超大噸位轉體橋梁關鍵技術研究

簡方梁，徐升橋，高靜青，焦亞萌，宋元印，鮑 薇

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

隨著交通建設事業(yè)向縱深發(fā)展，橋梁建設面臨的建橋環(huán)境日益復雜，上跨既有公路、鐵路、山區(qū)峽谷橋梁不斷增多，如何盡可能減少對橋下既有線干擾，保證既有線的運營安全以及如何有效利用山區(qū)地形，安全經(jīng)濟的進行橋梁建設等問題給橋梁設計及施工技術提出巨大挑戰(zhàn)。

橋梁轉體法施工別具優(yōu)勢，轉體橋梁在沿線建造完成后，通過水平或者豎向轉體就位，平轉法轉體施工時間短，施工干擾小，轉體安全性也在不斷提高，具有較高研究價值[1-3]。

轉體橋施工靈感來源于開啟橋，國外轉體工藝始于20世紀40年代，經(jīng)歷了豎轉法到平轉法的發(fā)展歷程。國外比較有代表性的轉體橋梁為比利時本·艾英橋，環(huán)道支承體系轉體斜拉橋，主跨跨徑為l68m，轉體質量達19500t，建成于1991年，噸位居當時世界第一。我國轉體法施工起步比國外晚，但平轉法施工基本與國外同步，在1977完成了第一座轉體施工試驗橋(四川遂寧建設橋)，轉體質量達1200t[4]。從開始跨越山澗的千噸級橋梁轉體發(fā)展到現(xiàn)在跨越鐵路和公路的萬噸級橋梁轉體，轉體施工的橋梁數(shù)量逐年增加，噸位越來越大，轉體橋梁正在從拱橋、剛構橋向大跨度斜拉橋發(fā)展[5-7]。尤其對于國內(nèi)公跨鐵橋梁施工，為了確保鐵路運營安全，降低橋梁施工對鐵路運營的影響，國內(nèi)公跨鐵橋梁推薦采用轉體法施工[8-11]。

轉體橋梁轉體長度逐年增加，轉體噸位也逐漸增大，當轉體噸位繼續(xù)增大時，轉鉸的加工成型、運輸安裝面臨著諸多困難，同時，大噸位轉體橋梁的稱重也將面臨著技術難題。本文結合保定樂凱大街保定南站主橋，針對關鍵技術問題進行攻關，研發(fā)了裝配式大噸位球面平鉸，解決了5萬噸級轉鉸的制造、運輸?shù)募夹g難題，大幅提升了轉體橋梁的跨越能力；提出的大噸位球面平鉸轉體橋多點協(xié)同稱重技術，解決大噸位轉體橋的稱重難題[1-3]。這些技術可在3～10萬噸級轉體橋梁中推廣應用。

2 裝配式超大噸位球面平鉸研發(fā)

2.1 設計構思

轉鉸從結構形式上分為球鉸、平鉸、轉體支座、帶中軸的平面環(huán)道等，應用比較廣泛的是單鉸中心支撐為主的轉體結構；從材料上可分為混凝土鉸[12-13]和鋼鉸、鋼管混凝土鉸[14]以及新型RPC鉸等[15]，目前大噸位鉸以鋼制鉸為主。本次研發(fā)結合超大噸位轉鉸的使用要求，著重分析鋼制球鉸和平鉸兩種型式。兩種鉸結構型式具有類似性，一般均包括上鉸、下鉸、摩擦副、定位銷軸及下轉鉸支撐骨架等[16]，兩種鉸的分析對比見表1。

表1 超大噸位球鉸與平鉸對比

在充分考慮平鉸、球鉸各自特點的基礎上，針對超大型轉鉸總體設計，創(chuàng)新提出了裝配式超大噸位球面平鉸技術，其構造如圖1所示。球面平鉸主要包括：上平鉸、下平鉸、滑塊、銷軸、剪力釘及支撐骨架等部件，具有以下特點。

圖1 球面平鉸基本構造

(1)上下鉸配合后的整體外形與平鉸結構類似。由上下兩塊厚鋼板機加工而成，加工簡便，轉鉸質量有保證，鋼材用量小，環(huán)境友好。

(2)上下鉸接觸面加工成大半徑球面，使得整個鉸結構兼具平鉸和球鉸優(yōu)點。由于球面半徑比較大，轉動過程穩(wěn)定性相比普通球鉸更好。轉體過程中，接觸面為球面，自身也具有偏心調(diào)節(jié)能力，在偏心荷載作用下，轉鉸受力依然比較均勻，與撐腳配合較好；轉體后具有姿態(tài)調(diào)整能力，僅千斤頂頂力相對較大。

(3)分塊可拆裝設計，可根據(jù)需要對平鉸進行拆分和重裝，解決大噸位轉鉸運輸和安裝難題。分塊多少可綜合考慮工廠加工能力、運輸能力、運輸路線的限制要求等綜合確定。

2.2 主要參數(shù)及計算分析

(1)主要設計參數(shù)

依托工程樂凱大街保定南站主橋主塔轉體段需采用5萬噸球面平鉸，子塔需采用4萬噸球面平鉸。為其設計的轉鉸半徑分別為3.24 m和2.94 m，球面半徑分別為33 m和28 m。相對于鑄造成型的大噸位球鉸，不僅轉鉸結構的質量更有保障，且可節(jié)省鋼材約40%。

(2)裝配式球面平鉸分析結果

采用三維有限元分析軟件對轉鉸在軸壓和偏載作用下的受力進行了分析[17]。有限元模型見圖2，下部混凝土下表面完全約束，荷載作用于上轉盤頂面。上下平鉸肋板采用殼單元模擬，上下平鉸與混凝土接觸面固結，滑片與上平鉸為摩擦接觸。

圖2 裝配式球面平鉸有限元分析模型

主要應力結果見表2，從表2可見，正載和偏載工況下，球面平鉸的主要部件均小于所選用的材料容許應力，設計轉鉸滿足受力要求。典型的應力云圖如圖3所示。

表2 5×104 t球面平鉸主要部件應力 MPa

圖3 上平鉸偏載最小主應力

球面平鉸的上下平鉸采用分塊設計，通過有限元計算分析了在正載和偏載作用平鉸接縫處的變形?？紤]到下平鉸底部的混凝土澆筑的不利影響，模型中將該區(qū)域混凝土彈性模量進行折減。

結果顯示：無偏心工況下平鉸接縫的開口寬度關于圓心對稱，最大開口寬度為0.039 mm；有偏心工況下，水平接縫在偏心彎矩作用下受壓側開口寬度略大于受拉側，最大開口寬度為0.054 mm，偏載工況下接縫開口寬度曲線見圖4。兩種工況下水平裂縫均小于0.1 mm，滿足設計要求。

圖4 下平鉸接縫開口寬度曲線(偏載工況)

2.3 試驗驗證

通過設計及理論分析，還需對球鉸關鍵部件進行試驗驗證，以確保設計轉鉸的可行性。著重對滑片選材、鑲嵌方式、以及分塊對轉動摩擦力影響等進行了試驗研究。

(1)滑片選材

選擇MGB滑片(10個，φ100 mm×7 mm)、改性四氟滑片(10個，φ100 mm×7 mm)分別在有潤滑脂(硅脂)及無硅脂的條件下，并控制試驗樣件的壓力，對兩種滑片進行試驗。試驗圖片如圖5所示。

圖5 滑片選材加載試驗

主要試驗結果見表3，結論如下。

表3 摩擦系數(shù)及變形結果

①在相同壓力的作用下，改性四氟滑片的靜摩擦系數(shù)與動摩擦系數(shù)均小于MGB滑片。

②改性四氟滑片不同壓力下，動摩擦系數(shù)無明顯改變；MGB滑片動摩擦系數(shù)隨著水平滑動高頻率大幅度波動，極不穩(wěn)定。

③相同壓力下，MGB滑片產(chǎn)生的豎向與徑向塑性變形小于改性四氟滑片

因此，在優(yōu)先考慮摩擦系數(shù)的前提下，滑片材質選擇改性四氟滑片。

(2)滑片鑲嵌方式研究

控制試驗樣件的壓力，對改性四氟滑片進行試驗；同種材質相同厚度相同約束的樣件各2件?；睆?00 mm，厚度分別按13、18、23 mm 3種厚度2種約束情況，保壓時間為48 h后進行測試，記錄滑片在試驗過程前后的總厚度、外露高度及直徑，計算出變形量及對應的百分比，找出最佳約束形式，試驗見圖6。

圖6 滑片鑲嵌方式試驗

結論如下：同種厚度試件，外露高度越高，約束高度越小，變形越大；相同外露高度，總厚度越大，變形越大；考慮到滑片靜壓荷載蠕變量及上下平鉸轉動對變形量的影響，滑片選擇18 mm厚鑲10露8的約束方式。

(3)分塊接縫對滑片摩擦力影響

為更直觀了解接縫對滑片的影響，設計了以下試驗：在上下板安裝改性四氟滑片，中間為帶臺階鋼板，在給定壓力下，通過牽引中間鋼板，讓四氟滑片通過鋼板錯臺處，測試平移時改性四氟滑片的摩擦系數(shù)及經(jīng)過接縫處時摩擦力的變化，試驗見圖7。試驗結果表明：在接縫處，摩擦力會有一個突變，但很快恢復，并且恢復前后的摩擦力差別不大。說明接縫對滑動摩擦力影響不大。

圖7 分塊接縫對摩擦力影響試驗

2.4 加工制造

球面平鉸上下鋼板由兩塊200 mm厚的定軋鋼板經(jīng)6.6 m數(shù)控立車加工而成。經(jīng)調(diào)研，目前國內(nèi)的機加工能力，完全可以滿足球面凸面及凹面成型要求。主要的加工流程如下[3]。

(1)平鉸毛坯與環(huán)形及放射狀加強肋熔透焊接，并去除應力處理。

(2)為保證球面平鉸的平面度和球面度，將各分塊用螺栓連接，整體數(shù)控加工。

(3)上下平鉸的球面加工，上平鉸加工為凸球面，下平鉸加工為凹球面。

(4)下平鉸滑塊約束坑加工。

(5)工廠拆解和重新組拼，驗證拆裝性能和精度。

2.5 運輸

5萬噸級球面平鉸直徑達到6.48 m，若整體運輸，存在省道、國道入口可能無法進入的風險，需提前開具特殊運輸證明，運輸費用高。

球面平鉸采用分塊設計后，可分塊運輸，避免了平鉸因尺寸過大在通道入口受限問題，同時簡化了運輸手續(xù)，節(jié)省了運輸費用，較好地解決了大噸位轉鉸大件運輸?shù)碾y題。

3 超大噸位轉體多點協(xié)同稱重技術

轉體稱重是通過試驗測試轉體段的不平衡力矩Mg與摩阻力矩Mz，進而求得轉體段的偏心距及轉鉸靜摩擦系數(shù)。測試原理為：轉盤兩側千斤頂?shù)捻斏吐漤?，利用百分表記錄各級頂力下的頂升或下落位移，繪出頂力與位移的關系曲線，根據(jù)曲線確定出轉動啟動時的臨界頂升力，根據(jù)轉動體的力學平衡條件進行求解[18]。當轉體噸位較大時，在球鉸周邊布設千斤頂進行稱重的傳統(tǒng)方式可能出現(xiàn)頂力過大，結構難以承受或者所需千斤頂組數(shù)過多，千斤頂難以布置等問題。為此，在保證結構安全前提下，提出了多點協(xié)同稱重技術。

以不平衡力矩大于摩擦力矩，在一側多點布置千斤頂為例，說明其原理，如圖8所示。不平衡力矩為逆時針方向，布置n個起頂點，分起頂和落頂兩種工況，當起頂時，各千斤頂頂力為P1～Pn，力臂分別為L1～Ln，球鉸發(fā)生微小順時針轉動，球鉸摩擦力矩為逆時針，此時力矩平衡方程為

圖8 多點同側頂升和落頂計算圖示

(1)

落頂時，各千斤頂頂力為P1′～Pn′，力臂分別為L1～Ln，球鉸發(fā)生微小逆時針轉動，球鉸摩擦力矩為順時針，此時力矩平衡方程為

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)，即可對Mg與Mz求解。對于不平衡力矩小于摩擦力矩，需轉鉸兩側設置千斤頂，可與此類似求解。

得到Mg與Mz后，即求得轉體段偏心距和球鉸靜摩擦系數(shù)。其中轉體結構的偏心距e=Mg/N，N為轉體重力。根據(jù)文獻[19]推導，轉鉸靜摩擦系數(shù)可表達為

(3)

確定了偏心距和轉鉸摩擦系數(shù)，即可進行精確配重，并確定轉體時的啟動牽引力[20]。

4 應用實例

前述大噸位轉體關鍵技術在樂凱大街跨保定南站主橋得到了成功應用。

4.1 裝配式超大噸位球面平鉸的應用

為保定南站主橋母塔和子塔設計了轉體噸位分別為5萬噸和4萬噸級裝配式超大噸位球面平鉸。其中5萬噸級轉鉸分為2塊，4萬噸級鉸分為3塊，驗證了分塊設計、制造的可行性。球面平鉸工廠加工如圖9、圖10所示。

圖9 凸球面立車

圖10 加工完成后的上平鉸

工廠加工完成后，將其拆解并進行廠內(nèi)預拼組裝，保證其平面度和球面度，根據(jù)運輸條件進行拆解分塊運輸，解決了大噸位轉鉸的運輸難題。運至施工現(xiàn)場后，對拼時對接縫處進行打磨拋光，使接縫平順過渡。

轉鉸安裝過程中，需精確安裝下球面平鉸，精確對位后進行鎖定。為保證下平鉸混凝土密實度，分別從混凝土原材料、外加劑、配合比、澆筑控制和澆筑后填充等方面進行研究并采取相應措施，確?；炷翝仓|量。轉鉸現(xiàn)場安裝如圖11所示。

圖11 分塊下平鉸安裝

4.2 超大噸位轉體多點協(xié)同稱重技術應用

初步估算，保定南站主橋主塔轉體段稱重需千斤頂力約65 000 kN，僅在轉盤處布置千斤頂難以完成稱重，因此采用多點協(xié)同稱重技術，在轉盤和梁端設置千斤頂。

根據(jù)結構自身受力狀態(tài)，在保證稱重工況結構安全的前提下，確定梁端起頂力，并根據(jù)起頂力配置千斤頂，同時根據(jù)總的起頂彎矩確定轉盤處的千斤頂布置。采用多點協(xié)同稱重技術梁端起頂有較大力臂，大大降低了所需起頂力。梁端稱重布置如圖12所示。

圖12 梁端稱重布置

通過多點協(xié)同稱重技術進行稱重，確定母塔轉體段和子塔轉體段的偏心距分別為0.36 m和0.12 m，靜摩擦系數(shù)分為0.009 7和0.035。

根據(jù)稱重技術確定的參數(shù)，母塔和子塔分別配重1 000 kN和450 kN[21]。

分別考慮轉體重力完全由轉鉸承擔和轉體重力由轉鉸和撐腳共同承擔兩種工況計算啟動牽引力，通過試轉進行校核，確定最終啟動牽引力。

采用上述技術，該橋已于2019年7月30日成功轉體，創(chuàng)造了轉體長度、轉體質量、轉鉸直徑三項新的世界紀錄[3]，見圖13。

圖13 保定南站主橋轉體就位

5 結論

(1)首創(chuàng)一種超大噸位裝配式球面平鉸，兼具平鉸轉體穩(wěn)定性和球鉸姿態(tài)可調(diào)整的優(yōu)點，提高轉鉸加工質量，減輕轉鉸重力，增強了轉鉸的靈活性；分塊可拆裝技術解決了轉體橋向超大噸位發(fā)展過程中轉鉸加工及運輸困難技術難題。

(2)提出大噸位球面平鉸轉體橋多點協(xié)同稱重技術，解決大噸位轉體橋的稱重難題。

(3)上述技術在保定南站主橋上成功應用，并可在3～10萬噸級轉體橋梁中推廣。