RPC組合球鉸設(shè)計(jì)與制造安裝控制研究

陳經(jīng)偉

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070)

1 項(xiàng)目背景

呼和浩特市某市政快速路跨越京包鐵路橋梁為(70＋70)m T型剛構(gòu)(見圖1)，橋梁先順鐵路支架現(xiàn)澆、后水平轉(zhuǎn)體施工跨越鐵路到達(dá)設(shè)計(jì)位置。設(shè)計(jì)荷載為1.3×城A荷載，分兩幅布置，半幅橋?qū)?0 m。由于鄰近鐵路營(yíng)業(yè)線施工，為控制橋梁跨度，需盡量縮小轉(zhuǎn)體承臺(tái)的尺寸。經(jīng)綜合比選，橋梁轉(zhuǎn)體球鉸采用了RPC組合球鉸，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)體噸位為10 000 t。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于RPC組合球鉸研究較少，本文主要研究球鉸的設(shè)計(jì)、制造和安裝控制。

圖1 橋梁現(xiàn)場(chǎng)照片

2 RPC球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

RPC混凝土即活性粉末混凝土(Reactive powder concrete)，它是以細(xì)砂為骨料，摻入大量硅灰等礦物摻合料、高效減水劑和微細(xì)鋼纖維，薄弱的界面得到大幅度加強(qiáng)，抗裂能提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，使其成為一種高強(qiáng)度、高韌性、低孔隙率的混凝土材料[1]。

2.1 RPC球鉸構(gòu)造

RPC球鉸結(jié)構(gòu)一般由四部分組成，自上而下分別為:球鉸上座板、球鉸上盤、球鉸下盤和球鉸下座板，球鉸上盤和球鉸下盤之間設(shè)置超高分子量聚乙烯板滑板的摩擦副，球鉸中心設(shè)置有中心轉(zhuǎn)軸。球鉸各部件結(jié)構(gòu)一般均由鋼板焊接而成的鋼殼內(nèi)填充超高強(qiáng)混凝土而組成。

為便于施工操作，球鉸上下轉(zhuǎn)盤間隙高度一般可按照0.8～1.2 m設(shè)計(jì)。下座板埋置于下承臺(tái)頂面位置，上座板頂面可與轉(zhuǎn)體上盤混凝土底面結(jié)合為一體，亦可采用將上座板埋入轉(zhuǎn)體上盤混凝土中的方式。

球鉸下盤為具有凹球面的圓柱體，凹球面及外側(cè)面為Q235鋼板焊接形成的鋼殼，鋼殼內(nèi)填充C120級(jí)的超高強(qiáng)混凝土。為保證混凝土與鋼殼的整體性和有效傳力，內(nèi)部布置與鋼殼內(nèi)壁焊接的加勁肋板和普通鋼筋。球鉸上盤為具有凸球面的圓柱體，采用鋼殼內(nèi)焊接肋板并布置普通鋼筋后內(nèi)部填充超高強(qiáng)混凝土的構(gòu)造形式。

2.2 RPC球鉸應(yīng)力計(jì)算方法

如圖2所示，可得球冠面積S和投影平面面積S1[2]，取K＝S/S1，即K＝2(1－sinθ)/cosθ/cosθ

圖2 球冠面積計(jì)算

根據(jù)參數(shù)分析，K與θ角度的關(guān)系如圖3所示，K與r、H值的關(guān)系如圖4所示。

圖3 K值與角度關(guān)系

圖4 K值與r、H值關(guān)系

通過分析可知:

(1)K值基本在1.0～1.1之間分布，球鉸平面半徑越小K值越大。

(2)當(dāng)球鉸平面半徑r一定時(shí)，隨著球冠高度H越高，K值越大。

(3)由于K值變化不大，球鉸平面應(yīng)力計(jì)算可近似采用投影面積，與一般平鉸計(jì)算方式相同[3]。

2.3 RPC球鉸設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目球鉸采用RPC球鉸，如圖5所示，球鉸由上盤、下盤、上座板、下座板及中心轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。球鉸下座板采用角鋼支架支撐調(diào)平后，與下承臺(tái)混凝土澆筑為一體。吊裝球鉸下盤、上盤及下座板，插入球鉸中心轉(zhuǎn)軸，將球鉸下盤和下座板、球鉸上盤和上座板用鋼板焊接固定。立模澆筑球鉸上盤，將上座板錨固于上盤混凝土內(nèi)。球鉸下盤球面板上鋪滿8 mm超高分子聚乙烯滑板，采用沉頭螺釘固定于球面板上[4－5]。

圖5 RPC球鉸構(gòu)造(單位:mm)

按照球鉸應(yīng)力計(jì)算方法及球鉸構(gòu)造，球鉸設(shè)計(jì)應(yīng)力可按照下式進(jìn)行計(jì)算[6－9]。

式中，N為球鉸設(shè)計(jì)荷載，本項(xiàng)目N＝10 000 t；k為荷載增大系數(shù)，本項(xiàng)目k＝1.2；r為球鉸球面投影半徑，取r＝0.975 m；d為球鉸中心轉(zhuǎn)軸半徑，取d＝0.05 m。

經(jīng)計(jì)算球鉸設(shè)計(jì)應(yīng)力為40.6 MPa。C120混凝土設(shè)計(jì)允許應(yīng)力42 MPa，強(qiáng)度滿足要求。

同理，可計(jì)算得球鉸上座板應(yīng)力20.96 MPa。因此，球鉸上、下承臺(tái)采用C40混凝土。

3 RPC球鉸誤差對(duì)球鉸應(yīng)力的影響

3.1 RPC球面半徑誤差對(duì)球鉸應(yīng)力的影響

根據(jù)前面研究結(jié)論，可知球鉸承壓面應(yīng)力可近似采用平鉸的應(yīng)力計(jì)算方法。

因此，球鉸承壓面平均壓應(yīng)力:

C120混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度42 MPa，本項(xiàng)目按照40 MPa取值，分析不同球面半徑誤差對(duì)球鉸應(yīng)力的影響，如圖6所示。

圖6 球面半徑相對(duì)誤差和球鉸應(yīng)力相對(duì)誤差關(guān)系

由此可見，球鉸半徑誤差與球鉸應(yīng)力成正比關(guān)系。球鉸可按Δσ/σ≤5%的控制條件，對(duì)球面半徑進(jìn)行誤差控制[10－12]。根據(jù)RPC球鉸構(gòu)造特點(diǎn)，球鉸半徑誤差宜控制在8 cm以內(nèi)。

3.2 RPC球面局部誤差對(duì)球鉸應(yīng)力的影響

當(dāng)球鉸承壓面平均壓應(yīng)力為σ時(shí)，滑塊的平均壓縮變形量為:

球面摩擦副滑塊采用h＝8 mm厚的超高分子量聚乙烯板，滑板彈性模量一般為500～900 MPa，考慮蠕變影響后可采用換算彈性模量300 MPa。當(dāng)平均壓應(yīng)力σ＝40 MPa時(shí)，球面局部誤差Δ與球面應(yīng)力偏差相對(duì)值η及球面摩擦副滑塊厚度h正相關(guān)，如圖7所示。

圖7 球面局部誤差與球面應(yīng)力偏差關(guān)系

4 RPC球鉸安裝控制

4.1 上下球鉸間隙控制

球鉸除了在承受豎向荷載時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)水平轉(zhuǎn)動(dòng)之外，還應(yīng)當(dāng)能夠適應(yīng)少量豎向轉(zhuǎn)動(dòng)，且球鉸上下轉(zhuǎn)盤安裝時(shí)，也存在一定的間隙。橋梁轉(zhuǎn)體到位后，進(jìn)行最后的空間姿態(tài)調(diào)整時(shí)，也需要少量的豎向轉(zhuǎn)動(dòng)。

如圖8所示:

圖8 球面豎轉(zhuǎn)位移示意

式中，Δh為上下球鉸間隙；r為球鉸球面投影半徑，取0.975 m；dθ為球鉸容許轉(zhuǎn)角，取0.02。

RPC球鉸的豎向轉(zhuǎn)角可參照球形支座的容許轉(zhuǎn)角0.02弧度控制[13]。根據(jù)上述公式可得，上下球鉸間隙可按2 cm控制。

4.2 滑道安裝精度控制

理論上轉(zhuǎn)體過程中撐腳不受力，僅靠球鉸自身摩阻力平衡上部不平衡重量。而實(shí)際操作中，可適當(dāng)保留部分偏載，便于控制轉(zhuǎn)動(dòng)中的平衡狀態(tài)。球鉸上轉(zhuǎn)盤可根據(jù)大小布置8～12組撐腳，如圖9所示，用于轉(zhuǎn)體過程中支撐上部偏載。理想狀態(tài)時(shí)，一半撐腳受力。非理想狀態(tài)時(shí)，單個(gè)撐腳受力。

圖9 球鉸撐腳平面布置

當(dāng)滑道局部平面安裝誤差較大時(shí)，可引起局部撐腳脫空，從而導(dǎo)致其他位置撐腳受力增加；當(dāng)滑道整體安裝誤差較大時(shí)，可造成僅僅一組撐腳受力。

當(dāng)采用8組支撐，局部一組撐腳脫空時(shí)，局部應(yīng)力增大系數(shù)見式(6):

當(dāng)采用12組支撐，局部一組撐腳脫空時(shí)，局部應(yīng)力增大系數(shù)見式(7):

當(dāng)η1＝0.414及h＝8 mm時(shí)，根據(jù)圖7，采用線性內(nèi)插得，滑道安裝最大誤差Δ＝0.442 mm，因此，滑道局部安裝平面可按照小于0.5 mm控制。

當(dāng)采用8組支撐，僅一組撐腳受力時(shí)，局部應(yīng)力增大系數(shù)見式(8):

當(dāng)采用12組支撐，僅一組撐腳受力時(shí)，局部應(yīng)力增大系數(shù)見式(9):

當(dāng)η1＝2.732及h＝8 mm時(shí)，根據(jù)圖7采用線性內(nèi)插得，滑道安裝最大誤差Δ＝2.914 mm，因此，滑道同一水平面整體安裝平面可按照小于3.0 mm控制。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目橋梁已完成RPC球鉸的加工、制造及安裝工作，于2020年8月成功完成轉(zhuǎn)體施工，并得以下研究結(jié)論:

(1)根據(jù)球鉸構(gòu)造，分析了球面和平面的比值與球冠高度H、半徑r的關(guān)系，球鉸的應(yīng)力計(jì)算方法，可近似參照平鉸進(jìn)行計(jì)算。

(2)結(jié)合球面應(yīng)力誤差計(jì)算方法，分析研究了球面半徑誤差對(duì)球鉸應(yīng)力的影響，球鉸半徑誤差宜控制在8 cm以內(nèi)。

(3)根據(jù)球鉸承壓面應(yīng)力誤差計(jì)算方法，分析研究了球面局部誤差對(duì)球鉸應(yīng)力的影響。

(4)參照支座豎轉(zhuǎn)角度，研究了上下球鉸安裝控制標(biāo)準(zhǔn)，要求上下球鉸間隙小于2 cm。

(5)結(jié)合撐腳作用特點(diǎn)，研究了滑道安裝控制標(biāo)準(zhǔn)。整體安裝誤差要求小于3.0 mm、局部安裝安裝誤差要求小于0.5 mm。

RPC球鉸具有半徑小、體積小、重量輕、運(yùn)輸安裝便捷等諸多優(yōu)點(diǎn)，從而可以較大地優(yōu)化下部結(jié)構(gòu)尺寸，降低工程造價(jià)，具有良好的適用前景和推廣價(jià)值。