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(yīng)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(jié)構(gòu)的承重件，同時又可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的平面轉(zhuǎn)動，是轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)用填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板/鋼摩擦副球鉸；唐亮[3]結(jié)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(yīng)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(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)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(shè)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(guān)系見圖1。

圖1 承臺與鐵路的平面位置

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)全部重量的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)體完成后，與上轉(zhuǎn)盤共同形成承重基礎(chǔ)；下轉(zhuǎn)盤上設(shè)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(guān)鍵技術(shù)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(fù)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(fù)合材料，其力學(xué)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(fù)合結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(shè)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(shè)計應(yīng)力達到45 MPa，與RPC設(shè)計應(yīng)力相匹配。與普通鋼球鉸相比，RPC球鉸結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

圖2 RPC球鉸構(gòu)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(jié)構(gòu)[12]，如圖2所示。球鉸下盤設(shè)有向上的凹球面，球鉸上盤設(shè)有向下的凸球面，在上、下盤球面之間設(shè)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(jié)構(gòu)。上、下座板設(shè)有預(yù)埋鋼筋，下座板預(yù)埋在橋梁基礎(chǔ)混凝土的頂面，上座板與待轉(zhuǎn)體的上部結(jié)構(gòu)混凝土澆筑為一體，與后澆筑的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)可靠的錨固傳力。下座板設(shè)預(yù)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)的合理性。試件構(gòu)造見圖3。

圖3 RPC球鉸試件構(gòu)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(yù)應(yīng)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(shè)置吊環(huán)，球鉸結(jié)構(gòu)總厚度為1.3 m。加工時，球鉸各部件的外輪廓尺寸誤差應(yīng)不超過±2 mm，上、下盤的球面度誤差應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)均是在鋼板加工焊接成的鋼殼內(nèi)填充RPC而成，內(nèi)部設(shè)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(shè)計圖尺寸準確下料，球面板按照要求的曲率半徑預(yù)彎成型，開坡口進行鋼殼焊接，焊縫應(yīng)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(yīng)先穿入錨固鋼筋。鋼殼焊接成型后應(yīng)進行熱處理，以消除焊接殘余應(yīng)力。然后，在鋼殼內(nèi)填筑C120級RPC，RPC澆筑時應(yīng)振搗密實，澆筑好的構(gòu)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?；瑝K表面設(shè)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(yīng)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(gòu)造見圖4。

圖4 滑塊構(gòu)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(yīng)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(yù)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(chǔ)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(chǔ)鋼筋、下座板、滑道預(yù)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(yù)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。滑道及下座板的安裝見圖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(chǔ)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(yù)埋套筒中，中心轉(zhuǎn)軸與球鉸下盤預(yù)留孔以及球鉸下座板預(yù)留孔之間應(yīng)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(yīng)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(yù)埋鋼筋與轉(zhuǎn)體上盤內(nèi)的鋼筋綁扎固定,設(shè)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止結(jié)構(gòu)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(shè)置8個Φ630×20 mm的圓形鋼管混凝土撐腳，每個撐腳下設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yù)留間隙，用鋼楔塊墊緊。撐腳的相對位置應(yīng)根據(jù)與梁體的對應(yīng)關(guān)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(jié)，從而保證梁體在施工過程中的穩(wěn)定。每個轉(zhuǎn)盤設(shè)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(yù)留的長度應(yīng)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(jié) 語

14#墩球鉸體系的成功安裝，為即將施工的15#墩RPC球鉸結(jié)構(gòu)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(yīng)用于更多跨線橋梁施工中。

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