橋梁轉(zhuǎn)體施工中平面鉸與球鉸的對(duì)比分析

傅賢超，唐英，曹文

（中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731）

橋梁轉(zhuǎn)體施工中平面鉸與球鉸的對(duì)比分析

傅賢超，唐英，曹文

（中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731）

我國(guó)采用轉(zhuǎn)體施工工藝的橋梁日益增多，轉(zhuǎn)鉸是實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)體功能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。目前橋梁平轉(zhuǎn)法施工中轉(zhuǎn)鉸一般采用球鉸和平面鉸，球鉸運(yùn)用比較廣泛，而平面鉸主要運(yùn)用于輕型橋梁。本文從轉(zhuǎn)鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作安裝、轉(zhuǎn)體施工等方面對(duì)兩種轉(zhuǎn)鉸進(jìn)行對(duì)比分析，論證了平面鉸的受力特性和使用性能更加合理。

橋梁施工；轉(zhuǎn)體法；球鉸；平面鉸；對(duì)比分析

橋梁轉(zhuǎn)體施工是指將橋梁結(jié)構(gòu)在非設(shè)計(jì)軸線(xiàn)位置制作（澆筑或拼接）成形后，通過(guò)轉(zhuǎn)體就位的一種施工方法。該方法尤其適用于跨越既有鐵路、深谷、水深流急和公鐵立交、風(fēng)景勝地、自然保護(hù)區(qū)等施工受限制的場(chǎng)地，具有節(jié)省吊裝費(fèi)用，安全、可靠、整體性好，不中斷通車(chē)、不影響通航等特點(diǎn)，故從轉(zhuǎn)體施工誕生起就成為橋梁工程界普遍關(guān)注的施工技術(shù)［1-3］。隨著我國(guó)公路、鐵路的快速發(fā)展，道路交通路線(xiàn)縱橫交錯(cuò)，受地形和既有線(xiàn)等限制，為跨越既有鐵路、峽谷等障礙物，轉(zhuǎn)體施工是最適合的施工方法。目前橋梁平轉(zhuǎn)法施工中轉(zhuǎn)鉸設(shè)計(jì)一般采用平面鉸和球鉸，國(guó)內(nèi)大型公路或鐵路轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)鉸設(shè)計(jì)大多采用球鉸，而平面鉸大多用于小噸位轉(zhuǎn)體橋梁［4］。本文從轉(zhuǎn)鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作安裝、性能參數(shù)方面對(duì)兩者進(jìn)行了對(duì)比分析指出平面鉸更具優(yōu)勢(shì)。

1　轉(zhuǎn)鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平面鉸即上下轉(zhuǎn)鉸接觸面為平面，球鉸上下轉(zhuǎn)鉸接觸面則為球面。球鉸由上球鉸、下球鉸、型鋼定位骨架、滑道和撐腳等組成；平面鉸由上轉(zhuǎn)鉸、下轉(zhuǎn)鉸、轉(zhuǎn)鉸定位骨架、保險(xiǎn)腿等組成，如圖1和圖2所示。撐腳和保險(xiǎn)腿的設(shè)置均為防止梁體傾覆，所不同的是球鉸中撐腳設(shè)置在上轉(zhuǎn)盤(pán)中，撐腳底面與滑道間隙一般為1～2cm，轉(zhuǎn)體過(guò)程中若上、下球鉸發(fā)生豎向轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致梁體發(fā)生傾斜時(shí)，撐腳與滑道接觸，以抵抗由于梁體傾斜產(chǎn)生的不平衡彎矩，從而起到抗傾覆作用。平面鉸由于接觸面為平面，接觸面通常只產(chǎn)生水平相對(duì)位移，而不易產(chǎn)生豎向相對(duì)位移，故在相同轉(zhuǎn)鉸半徑下，平面鉸自身抗傾覆彎矩比球鉸大很多，故保險(xiǎn)腿設(shè)置在下轉(zhuǎn)盤(pán)四周，當(dāng)梁體傾覆時(shí)上轉(zhuǎn)盤(pán)底面與保險(xiǎn)腿頂面接觸，保險(xiǎn)腿起抗傾覆作用，從而保證結(jié)構(gòu)安全。

圖1　球鉸立面

圖2　平面鉸立面

2　加工制作及成本

平面鉸和球鉸都需在工廠(chǎng)機(jī)械化加工，上、下鉸面貼合度要求高。對(duì)于平面鉸而言，由于工廠(chǎng)車(chē)床平面精度較高，加工時(shí)上、下轉(zhuǎn)鉸面自身平整度容易控制，從而保證了上、下鉸的平整度和貼合度。但對(duì)于球鉸而言，由于球鉸平面半徑較大，沒(méi)有固定弧形加工車(chē)床，球面成形需要多次切削沖壓，且不能完全保證整個(gè)表面在同一球面，即球面弧形半徑不易控制，最終導(dǎo)致上、下球鉸弧面半徑不一，面貼合度不佳。

球鉸制作程序多而復(fù)雜，故加工時(shí)間長(zhǎng)，平面鉸保險(xiǎn)腿為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而球鉸撐腳為鋼質(zhì)護(hù)筒導(dǎo)致成本費(fèi)用較高。相比而言，相同平面半徑條件下，球鉸加工制作費(fèi)用為平面鉸的3～5倍。

3　性能參數(shù)

3.1結(jié)構(gòu)受力

在相同平面半徑，相同轉(zhuǎn)體重量條件下，由于球鉸表面積比平面鉸大，其所受的壓應(yīng)力要小些。球鉸表面積計(jì)算示意如圖3。

圖3　球鉸表面積計(jì)算示意

計(jì)算公式為

式中：A為球鉸表面積；r為球鉸平面半徑；R為球鉸弧形半徑；H為球鉸矢高。

以大件路東繞線(xiàn)上跨北環(huán)達(dá)成鐵路立交橋?yàn)槔?，轉(zhuǎn)體質(zhì)量為9000t，R=6m，r=1.5m，H=0.19m，可計(jì)算出球鉸所受壓應(yīng)力為12.31MPa。若將上述球鉸設(shè)計(jì)改為半徑1.5m的平面鉸，則平面鉸接觸面積為πr2，其所受壓應(yīng)力為12.48MPa。可見(jiàn)兩種類(lèi)型轉(zhuǎn)鉸所受壓應(yīng)力比較接近。

3.2平整度

由于加工問(wèn)題，球鉸弧形精度不能充分保證，且弧面內(nèi)各點(diǎn)不在同一水平面上，故其平整度主要由安裝平整度控制，安裝時(shí)控制球鉸外邊緣頂面高程，保證各測(cè)點(diǎn)高差不超過(guò)0.5mm。

而平面鉸面內(nèi)各點(diǎn)在同一水平面上，平整度由鉸面平面性和安裝平整度控制。鉸面平面性由加工確定，且能充分保證平面精度，安裝平整度主要在安裝時(shí)精確控制。安裝時(shí)盡量保證鉸面若干個(gè)測(cè)點(diǎn)均在同一水平面上，最終各點(diǎn)高差不超過(guò)0.5mm。通過(guò)大量轉(zhuǎn)體橋?qū)嵺`證明，球鉸外邊緣頂面高差和平面鉸平整度均能控制在0.5mm以?xún)?nèi)。

3.3抗傾覆彎矩

實(shí)際上撐腳和保險(xiǎn)腿都是起抗傾覆作用的，其設(shè)置均大大增加了轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的抗傾覆安全系數(shù)。本文抗傾覆彎矩計(jì)算作如下假定：只考慮轉(zhuǎn)鉸自身承受的最大偏心彎矩，不考慮撐腳或保險(xiǎn)腿作用，即轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)即將傾覆而撐腳或保險(xiǎn)腿還未發(fā)生作用時(shí)轉(zhuǎn)鉸承受的最大偏心彎矩。

如前所述，球鉸接觸面為球面，其連接狀態(tài)類(lèi)似于鉸接，當(dāng)梁體產(chǎn)生的不平衡彎矩大于上下鉸面最大靜摩擦力所能承受的彎矩時(shí)，上下球鉸則會(huì)發(fā)生相對(duì)豎向轉(zhuǎn)動(dòng)，墩柱開(kāi)始傾斜，這時(shí)梁體自身由于偏心也開(kāi)始對(duì)轉(zhuǎn)鉸產(chǎn)生不平衡彎矩（圖4（a）），即使外界不平衡彎矩不增加，轉(zhuǎn)鉸仍然會(huì)繼續(xù)發(fā)生豎向轉(zhuǎn)動(dòng)，直至撐腳與滑道接觸，這也解釋了為什么球鉸只要發(fā)生豎向轉(zhuǎn)動(dòng)，一般某個(gè)撐腳和滑道即處于接觸狀態(tài)。公式（2）為在外界不平衡彎矩作用下球鉸的受力計(jì)算式。

式中：e0為梁體重心偏心距；G為轉(zhuǎn)體重量；M為外界不平衡彎矩；R為球鉸弧形半徑；u為球鉸靜摩擦系數(shù)；f為球鉸所受摩擦力。

當(dāng)外界不平衡彎矩達(dá)到一定值時(shí)，球鉸有發(fā)生豎向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，此時(shí)f=uG，則可得出

由式（3）可知，球鉸剛要發(fā)生豎向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)e0=0，則M=uRG。以大件路東繞線(xiàn)上跨北環(huán)達(dá)成鐵路立交橋?yàn)槔?，將G=88280kN，u=0.045，R=6m代入式（3）可得，球鉸抗傾覆彎矩M=23814kN·m。

若將鉸接觸面改為平面，當(dāng)梁體發(fā)生傾斜時(shí)，則上下兩個(gè)轉(zhuǎn)鉸應(yīng)發(fā)生相對(duì)豎向位移，不考慮保險(xiǎn)腿作用，當(dāng)梁體重心鉛垂線(xiàn)偏離轉(zhuǎn)鉸圓周范圍時(shí)，梁體則發(fā)生傾覆，此時(shí)梁體偏心產(chǎn)生的不平衡彎矩為平面鉸的抗傾覆彎矩。以大件路東繞線(xiàn)上跨北環(huán)達(dá)成鐵路立交橋?yàn)槔?，T形剛構(gòu)轉(zhuǎn)體跨徑為41.5m+41.5m，球鉸平面直徑為3m，將其球鉸結(jié)構(gòu)改為平面鉸（如圖4（b）），其抗傾覆驗(yàn)算如公式（4）。

圖4　抗傾覆驗(yàn)算示意

式中：x0為梁端加荷載后整體重心橫坐標(biāo)，以轉(zhuǎn)鉸中心點(diǎn)為原點(diǎn)；F為梁端荷載；d為梁端荷載中心位置距轉(zhuǎn)鉸中心距離；G為轉(zhuǎn)體重量；r為轉(zhuǎn)鉸平面半徑。

將G=88280kN，d=41.5m，r=1.5m代入上式，可得：F＜3308kN，即假使球鉸改為平面鉸，其抗傾覆彎矩為F×d=137261.25kN·m。

通過(guò)上述對(duì)比計(jì)算分析可以得出，若將球鉸改為平面鉸，其抗傾覆彎矩接近球鉸的6倍。通過(guò)數(shù)十座橋梁轉(zhuǎn)體工程案例也證明：使用球鉸設(shè)計(jì)的橋梁更易發(fā)生豎向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致梁端標(biāo)高變化，而平面鉸橋梁幾乎不發(fā)生豎向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.4平衡測(cè)試

一般而論，平面鉸和球鉸均可采用百分表對(duì)稱(chēng)測(cè)偏法測(cè)試。即脫架前T梁處于平衡狀態(tài)，脫架后任何的不平衡力矩將對(duì)轉(zhuǎn)鉸產(chǎn)生偏心，導(dǎo)致?lián)文_與滑道或上轉(zhuǎn)盤(pán)與保險(xiǎn)腿豎向間距發(fā)生變化，只需用百分表測(cè)試其間距變化值，即可知轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)是否平衡［5］。但對(duì)于球鉸，若梁體脫架后不平衡彎矩超過(guò)上、下球鉸摩擦面所能承受彎矩，即上、下球鉸面發(fā)生滑動(dòng)，則百分表法測(cè)試無(wú)效。故在做平衡測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，若對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)百分表讀數(shù)變化值差別較大，應(yīng)分析球鉸是否發(fā)生豎向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.5梁體線(xiàn)形

轉(zhuǎn)鉸自身不平整容易導(dǎo)致梁體平轉(zhuǎn)過(guò)程中梁端部標(biāo)高發(fā)生變化，從而影響成橋線(xiàn)形。對(duì)于平面鉸在加工精度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下，只要保證安裝平整度，梁體在平轉(zhuǎn)時(shí)端部標(biāo)高一般變化很小。以綿陽(yáng)羅漢寺跨寶成鐵路人行天橋（T構(gòu)橋，主跨28.5m+28.5m，平鉸直徑為2.5m）為例，水平轉(zhuǎn)體時(shí)，梁端標(biāo)高變化最大為5mm。而對(duì)于球鉸，即使球鉸安裝平整度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)盤(pán)兩端受力不均或其它因素，導(dǎo)致球鉸不僅水平轉(zhuǎn)動(dòng)，而且還會(huì)發(fā)生豎向轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致梁體端部發(fā)生豎向位移。以青南大道跨遂成鐵路立交橋（T形剛構(gòu)，轉(zhuǎn)體跨徑36m+36m，球鉸平面直徑2.5m）為例，脫架后撐腳和滑道間隙為1.5cm（設(shè)計(jì)值為2cm），平衡調(diào)節(jié)完成后轉(zhuǎn)體過(guò)程中梁體還是明顯發(fā)生豎向轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致?lián)文_與滑道接觸，從而導(dǎo)致梁體一端上升8cm，另一端下降10cm，轉(zhuǎn)體到位后還需采用大噸位千斤頂對(duì)上、下轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行頂升調(diào)節(jié)梁體線(xiàn)形。

4　結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)大型轉(zhuǎn)體橋一般采用球鉸，平面鉸較多地運(yùn)用于小噸位橋梁，但從結(jié)構(gòu)受力、加工制作、成本控制、使用性能及安全性來(lái)說(shuō)，平面鉸都比球鉸更具優(yōu)勢(shì)。因此平面鉸在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)更有推廣和使用價(jià)值。

［1］羅旗幟.橋梁工程［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2006.

［2］陳俊卿，張聯(lián)燕，譚邦明，等.橋梁轉(zhuǎn)體施工［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［3］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］.公路交通技術(shù)，2001（4）：24-28.

［4］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.

［5］傅賢超，王興猛，曹文.橋梁平轉(zhuǎn)法施工監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.鐵道建筑，2013（11）：8-10.

AbstractBridge rotation construction is commonly used to date.Hinge is the key structure.Currently，plane hinge and spherical hinge are both used.T he latter is more widely applied while the former is mainly used in light bridge. In this paper，these two hinges were compared in terms of hinge structure design，fabrication，installation，and rotation construction.In this case，plane hinge outweighs spherical hinge in terms of mechanic characteristics and operation properties.

Comparison of Plane Hinge and Spherical Hinge Used in Bridge Rotation Construction

FU Xianchao，TANG Ying，CHAO Wen
（Southwest Research Institute of China Railway Engineering Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 611731，China）

Bridge construction；Rotation construction；Spherical hinge；Plane hinge；Comparison

U445.465

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.09

1003-1995（2016）04-0035-03

（責(zé)任審編孟慶伶）

2016-01-27；

2016-02-16

傅賢超（1984—），男，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士。