球鉸轉(zhuǎn)體系統(tǒng)在跨鐵路單墩雙幅寬體無(wú)合龍轉(zhuǎn)體施工技術(shù)

劉圣明

摘要 作為全國(guó)首例單墩雙幅寬體無(wú)合龍大噸位預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)連續(xù)箱梁，濟(jì)南大西環(huán)跨京滬鐵路轉(zhuǎn)體橋?yàn)椴捎闷睫D(zhuǎn)法轉(zhuǎn)體跨越既有電氣化鐵路的轉(zhuǎn)體橋。文章結(jié)合濟(jì)南大西環(huán)跨京滬鐵路構(gòu)轉(zhuǎn)體橋施工實(shí)例，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)連續(xù)箱梁轉(zhuǎn)體法施工跨越京滬鐵路的施工工藝及球鉸安裝、支架及滑道埋設(shè)、縱橫向限位裝置、撐腳及沙箱、轉(zhuǎn)體摩阻計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)措施展開(kāi)分析，希望可以為類似工程建設(shè)和施工提供必要的支持。

關(guān)鍵詞 球鉸；轉(zhuǎn)體系統(tǒng)；轉(zhuǎn)體；摩阻；限位裝置

中圖分類號(hào) U445.465文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）14-0054-03

0 引言

橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)最初應(yīng)用在二十世紀(jì)的40年代，在當(dāng)時(shí)是應(yīng)用價(jià)值非常高的架橋工藝方案，以橋梁結(jié)構(gòu)非設(shè)計(jì)軸線作為基礎(chǔ)澆筑后形成的，并將轉(zhuǎn)體安裝到位，提高施工效果。大西環(huán)跨越已建成的電氣化京滬鐵路線路時(shí)，由于新線路施工不能影響舊線路的正常運(yùn)行，此時(shí)橋梁采用轉(zhuǎn)體施工。轉(zhuǎn)體球鉸及配套設(shè)施為實(shí)現(xiàn)橋梁轉(zhuǎn)體施工的核心部件，滿足豎向荷載，抵消不平衡力矩，實(shí)現(xiàn)預(yù)制及轉(zhuǎn)體的穩(wěn)定，可以最大限度地減少對(duì)鐵路營(yíng)業(yè)線路的影響。

1 轉(zhuǎn)體鉸分類及特點(diǎn)

在橋梁轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，目前主要是應(yīng)用轉(zhuǎn)體鉸結(jié)構(gòu)，其中應(yīng)用廣泛的是轉(zhuǎn)體球鉸、轉(zhuǎn)體平鉸、鋼鉸、混凝土鉸等幾種。最早應(yīng)用的是混凝土鉸，該結(jié)構(gòu)具備較高的強(qiáng)度與剛度，但是結(jié)構(gòu)自重也比較大，附屬組成部分復(fù)雜性較高。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)運(yùn)行的環(huán)節(jié)，限制條件比較多，特別是在投入使用后，摩擦系數(shù)較大，承載性能無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)。鋼鉸相對(duì)來(lái)說(shuō)比較靈活，受到的摩擦作用也比較小，但是容易出現(xiàn)銹蝕的問(wèn)題，影響使用功能，且銹蝕會(huì)造成摩擦力增大。轉(zhuǎn)體平鉸在使用中，需要設(shè)置平面摩擦副的裝置，該結(jié)構(gòu)能夠預(yù)防產(chǎn)生較大傾覆力矩，但是重心設(shè)置要求高。轉(zhuǎn)體球鉸是第七二五所研發(fā)的，以鋼鉸、轉(zhuǎn)體平鉸為根本研發(fā)應(yīng)用的，發(fā)揮出摩擦副材料的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用價(jià)值非常高，是廣泛應(yīng)用的橋梁轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)形式，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

轉(zhuǎn)體球鉸主要由上球鉸、下球鉸、滑動(dòng)摩擦板、銷軸以及支撐骨架組成，銷軸達(dá)到系統(tǒng)整體布置和固定的效果。在具體應(yīng)用的環(huán)節(jié)，首先把骨架埋設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，并安裝球鉸結(jié)構(gòu)，還要進(jìn)行調(diào)平處理，灌注混凝土固定處理，填充在球鉸下表面，使用摩擦滑板實(shí)現(xiàn)分片鑲嵌結(jié)構(gòu)設(shè)置，安裝到凹槽中，然后是安裝銷軸，涂抹必要的潤(rùn)滑介質(zhì)，再防止球鉸。在上轉(zhuǎn)盤混凝土結(jié)構(gòu)施工之后，利用牽引系統(tǒng)進(jìn)行上轉(zhuǎn)盤使用，上下球鉸相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)合龍運(yùn)行，滿足工程性標(biāo)準(zhǔn)[1]。

2 工程概況

濟(jì)南繞城高速公路二環(huán)線西環(huán)段新建京滬鐵路公鐵立交轉(zhuǎn)體橋位于禹城市十里望鎮(zhèn)官道張莊村南500 m處，于京滬鐵路里程K425+191處上跨京滬鐵路（新建公路里程K7+181.394），與京滬鐵路右偏角87.8°，交叉處鐵路為雙線電氣化鐵路線，國(guó)鐵Ⅰ級(jí)，鐵路交通繁忙；18#主墩位于京滬鐵路下行線一側(cè)，基坑深度為10 m，共需開(kāi)挖土方約9 000 m?。

3 施工工藝

3.1 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)構(gòu)成

該項(xiàng)目中應(yīng)用的轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)形式包含下轉(zhuǎn)盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、牽引結(jié)構(gòu)等，球鉸之間應(yīng)用的是四氟乙烯板填充，設(shè)計(jì)球鉸直徑為6.4 m，符合當(dāng)前工程建設(shè)施工的需要。在下轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)作為支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，達(dá)到整體支撐的效果，轉(zhuǎn)體安裝工作結(jié)束后，和上轉(zhuǎn)盤組合成為整體的結(jié)構(gòu)。下轉(zhuǎn)盤采用混凝土結(jié)構(gòu)形式，強(qiáng)度為C40，性能和質(zhì)量合格。下轉(zhuǎn)盤在設(shè)計(jì)中，應(yīng)用下鉸球、直徑11 m的環(huán)形下滑道以及12組千斤頂反力座。支撐腳與下滑道間隔20 mm距離，并根據(jù)需要進(jìn)行反力座調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)合格，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求[2]。

3.2 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)混凝土澆筑順序

下轉(zhuǎn)盤的澆筑分為兩次進(jìn)行。第一次澆筑高度在2.15 m左右，至下球鉸支座底部，并安裝支架、滑道骨架的結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行第二次澆筑施工，主要是球鉸、滑道預(yù)留槽位置，并安裝銷軸。

3.3 球鉸制作

3.3.1 設(shè)計(jì)要求

轉(zhuǎn)體球鉸的豎向承載力為2 568 000 kN，該結(jié)構(gòu)通過(guò)焊接方式連接，直徑為6.4 m，采用鋼材支座；轉(zhuǎn)體球鉸下部使用聚四氟乙烯填充，形成復(fù)合型的滑板，和上面板形成摩擦面，涂抹黃油潤(rùn)滑。

3.3.2 材料要求

轉(zhuǎn)體球鉸應(yīng)用Q345鋼板進(jìn)行結(jié)構(gòu)支座，結(jié)構(gòu)性能以及化學(xué)組分符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。使用聚四氟乙烯板填充制作形成滑板結(jié)構(gòu)，厚度合格，容許應(yīng)力在100 MPa以上，滑動(dòng)摩擦系數(shù)不足0.3。

3.3.3 制作技術(shù)要求

上、下球鉸通過(guò)擠壓方式形成整體的結(jié)構(gòu)，成型后，和放射筋、環(huán)形筋焊接形成整體結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行退火消除應(yīng)力處理。上下球鉸的表面通過(guò)機(jī)加工方式制作，結(jié)構(gòu)的精度合格，達(dá)到光滑性的標(biāo)準(zhǔn)要求。球鉸間轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦系數(shù)在0.06以內(nèi)，靜摩擦不超過(guò)0.1。各個(gè)部位上曲率半徑符合要求，達(dá)到一致性的標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)用樣板、塞尺檢查。按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，上、下球鉸全部設(shè)計(jì)為圓形，邊緣各個(gè)部位高程合格，沒(méi)有發(fā)生扭曲變形等問(wèn)題。

采取吊裝方式安裝球鉸與支架，現(xiàn)場(chǎng)采取人工方式調(diào)平處理，達(dá)到安裝精度的要求。先安裝下球鉸骨架，頂面高差不足5 mm，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)球鉸定位骨架的安裝精度控制，減少安裝環(huán)節(jié)調(diào)整作業(yè)量，并應(yīng)用先進(jìn)儀器測(cè)量安裝偏差，骨架頂面高差精度在2 mm以內(nèi)，中心偏差則不超過(guò)1 mm。骨架和預(yù)埋件進(jìn)行連接，通過(guò)焊接方式形成整體結(jié)構(gòu)，達(dá)到牢固、穩(wěn)定的效果，避免在現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工中發(fā)生位移偏差等問(wèn)題，否則將會(huì)造成施工質(zhì)量不合格。滑道骨架中心和球鉸中心重合，偏差在1 mm以內(nèi)。下球鉸現(xiàn)場(chǎng)安裝中，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)安裝精度達(dá)到要求。球鉸骨架安裝工作結(jié)束后，將下球鉸放置在骨架結(jié)構(gòu)上，并進(jìn)行對(duì)中調(diào)平處理，安裝精度完全滿足標(biāo)準(zhǔn)。工程人員應(yīng)用十字線對(duì)中法檢測(cè)，使用水平儀調(diào)平處理，并應(yīng)用測(cè)微器水準(zhǔn)儀調(diào)整，使得球鉸周圍頂面相對(duì)誤差在1 mm以內(nèi)。各個(gè)部位安裝精度合格后，安裝固定螺栓[3]。

3.4 安裝上球鉸

下轉(zhuǎn)盤安裝結(jié)束后，轉(zhuǎn)動(dòng)定位銷軸安裝到位，埋設(shè)在套管中，并把下球鉸表面和安裝孔內(nèi)清除干凈，并設(shè)置四氟乙烯片，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試工作，整體運(yùn)輸?shù)阶鳂I(yè)現(xiàn)場(chǎng)，不會(huì)存在任何安裝的誤差，且安裝之后，頂面同一球面誤差在1 mm以內(nèi)。

下球鉸和定位銷軸在施工中，根據(jù)黃油與四氟乙烯粉的1∶120配制混合液，全面填充到銷軸與套筒、滑動(dòng)片之間空隙，稍微超過(guò)四氟乙烯片頂部。涂抹工作結(jié)束后，及時(shí)安裝上球鉸，并做好防護(hù)處理，不會(huì)有任何雜物進(jìn)入到內(nèi)部空間中。上球鉸安裝精度合格，達(dá)到精準(zhǔn)限位后，使用膠帶纏繞下部，防止有泥土進(jìn)入到內(nèi)部空間中[4]。

3.5 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)球鉸和滑道安裝質(zhì)量合格

對(duì)全站儀進(jìn)行系統(tǒng)檢定，精度合格之后，進(jìn)入到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，中心點(diǎn)誤差在±2 mm以內(nèi)。

根據(jù)目前檢測(cè)的需要，應(yīng)用拓普康A(chǔ)T-G2滿足檢測(cè)的需要，精度符合要求，每1 km往返誤差不足0.4 mm，數(shù)據(jù)精度可達(dá)0.01 mm。

檢測(cè)人員掌握全站儀使用方法，測(cè)量工作有序組織進(jìn)行，提高檢測(cè)技術(shù)和精度水平。

由專人對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組織設(shè)計(jì)工作，并做好各項(xiàng)技術(shù)準(zhǔn)備工作，機(jī)械設(shè)備精度合格，球鉸、滑道安裝嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)定位測(cè)量工作，設(shè)置在平面上，精確性達(dá)標(biāo)。

吊裝作業(yè)到位之后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行初平處理，并在現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)節(jié)技術(shù)進(jìn)行調(diào)整處理，各個(gè)部位的安裝精確性達(dá)標(biāo)。這種測(cè)量方法調(diào)平時(shí)間和效果都比較理想[5]。

3.6 確保轉(zhuǎn)體系統(tǒng)上下承臺(tái)連接穩(wěn)定采取的措施

上轉(zhuǎn)盤安裝8對(duì)撐腳，采用圓柱形的結(jié)構(gòu)形式，并且在下部安裝有30 mm厚度的鋼板。在撐腳設(shè)置中，內(nèi)部空間灌入C40微膨脹混凝土材料。撐腳制作結(jié)束后，檢查合格運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，下轉(zhuǎn)盤澆筑之后，上球鉸安裝到達(dá)規(guī)定部位，撐腳底部和不銹鋼板預(yù)留20 mm的間隙，應(yīng)用石英砂填充處理。在石英砂周邊應(yīng)用L50*5 mm角鋼焊接連接，和下部鋼板穩(wěn)定連接，空隙應(yīng)用泡沫膠封閉。

上部梁體進(jìn)行施工時(shí)，逐漸增加的荷載通過(guò)墩身傳入球鉸結(jié)構(gòu)上，使得結(jié)構(gòu)具備較高的穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)還能承受上部結(jié)構(gòu)荷載參數(shù)，為后續(xù)的澆筑作業(yè)施工鋪設(shè)底模結(jié)構(gòu)。及時(shí)拆除砂箱結(jié)構(gòu)，球鉸承載上部結(jié)構(gòu)載荷，組合成為合格的轉(zhuǎn)體體系。

砂箱設(shè)置在撐腳之間設(shè)置8個(gè)砂箱，砂箱選用0.8 m長(zhǎng)Φ800 mm δ30 mm鋼管組合而成，砂箱內(nèi)填充用砂選用干燥石英砂，砂箱與轉(zhuǎn)臺(tái)之間間隙采用鋼板支墊。

限位裝置在上、下承臺(tái)對(duì)角埋設(shè)4根40工字鋼，確保T構(gòu)梁上部施工時(shí)鎖定縱橫向位移。

4 轉(zhuǎn)體牽引力及安全系數(shù)計(jì)算

4.1 牽引力計(jì)算

轉(zhuǎn)體總重量W=256 800 kN，其摩擦力計(jì)算公式為F=W×μ。

在開(kāi)始運(yùn)行中，靜摩擦系數(shù)按μ=0.1設(shè)計(jì)，靜摩擦力F=W×μ=17 300 kN；

轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)節(jié)，動(dòng)摩擦系數(shù)按μ=0.06考慮，動(dòng)摩擦力F=W×μ=10 380 kN；

轉(zhuǎn)體拽拉力計(jì)算：T=2（R·W·μ）/3D；

R——球鉸平面半徑（R=1.95 m）；

W——轉(zhuǎn)體總重量（W=256 800 kN）；

D——轉(zhuǎn)臺(tái)直徑（D=11 m）；

μ——球鉸摩擦系數(shù)（μ靜=0.1，μ動(dòng)=0.06）。

啟動(dòng)時(shí)，所需要的最大牽引力 T1=2（R·W·μ靜）/3D=2 044.5 kN；

轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所需要的最大牽引力T2=2（R·W·μ動(dòng)）/3D=1 226.7 kN；

參照目前設(shè)計(jì)要求和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，牽引設(shè)備按不小于計(jì)算牽引力的2倍選用。

該橋牽引系統(tǒng)：由兩臺(tái)7 500 kN型千斤頂和包含千斤頂、液壓泵站、控制臺(tái)等結(jié)構(gòu)組合成的同步牽引系統(tǒng)構(gòu)成，發(fā)揮出水平旋轉(zhuǎn)作業(yè)的優(yōu)勢(shì)，利用拽引錨固系統(tǒng)操作，纏繞在12 m轉(zhuǎn)臺(tái)上，應(yīng)用34根1 860 MPa級(jí)φs15.2鋼絞線，達(dá)到良好的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。

4.2 安全系數(shù)計(jì)算

啟動(dòng)時(shí)，動(dòng)力儲(chǔ)備系數(shù)：K1=4 500×2/2 044.5=4.40。

轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)力儲(chǔ)備系數(shù)：K2=4 500×2/1 226.7=7.34。

滿足規(guī)范要求。

1 860 MPa級(jí)φ15.2 mm鋼絞線的標(biāo)準(zhǔn)破斷力為260 kN。鋼絞線的極限承載如下（按34根鋼絞線計(jì)算）：

20×260=5 200 kN。

啟動(dòng)時(shí)鋼絞線的安全系數(shù)：K3=5 200×0.75/2 044.5

=1.91。

轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鋼絞線的安全系數(shù)：K4=6 500×0.75/1 226.7

=3.97。滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)體橋梁施工在當(dāng)代涉鐵、跨路、跨河等項(xiàng)目建設(shè)環(huán)節(jié)應(yīng)用非常廣泛。在轉(zhuǎn)體體系施工中，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)球鉸系統(tǒng)安裝質(zhì)量及轉(zhuǎn)體時(shí)的穩(wěn)定性。目前轉(zhuǎn)體施工是比較成熟的工藝，但轉(zhuǎn)體現(xiàn)場(chǎng)施工有著較高的要求，因此要落實(shí)精細(xì)化管理的各項(xiàng)措施，執(zhí)行設(shè)計(jì)方案和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，明確施工質(zhì)量要求，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督檢查工作措施的應(yīng)用，每個(gè)環(huán)節(jié)都要進(jìn)行檢查和驗(yàn)收，執(zhí)行工藝規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，提高施工效果和質(zhì)量，為今后其他工程施工提供幫助。

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