中采用豎轉(zhuǎn)法的僅9座，平轉(zhuǎn)法、豎轉(zhuǎn)與平轉(zhuǎn)結(jié)合法的共110座［1］(占總量的92.4%)。平轉(zhuǎn)法施工技術(shù)已列入《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50—2011)。平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)造中，上、下轉(zhuǎn)盤接觸面摩擦系數(shù)的降低一直是工程界普遍思考和解決的問(wèn)題。對(duì)單橋而言，摩擦系數(shù)的降低能相應(yīng)降低牽引力的配置從而降低造價(jià);對(duì)轉(zhuǎn)體工藝建橋技術(shù)而言，摩擦系數(shù)的降低和牽引能力的提高可使平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)體質(zhì)量大幅提升，從而使更大跨度、更大噸位的剛構(gòu)橋及斜拉橋采用轉(zhuǎn)體工藝成為可能。

由此可見(jiàn)，優(yōu)化轉(zhuǎn)動(dòng)接觸面設(shè)計(jì)、降低摩擦系數(shù)意義重大。本文介紹平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)動(dòng)接觸面設(shè)計(jì)發(fā)展歷程，并對(duì)其優(yōu)化方向進(jìn)行研討。

1 平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)鉸接觸面設(shè)計(jì)發(fā)展歷程

平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)動(dòng)支承體系分為磨心支承、撐腳支撐和磨心與撐腳共同支撐3種［2］。不論哪種支撐體系，上部結(jié)構(gòu)的重量總是通過(guò)上轉(zhuǎn)盤(可動(dòng)系統(tǒng))轉(zhuǎn)遞到下轉(zhuǎn)盤(固結(jié)系統(tǒng))，其中可動(dòng)系統(tǒng)與固結(jié)系統(tǒng)的接觸面設(shè)計(jì)關(guān)乎到上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全，是決定牽引力大小的最關(guān)鍵要素。

1.1 混凝土—混凝土接觸面

早期采用轉(zhuǎn)體工藝建設(shè)的橋梁，由于受資金不足的限制，多采用混凝土球鉸，一般采用下凸上凹式。

福建省南平市閩江路1#橋［3］轉(zhuǎn)動(dòng)接觸面即采用了混凝土—混凝土構(gòu)造。它首先采用定型鋼模板澆筑出下轉(zhuǎn)盤表面的初步輪廓線形，按照下磨心的球冠面曲率半徑制作一把母線樣板刮尺套在軸心鋼柱上，旋轉(zhuǎn)刮尺多次刮平混凝土球形表面(圖1);然后在下磨心的頂球冠面貼1～3層尼龍薄膜作為隔離層，再以下磨心球冠面作為澆筑上磨蓋底胎模板，澆筑上磨蓋混凝土。上磨蓋混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后吊起上磨蓋，用砂輪磨光機(jī)打磨上磨蓋和下磨心接觸面，使接觸面盡量光滑;放下上磨蓋人工施加外力磨鉸;吊起上磨蓋清除雜物，在兩者的承壓面上涂抹黃油加四氟粉潤(rùn)滑劑;將上磨蓋對(duì)準(zhǔn)中心銷軸輕落至下磨心上。

圖1 福建省南平市閩江路1#橋混凝土接觸面

1.2 鋼—鋼接觸面

由于混凝土澆筑形狀、質(zhì)量較難控制，在鋼結(jié)構(gòu)大量運(yùn)用于工程建設(shè)后，加之轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)向大跨度(大結(jié)構(gòu)質(zhì)量)發(fā)展，工程師們開(kāi)始采用鋼材制作轉(zhuǎn)鉸。即接觸面的上盤和下盤均采用鋼—鋼構(gòu)造，也有在下盤上表面鋪一層不銹鋼板來(lái)減小摩擦系數(shù)的設(shè)計(jì)。由于轉(zhuǎn)鉸采用工廠化加工，制作質(zhì)量與精度明顯提高，較大地提升了轉(zhuǎn)鉸制造安裝的可靠性。鋼—鋼轉(zhuǎn)鉸如圖2所示。

圖2 某橋轉(zhuǎn)動(dòng)接觸面

1.3 上盤鋼—下盤鋼+四氟蘑菇頭或聚四氟乙烯滑片

由于鋼—鋼摩擦系數(shù)還是較大，且均為剛性構(gòu)造，鋼—鋼接觸面用得較少，或者僅用于一些輕型橋梁轉(zhuǎn)體中。工程師們幾乎在鋼—鋼接觸面設(shè)計(jì)的同時(shí)，就開(kāi)始考慮在接觸面上加柔性或半剛性、本身具有潤(rùn)滑性的材料。

廣州丫髻沙大橋及佛山東平大橋均采用在鋼—鋼接觸、下轉(zhuǎn)盤鋼板上鑲嵌四氟蘑菇頭接觸面設(shè)計(jì)(圖3)。

圖3 某橋轉(zhuǎn)動(dòng)接觸面

水柏鐵路北盤江大橋采用在鋼—鋼接觸、下轉(zhuǎn)盤鋼板上鑲嵌聚四氟乙烯滑片接觸面設(shè)計(jì)。

從上述轉(zhuǎn)動(dòng)接觸面設(shè)計(jì)發(fā)展歷程來(lái)看，從混凝土對(duì)混凝土面、鋼對(duì)鋼面、鋼對(duì)混凝土面，到后來(lái)加四氟蘑菇頭、聚四氟乙烯滑片，摩擦系數(shù)雖然一直在逐步降低，但一般都＞0.06。

《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50—2011)［4］中轉(zhuǎn)體牽引力配置計(jì)算公式為

其中關(guān)于摩擦系數(shù)f的規(guī)定為，“無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可取靜摩擦系數(shù)為0.1～0.12，動(dòng)摩擦系數(shù)0.06～0.09”?？偨Y(jié)代表了當(dāng)時(shí)接觸面摩擦系數(shù)的普遍水平。

2 平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)動(dòng)接觸面設(shè)計(jì)優(yōu)化

聚四氟乙烯被稱“塑料王”，它是目前已知的固體材料中摩擦系數(shù)最低者(聚四氟乙烯板采用雙剪試驗(yàn)方法獲得的摩擦系數(shù)平均值≤0.01)，被廣泛用于滑動(dòng)支座構(gòu)造上，更大程度地減少設(shè)備摩擦力，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，更好地為維護(hù)設(shè)備產(chǎn)品做出了貢獻(xiàn)。

潤(rùn)滑硅脂具有優(yōu)異的防水密封性和耐水沖刷性，能在潮濕環(huán)境下提供持久潤(rùn)滑。潤(rùn)滑硅脂材料適應(yīng)性強(qiáng)，與各種塑料、金屬兼容性好;同時(shí)優(yōu)異的抗氧化穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，使其具有極長(zhǎng)的使用壽命。

因此，聚四氟乙烯與潤(rùn)滑硅脂完美結(jié)合，在橋梁盆式、球形支座上廣泛運(yùn)用。世界第一拱橋——重慶朝天門大橋4個(gè)14 500 t支座，由上支座板、球冠襯板、下支座板、平面四氟滑板、球面四氟滑板以及導(dǎo)向塊等組成，球面可在一定范圍內(nèi)扭曲、旋轉(zhuǎn)，抵抗大橋因地震、顛簸、大風(fēng)、洪水等引起的外力，確保大橋100年壽命。

青南大道跨遂成鐵路橋［5］水平轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)鉸接觸面設(shè)計(jì)時(shí)，初期仍擬采用聚四氟乙烯滑片鑲嵌在下轉(zhuǎn)盤鋼結(jié)構(gòu)中，采用φ60 mm厚18 mm滑片共324片(圖4)，嵌入下轉(zhuǎn)盤10 mm，外露8 mm，上下轉(zhuǎn)盤之間填充黃油潤(rùn)滑。

圖4 1/4下球鉸滑片布置

上述設(shè)計(jì)沿襲了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)體系設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)體重量達(dá)5 980 t，采用2臺(tái)TX-200-J-D連續(xù)牽引油缸同步張拉牽引轉(zhuǎn)體，牽引索采用鋼絞線，兩邊對(duì)稱各15束。在保證油缸牽引安全系數(shù)0.8的情況下，反算摩擦系數(shù)最高可達(dá)0.241，由此可見(jiàn)原設(shè)計(jì)非常保守。

通過(guò)建模分析，在完全平衡狀態(tài)下，聚四氟乙烯滑片應(yīng)力為65.3 MPa;但是實(shí)際施工中，結(jié)構(gòu)不可能完全平衡，轉(zhuǎn)體過(guò)程中也可能由于轉(zhuǎn)盤安裝不平整導(dǎo)致部分聚四氟乙烯滑片脫空或者上轉(zhuǎn)盤斜切下轉(zhuǎn)盤上的滑片，這樣就導(dǎo)致其它承載的滑片應(yīng)力急增，甚至最大應(yīng)力超出其承受能力而破壞。廣州丫髻沙大橋轉(zhuǎn)體時(shí)就發(fā)生過(guò)四氟蘑菇頭被剪掉和擠破情況。

多座橋轉(zhuǎn)體實(shí)施中，黃油在轉(zhuǎn)動(dòng)體系施工完到轉(zhuǎn)體實(shí)施靜止數(shù)月后，啟動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)有膠凝現(xiàn)象，啟動(dòng)牽引力劇增遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)估的靜摩擦力。因此，接觸面的形式及潤(rùn)滑劑或許可以優(yōu)化。

經(jīng)與加工廠多次探討，并通過(guò)空間模型分析結(jié)構(gòu)受力特征，對(duì)遂成鐵路橋接觸面設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化和改良，見(jiàn)圖5。在下轉(zhuǎn)盤鋼板上挖出2個(gè)環(huán)形槽，在槽里鑲嵌改性超高分子量聚乙烯板，在板上掏直徑為8 mm，深度約2 mm的儲(chǔ)脂坑，作為硅脂儲(chǔ)存用(這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在橋梁支座上已廣泛采用)。

圖5 青南大道跨遂成鐵路橋優(yōu)化接觸面設(shè)計(jì)

該接觸面的優(yōu)點(diǎn):①聚四氟乙烯板便于鋪設(shè)，且加工、安裝質(zhì)量可控且可靠;②整體受力均衡，環(huán)形板避免了“布皺”或剪切等破壞;③合理的儲(chǔ)脂坑設(shè)置使硅脂總體用量較小，且涂抹均衡，還可避免硅脂流失;④硅脂替代黃油更不容易揮發(fā)，也不容易膠凝;⑤與貼聚四氟乙烯滑片思維模式相反來(lái)掏儲(chǔ)脂坑，總體承受上部荷載的面積增大使其應(yīng)力大幅度減小。

轉(zhuǎn)體墩施工完成后進(jìn)行了該橋轉(zhuǎn)鉸專項(xiàng)試驗(yàn)，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)重量3 200 kN，測(cè)試其最大牽引力23.1 kN，測(cè)算接觸面靜摩擦系數(shù)0.065，動(dòng)摩擦系數(shù)0.049。正式轉(zhuǎn)體時(shí)轉(zhuǎn)體重量約為59 800 kN，以此推算正式轉(zhuǎn)體所需牽引力約為432 kN。正式轉(zhuǎn)體前試轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)得的最大牽引力為490 kN，計(jì)算出試轉(zhuǎn)時(shí)接觸面靜摩擦系數(shù)0.073，比轉(zhuǎn)鉸專項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果稍大。正式轉(zhuǎn)體時(shí)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)情況下維持力為330 kN，反算動(dòng)摩擦系數(shù)為0.050，與轉(zhuǎn)鉸專項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果非常接近。接觸面優(yōu)化后其實(shí)際摩擦系數(shù)僅為規(guī)范推薦系數(shù)的60%。

3 展望

目前轉(zhuǎn)體工藝在我國(guó)迅猛發(fā)展，接觸面優(yōu)化設(shè)計(jì)也引起工程師們高度重視。青南大道跨遂成鐵路橋接觸面改良后效果極好，在大噸位平轉(zhuǎn)橋梁可以借鑒。但是，其靜摩擦系數(shù)0.073、動(dòng)摩擦系數(shù)0.050相對(duì)于球型支座的摩擦系數(shù)0.03還是偏高。經(jīng)研究后筆者認(rèn)為:參照球型支座設(shè)計(jì)，平轉(zhuǎn)接觸面設(shè)計(jì)尚可進(jìn)一步優(yōu)化。即采用雙層接觸面，上轉(zhuǎn)盤底部采用不銹鋼滑板與中間支承球芯上的平面四氟板作為第一層接觸面，中間支承球芯底面加工成球面與下轉(zhuǎn)盤球面四氟板作為第二層接觸面，則可將靜摩擦系數(shù)降低到0.04～0.05，動(dòng)摩擦系數(shù)降低到0.03～0.04。如此將更大降低牽引力或者增大轉(zhuǎn)體重量。

4 結(jié)論

青南大道跨遂成鐵路橋轉(zhuǎn)動(dòng)接觸面，采用大塊聚四氟乙烯板替代小塊聚四氟乙烯滑片，采用硅脂替代黃油作為潤(rùn)滑劑，摩擦系數(shù)僅約傳統(tǒng)設(shè)計(jì)面的60%。減小了牽引力，確保了轉(zhuǎn)體的平穩(wěn)性。但是，該橋?qū)嵤┻^(guò)程中由于撐腳安裝控制不好，撐腳與滑道有一定接觸，實(shí)際摩擦系數(shù)并不能準(zhǔn)確反應(yīng)接觸面的情況。相信在做好其它方面的控制工作后，優(yōu)化后的接觸面設(shè)計(jì)摩擦系數(shù)將會(huì)更低。

本文對(duì)橋梁平轉(zhuǎn)接觸面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了展望，其中雙接觸面優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可在后續(xù)的工程實(shí)踐中實(shí)施檢驗(yàn)。

［1］程飛，張琪峰，王景全.我國(guó)橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(6):67-71.

［2］陳寶春，孫潮，陳友杰.橋梁轉(zhuǎn)體施工方法在我國(guó)的應(yīng)用與發(fā)展［J］.公路交通科技，2001(4):24-28.

［3］王建民.大噸位轉(zhuǎn)體橋應(yīng)用鋼筋混凝土球鉸技術(shù)［J］.福建建筑，2012(6):80-81.

［4］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［5］傅賢超，張毅，王興猛，等.青南大道跨遂成鐵路橋梁轉(zhuǎn)體施工工藝［J］.鐵道建筑，2013(10):28-30.

(責(zé)任審編孟慶伶)

U445.465

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.07

1003-1995(2015)12-0026-03

2015-08-04;

2015-09-22

王興猛(1974—)，男，高級(jí)工程師。