簡方梁，徐升橋，高靜青，焦亞萌，宋元印，鮑 薇

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

隨著交通建設(shè)事業(yè)向縱深發(fā)展，橋梁建設(shè)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(shè)等問題給橋梁設(shè)計及施工技術(shù)提出巨大挑戰(zhàn)。

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

轉(zhuǎn)體橋施工靈感來源于開啟橋，國外轉(zhuǎn)體工藝始于20世紀40年代，經(jīng)歷了豎轉(zhuǎn)法到平轉(zhuǎn)法的發(fā)展歷程。國外比較有代表性的轉(zhuǎn)體橋梁為比利時本·艾英橋，環(huán)道支承體系轉(zhuǎn)體斜拉橋，主跨跨徑為l68m，轉(zhuǎn)體質(zhì)量達19500t，建成于1991年，噸位居當時世界第一。我國轉(zhuǎn)體法施工起步比國外晚，但平轉(zhuǎn)法施工基本與國外同步，在1977完成了第一座轉(zhuǎn)體施工試驗橋(四川遂寧建設(shè)橋)，轉(zhuǎn)體質(zhì)量達1200t[4]。從開始跨越山澗的千噸級橋梁轉(zhuǎn)體發(fā)展到現(xiàn)在跨越鐵路和公路的萬噸級橋梁轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)體施工的橋梁數(shù)量逐年增加，噸位越來越大，轉(zhuǎn)體橋梁正在從拱橋、剛構(gòu)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(zhuǎn)體法施工[8-11]。

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

轉(zhuǎn)鉸從結(jié)構(gòu)形式上分為球鉸、平鉸、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)；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(jié)合超大噸位轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(chǔ)上，針對超大型轉(zhuǎn)鉸總體設(shè)計，創(chuàng)新提出了裝配式超大噸位球面平鉸技術(shù)，其構(gòu)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(gòu)造

(1)上下鉸配合后的整體外形與平鉸結(jié)構(gòu)類似。由上下兩塊厚鋼板機加工而成，加工簡便，轉(zhuǎn)鉸質(zhì)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(jié)構(gòu)兼具平鉸和球鉸優(yōu)點。由于球面半徑比較大，轉(zhuǎn)動過程穩(wěn)定性相比普通球鉸更好。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)鉸受力依然比較均勻，與撐腳配合較好；轉(zhuǎn)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(shè)計，可根據(jù)需要對平鉸進行拆分和重裝，解決大噸位轉(zhuǎn)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(shè)計參數(shù)

依托工程樂凱大街保定南站主橋主塔轉(zhuǎn)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(shè)計的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)鉸結(jié)構(gòu)的質(zhì)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(jié)果

采用三維有限元分析軟件對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)，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(jié)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(shè)計轉(zhuǎn)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(shè)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。考慮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(jié)果顯示：無偏心工況下平鉸接縫的開口寬度關(guān)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(cè)開口寬度略大于受拉側(cè)，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(shè)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(shè)計及理論分析，還需對球鉸關(guān)鍵部件進行試驗驗證，以確保設(shè)計轉(zhuǎn)鉸的可行性。著重對滑片選材、鑲嵌方式、以及分塊對轉(zhuǎn)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(jié)果見表3，結(jié)論如下。

表3 摩擦系數(shù)及變形結(jié)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(zhì)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(zhì)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(jié)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(zhuǎn)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(shè)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(jié)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(shè)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(zhuǎn)鉸大件運輸?shù)碾y題。

3 超大噸位轉(zhuǎn)體多點協(xié)同稱重技術(shù)

轉(zhuǎn)體稱重是通過試驗測試轉(zhuǎn)體段的不平衡力矩Mg與摩阻力矩Mz，進而求得轉(zhuǎn)體段的偏心距及轉(zhuǎn)鉸靜摩擦系數(shù)。測試原理為：轉(zhuǎn)盤兩側(cè)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(guān)系曲線，根據(jù)曲線確定出轉(zhuǎn)動啟動時的臨界頂升力，根據(jù)轉(zhuǎn)動體的力學平衡條件進行求解[18]。當轉(zhuǎn)體噸位較大時，在球鉸周邊布設(shè)千斤頂進行稱重的傳統(tǒng)方式可能出現(xiàn)頂力過大，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)安全前提下，提出了多點協(xié)同稱重技術(shù)。

以不平衡力矩大于摩擦力矩，在一側(cè)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(zhuǎn)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(cè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)鉸兩側(cè)設(shè)置千斤頂，可與此類似求解。

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

(3)

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

4 應用實例

前述大噸位轉(zhuǎn)體關(guān)鍵技術(shù)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(shè)計了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)鉸分為2塊，4萬噸級鉸分為3塊，驗證了分塊設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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|(zhì)量。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)體多點協(xié)同稱重技術(shù)應用

初步估算，保定南站主橋主塔轉(zhuǎn)體段稱重需千斤頂力約65 000 kN，僅在轉(zhuǎn)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(shù)，在轉(zhuǎn)盤和梁端設(shè)置千斤頂。

根據(jù)結(jié)構(gòu)自身受力狀態(tài)，在保證稱重工況結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)盤處的千斤頂布置。采用多點協(xié)同稱重技術(shù)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(shù)進行稱重，確定母塔轉(zhuǎn)體段和子塔轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)體重力完全由轉(zhuǎn)鉸承擔和轉(zhuǎn)體重力由轉(zhuǎn)鉸和撐腳共同承擔兩種工況計算啟動牽引力，通過試轉(zhuǎn)進行校核，確定最終啟動牽引力。

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

圖13 保定南站主橋轉(zhuǎn)體就位

5 結(jié)論

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

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

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