RPC球鉸的應用

郝良秋，楊博婷

(中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

為了減少大跨度橋梁施工對地面交通的干擾和影響，轉(zhuǎn)體施工工藝越來越多地在橋梁立交工程中得到應用。球鉸是橋梁轉(zhuǎn)體施工時采用的重要裝置，它既是橋梁上部結構的承重件，同時又可以實現(xiàn)結構的平面轉(zhuǎn)動，是轉(zhuǎn)體結構支撐體系和轉(zhuǎn)動體系的合成[1]。

目前轉(zhuǎn)體施工多采用鋼球鉸，RPC(活性粉末混凝土)球鉸是最新研發(fā)的一種新型轉(zhuǎn)體球鉸。RPC作為一種新型材料，應用范圍還并不廣泛。郭恒[2]以北盤江大橋為背景，介紹了12 000 t 轉(zhuǎn)體鋼球鉸的材料研究、制造、安裝及轉(zhuǎn)體運行，首次在大橋轉(zhuǎn)體施工中應用填充聚四氟乙烯復合夾層滑板/鋼摩擦副球鉸；唐亮[3]結合北京石景山南站高架橋主橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的施工，介紹大型鋼球鉸在轉(zhuǎn)體施工中的應用；牛遠志等[4]以某城市主干道上跨既有干線鐵路采用獨塔空間四索面預應力混凝土斜拉橋的超大噸位轉(zhuǎn)體施工為例，從轉(zhuǎn)體支撐協(xié)調(diào)性、結構受力、變形等方面分析了轉(zhuǎn)體鉸型式，彌補了超大噸位轉(zhuǎn)體的空缺；袁峰[5]介紹了轉(zhuǎn)體鋼球鉸在某新建高速公路中的預應力混凝土連續(xù)箱梁橋這一跨鐵路線橋梁中的施工工藝、加工精度、安裝過程以及質(zhì)量控制措施。

從以上研究成果可以看出，RPC材料在轉(zhuǎn)體橋施工中使用極少，本文以國道108線禹門口黃河公路大橋項目為例，介紹RPC球鉸的特點及安裝方法，為今后類似的工程提供參考。

1 工程概況

國道108線禹門口黃河公路大橋西引橋，位于陜西省韓城市渚北村，起點里程樁號為K2+085，終點里程號為K2+275.91，橋梁長190.91 m，寬27 m，采用雙幅橋設計，跨越黃韓侯鐵路和侯西鐵路2條電氣化鐵路，西引橋線路中心線與鐵路中心線夾角為51°。15#承臺與鐵路限界的最小距離為6.36 m，與鋼軌的最小距離為8.8 m，14#墩承臺與鐵路限界的最小距離為10 cm，與鋼軌的最小距離為17.46 m。為保證既有鐵路線運營安全，連續(xù)梁采用轉(zhuǎn)體施工。承臺與鐵路的平面位置關系見圖1。

圖1 承臺與鐵路的平面位置

轉(zhuǎn)體結構由下轉(zhuǎn)盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)組成[6-8]。下轉(zhuǎn)盤為支撐轉(zhuǎn)體結構全部重量的基礎，轉(zhuǎn)體完成后，與上轉(zhuǎn)盤共同形成承重基礎；下轉(zhuǎn)盤上設置轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的下球鉸、撐腳的環(huán)形滑道及轉(zhuǎn)體拽拉千斤頂反力座等[9-10]。

2 球鉸材料的選擇

早期國內(nèi)的橋梁轉(zhuǎn)體施工均采用混凝土球鉸，目前國內(nèi)的橋梁轉(zhuǎn)體大多采用鋼球鉸。鋼球鉸采用數(shù)控機床加工球鉸曲面，精度高，故承載能力及轉(zhuǎn)動摩阻2項關鍵技術指標都遠遠優(yōu)于混凝土球鉸；但鋼球鉸的加工過程比較復雜，且體積較大、造價較高。

RPC是由專用原料經(jīng)過特定工藝生產(chǎn)出來的一種水泥基復合材料，其力學和物理性能與現(xiàn)有的混凝土材料有較大區(qū)別[11]。RPC球鉸是采用鋼-RPC的復合結構，殼體用鋼板焊接形成球鉸形狀，殼體內(nèi)填充RPC，數(shù)控立式車床精加工球鉸的球面。C120級RPC允許壓應力可達到40 MPa以上，球鉸平面尺寸可減小約50%。球鉸的摩擦副不再采用鑲嵌式的聚四氟乙烯滑塊，而是用滿鋪敷設的超高分子量聚乙烯滑塊，避免了球鉸曲面板上加工凹槽的工序，加大了滑塊的承壓面積，使滑塊設計應力達到45 MPa，與RPC設計應力相匹配。與普通鋼球鉸相比，RPC球鉸結構剛度大幅度提高，有利于提高球面加工精度，減少運輸及安裝過程中的變形。因RPC球鉸平面尺寸減小，結構用鋼量和加工量都大幅度減少，降低了球鉸的生產(chǎn)成本。

3 RPC球鉸的結構

圖2 RPC球鉸構造

RPC球鉸由球鉸上盤、球鉸下盤、上座板、下座板和中心轉(zhuǎn)軸組成，均采用鋼-RPC組合結構[12]，如圖2所示。球鉸下盤設有向上的凹球面，球鉸上盤設有向下的凸球面，在上、下盤球面之間設有超高分子量聚乙烯滑板和不銹鋼板組成的摩擦副。球鉸上、下座板均為正方形，用以固定球鉸上、下盤，通過座板將豎向力擴散后傳至普通混凝土結構。上、下座板設有預埋鋼筋，下座板預埋在橋梁基礎混凝土的頂面，上座板與待轉(zhuǎn)體的上部結構混凝土澆筑為一體，與后澆筑的結構實現(xiàn)可靠的錨固傳力。下座板設預留孔，供混凝土澆注時排氣或輔助振搗。在球鉸上、下盤和上、下座板的中心設置有中心轉(zhuǎn)軸，以保證轉(zhuǎn)體過程中的定位和穩(wěn)定。

禹門口黃河公路大橋西引橋14#、15#墩采用轉(zhuǎn)體球鉸的設計，豎向承載力分別為130 000 kN、100 000 kN。本文以14#墩使用的球鉸為例，介紹RPC球鉸的制作及安裝工藝。

4 RPC球鉸模型試驗方法

RPC球鉸在產(chǎn)品定型前，需要通過試驗驗證結構的合理性。試件構造見圖3。

圖3 RPC球鉸試件構造

球鉸試驗采用分級加載方式，由壓力機逐級施加豎向力。球鉸試件采用兩副球鉸，一正一反裝配在一起，以便于在豎向加壓的同時，進行水平轉(zhuǎn)動和豎向轉(zhuǎn)動的加載測試。利用千斤頂牽引固定于球鉸上盤的預應力鋼束作水平轉(zhuǎn)動，推動中間球鉸上盤作相對的水平運動，使球鉸實現(xiàn)豎向轉(zhuǎn)動，測定啟動摩阻力和正常轉(zhuǎn)動的摩阻力[13]。

5 RPC球鉸的加工

RPC球鉸分為上下2片，上、下球鉸的球面半徑為4.8 m，球面投影直徑為2.4 m，球鉸直徑為3 m，上、下座板的邊長及厚度分別為3.6、0.3 m，中心轉(zhuǎn)軸采用直徑為0.21 m的實心鋼棒制成，并在上端設置吊環(huán)，球鉸結構總厚度為1.3 m。加工時，球鉸各部件的外輪廓尺寸誤差應不超過±2 mm，上、下盤的球面度誤差應不大于0.3 mm，上、下盤與上、下座板之間接觸面的平整度誤差應不大于0.5 mm[14]。各部件均由專業(yè)廠家加工生產(chǎn)，經(jīng)試組裝合格后出廠。

球鉸上、下盤和上、下座板結構均是在鋼板加工焊接成的鋼殼內(nèi)填充RPC而成，內(nèi)部設有加勁肋板和鋼筋組成的PBL鍵，使鋼殼與RPC形成可靠的連接[15]。在生產(chǎn)加工時，鋼板按照設計圖尺寸準確下料，球面板按照要求的曲率半徑預彎成型，開坡口進行鋼殼焊接，焊縫應連續(xù)飽滿，不得有虛焊或夾焊。焊接鋼殼內(nèi)的加勁肋板時，應先穿入錨固鋼筋。鋼殼焊接成型后應進行熱處理，以消除焊接殘余應力。然后，在鋼殼內(nèi)填筑C120級RPC，RPC澆筑時應振搗密實，澆筑好的構件靜置12～18 h后，在85 ℃條件下蒸汽養(yǎng)護48 h。

球鉸滑塊采用8 mm厚的超高分子量聚乙烯制成，滑塊統(tǒng)一加工成正六邊形，根據(jù)球面板尺寸對布置在圓周外緣的滑塊進行切割。滑塊表面設置有儲脂坑，儲脂坑直徑為8 mm、深度為3 mm，每塊滑塊上布置有19個螺絲固定孔，采用M5沉頭螺絲將滑塊固定于球鉸下盤的球面板上，沉頭螺絲的頂面與滑塊表面的距離應不小于3 mm。球鉸上盤球面板上包覆3 mm厚的鏡面不銹鋼板，將不銹鋼板與球面板完全密貼后，用氬弧焊焊接四周?；瑝K構造見圖4。

圖4 滑塊構造

6 RPC球鉸的安裝

RPC球鉸各部件運至工地現(xiàn)場驗收合格后，應妥善存放，避免損傷或污染。其施工順序依次為：安裝RPC下座板、球鉸下盤，將下座板和球鉸下盤由連接板焊接為一體；安裝球鉸上盤、RPC上座板，將上座板和球鉸上盤由連接板焊接為一體；吊裝中心轉(zhuǎn)軸；上承臺施工。

6.1 下轉(zhuǎn)盤施工

下承臺分2次施工。第一次澆注混凝土的高度為下球鉸定位骨架底標高，在第一層混凝土強度達到25%后，利用預埋件安裝滑道骨架和下球鉸骨架[16-17]。

下座板與滑道采用角鋼支架支撐，使下座板、滑道頂面與待澆筑的基礎頂面齊平,仔細調(diào)整下座板與滑道的水平和高程，等符合要求后，將下座板、滑道與角鋼支架焊接固定牢靠，將基礎鋼筋、下座板、滑道預埋鋼筋綁扎固定，或焊接固定在下座板側(cè)面鋼板上。下球鉸及滑道安裝完成后，澆注第二次混凝土[18-19]。下球鉸底混凝土的澆注由中心向四周進行，利用下座板與滑道的預留孔進行輔助振搗和排氣，以保證下座板與滑道下方混凝土的密實度?；兰跋伦宓陌惭b見圖5、6。

圖5 滑道安裝

圖6 下座板安裝

6.2 連接下座板與球鉸下盤

基礎混凝土達到強度后，吊裝球鉸下盤就位，檢查下盤球面板上的超高分子量聚乙烯滑塊,保證滑塊固定牢固、表面清潔干燥，在滑塊上均勻涂抹潤滑硅脂。將球鉸下盤與下座板間用角焊縫圍焊周邊，焊接連接鋼板。

涂抹硅脂(圖7)后，盡快安裝球鉸上盤。

圖7 涂抹硅脂

6.3 上轉(zhuǎn)盤施工

清潔球鉸上盤球的不銹鋼板表面，并均勻涂抹少量硅脂，然后吊裝球鉸上盤和上座板就位，焊接球鉸下盤與下座板間的圓周焊縫及連接鋼板[20-21]。上轉(zhuǎn)盤及上座板的安裝見圖8、9。

圖8 上轉(zhuǎn)盤安裝

圖9 上座板安裝

6.4 球鉸固定

調(diào)整球鉸位置準確無誤后，將中心轉(zhuǎn)軸鋼棒放入球鉸下盤和下座板的預埋套筒中，中心轉(zhuǎn)軸與球鉸下盤預留孔以及球鉸下座板預留孔之間應有大于2 mm的間隙，以便中心軸轉(zhuǎn)動；然后焊接上座板頂面的堵頭鋼板及吊環(huán)，焊縫應為連續(xù)封閉環(huán)，以防止混凝土澆注時砂漿進入中心轉(zhuǎn)軸套內(nèi)。

6.5 上承臺施工

將上座板預埋鋼筋與轉(zhuǎn)體上盤內(nèi)的鋼筋綁扎固定,設置滑道撐腳及轉(zhuǎn)體牽引鋼束錨固裝置等，立模澆筑上承臺混凝土，使上座板可靠錨固于轉(zhuǎn)體上盤混凝土中。

為了提高轉(zhuǎn)體過程中結構的穩(wěn)定性，防止結構發(fā)生較大的傾斜，在每個上轉(zhuǎn)盤的底面沿著轉(zhuǎn)動中心圓周均勻設置8個Φ630×20 mm的圓形鋼管混凝土撐腳，每個撐腳下設30 mm厚的鋼板，鋼板底面貼焊3 mm鏡面不銹鋼板，向鋼管內(nèi)灌注C120級活性粉末混凝土，撐腳中心線半徑為4.35 m。在撐腳的下方設置寬1.1 m的環(huán)形滑道，轉(zhuǎn)體時撐腳在滑道內(nèi)滑動，以保持轉(zhuǎn)體結構的平穩(wěn)，整個滑道面在同一個水平面上，相對高差不大于2 mm。當轉(zhuǎn)體發(fā)生傾斜時，撐腳先支承于下轉(zhuǎn)盤的滑道上，防止轉(zhuǎn)體進一步側(cè)傾。為減小撐腳底面與滑道的摩擦，撐腳底面鋼板與滑道的接觸面應刨平，粗糙度不低于6.3級，鍍鉻后刨光處理。撐腳在工廠整體制造后運進現(xiàn)場，在下轉(zhuǎn)盤混凝土澆筑完成、上球鉸安裝就位時安裝撐腳，安裝時要與滑道鋼板間預留間隙，用鋼楔塊墊緊。撐腳的相對位置應根據(jù)與梁體的對應關系確定，以滿足卸架后的梁體平衡[22-24]。

砂箱的主要作用是將轉(zhuǎn)體系統(tǒng)在轉(zhuǎn)體前進行臨時固結，從而保證梁體在施工過程中的穩(wěn)定。每個轉(zhuǎn)盤設置8個直徑為1 000 mm的臨時砂箱，內(nèi)填石英砂，砂箱與永久撐腳同步安裝，在懸灌梁施工完成、轉(zhuǎn)體前拆除。撐腳、砂箱的安裝見圖10。

圖10 撐腳、砂箱安裝

牽引索是一頭錨固在撐腳反力支座的鋼絞線，為轉(zhuǎn)體提供牽引力，牽引索的錨固端采用P錨，并纏繞在滑道上。牽引索中心與牽引座中心對準，使2條牽引索高度一致，互不干擾。預留的長度應考慮工作長度。牽引索從安裝完畢到投入使用要注意防止電焊打傷或電流通過，還要防潮、防淋、避免銹蝕[25]。

至此，活性粉末混凝土球鉸便安裝完成，然后按照常規(guī)的橋梁轉(zhuǎn)體施工步驟和要求進行施工作業(yè)即可。

7 結 語

14#墩球鉸體系的成功安裝，為即將施工的15#墩RPC球鉸結構提供了豐富的經(jīng)驗，使連續(xù)梁轉(zhuǎn)體質(zhì)量更有保證。與普通鋼球鉸相比，RPC球鉸更適合大噸位轉(zhuǎn)體及墩頂轉(zhuǎn)體，具有體積小、剛度大、承載能力高、轉(zhuǎn)動力矩小等諸多優(yōu)點，可以大幅度減少機加工的工序，降低施工難度，有效提高施工質(zhì)量和施工安全性，減少了球鉸的生產(chǎn)成本及工程投資。伴隨著運輸規(guī)劃事業(yè)的不斷發(fā)展，RPC球鉸這一新型轉(zhuǎn)體施工材料將會應用于更多跨線橋梁施工中。

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