簡(jiǎn)方梁，徐升橋，高靜青，焦亞萌，宋元印，鮑 薇

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)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(fù)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(duì)橋下既有線(xiàn)干擾，保證既有線(xiàn)的運(yùn)營(yíng)安全以及如何有效利用山區(qū)地形，安全經(jīng)濟(jì)的進(jìn)行橋梁建設(shè)等問(wèn)題給橋梁設(shè)計(jì)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(shì)，轉(zhuǎn)體橋梁在沿線(xiàn)建造完成后，通過(guò)水平或者豎向轉(zhuǎn)體就位，平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)體施工時(shí)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?jī)r(jià)值[1-3]。

轉(zhuǎn)體橋施工靈感來(lái)源于開(kāi)啟橋，國(guó)外轉(zhuǎn)體工藝始于20世紀(jì)40年代，經(jīng)歷了豎轉(zhuǎn)法到平轉(zhuǎn)法的發(fā)展歷程。國(guó)外比較有代表性的轉(zhuǎn)體橋梁為比利時(shí)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(dá)19500t，建成于1991年，噸位居當(dāng)時(shí)世界第一。我國(guó)轉(zhuǎn)體法施工起步比國(guó)外晚，但平轉(zhuǎn)法施工基本與國(guó)外同步，在1977完成了第一座轉(zhuǎn)體施工試驗(yàn)橋(四川遂寧建設(shè)橋)，轉(zhuǎn)體質(zhì)量達(dá)1200t[4]。從開(kāi)始跨越山澗的千噸級(jí)橋梁轉(zhuǎn)體發(fā)展到現(xiàn)在跨越鐵路和公路的萬(wàn)噸級(jí)橋梁轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)體施工的橋梁數(shù)量逐年增加，噸位越來(lái)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(duì)于國(guó)內(nèi)公跨鐵橋梁施工，為了確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全，降低橋梁施工對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響，國(guó)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(zhǎng)度逐年增加，轉(zhuǎn)體噸位也逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)體噸位繼續(xù)增大時(shí)，轉(zhuǎn)鉸的加工成型、運(yùn)輸安裝面臨著諸多困難，同時(shí)，大噸位轉(zhuǎn)體橋梁的稱(chēng)重也將面臨著技術(shù)難題。本文結(jié)合保定樂(lè)凱大街保定南站主橋，針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行攻關(guān)，研發(fā)了裝配式大噸位球面平鉸，解決了5萬(wàn)噸級(jí)轉(zhuǎn)鉸的制造、運(yùn)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(diǎn)協(xié)同稱(chēng)重技術(shù)，解決大噸位轉(zhuǎn)體橋的稱(chēng)重難題[1-3]。這些技術(shù)可在3～10萬(wàn)噸級(jí)轉(zhuǎn)體橋梁中推廣應(yīng)用。

2 裝配式超大噸位球面平鉸研發(fā)

2.1 設(shè)計(jì)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(yīng)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(lèi)似性，一般均包括上鉸、下鉸、摩擦副、定位銷(xiāo)軸及下轉(zhuǎn)鉸支撐骨架等[16]，兩種鉸的分析對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 超大噸位球鉸與平鉸對(duì)比

在充分考慮平鉸、球鉸各自特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)超大型轉(zhuǎn)鉸總體設(shè)計(jì)，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(xiāo)軸、剪力釘及支撐骨架等部件，具有以下特點(diǎn)。

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(lèi)似。由上下兩塊厚鋼板機(jī)加工而成，加工簡(jiǎn)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(gè)鉸結(jié)構(gòu)兼具平鉸和球鉸優(yōu)點(diǎn)。由于球面半徑比較大，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定性相比普通球鉸更好。轉(zhuǎn)體過(guò)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(duì)較大。

(3)分塊可拆裝設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要對(duì)平鉸進(jìn)行拆分和重裝，解決大噸位轉(zhuǎn)鉸運(yùn)輸和安裝難題。分塊多少可綜合考慮工廠(chǎng)加工能力、運(yùn)輸能力、運(yùn)輸路線(xiàn)的限制要求等綜合確定。

2.2 主要參數(shù)及計(jì)算分析

(1)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

依托工程樂(lè)凱大街保定南站主橋主塔轉(zhuǎn)體段需采用5萬(wàn)噸球面平鉸，子塔需采用4萬(wàn)噸球面平鉸。為其設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)轉(zhuǎn)鉸在軸壓和偏載作用下的受力進(jìn)行了分析[17]。有限元模型見(jiàn)圖2，下部混凝土下表面完全約束，荷載作用于上轉(zhuǎn)盤(pán)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(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表2，從表2可見(jiàn)，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(yīng)力，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)鉸滿(mǎn)足受力要求。典型的應(yīng)力云圖如圖3所示。

表2 5×104 t球面平鉸主要部件應(yīng)力 MPa

圖3 上平鉸偏載最小主應(yīng)力

球面平鉸的上下平鉸采用分塊設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元計(jì)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(jìn)行折減。

結(jié)果顯示：無(wú)偏心工況下平鉸接縫的開(kāi)口寬度關(guān)于圓心對(duì)稱(chēng)，最大開(kāi)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(kāi)口寬度略大于受拉側(cè)，最大開(kāi)口寬度為0.054 mm，偏載工況下接縫開(kāi)口寬度曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。兩種工況下水平裂縫均小于0.1 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4 下平鉸接縫開(kāi)口寬度曲線(xiàn)(偏載工況)

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)設(shè)計(jì)及理論分析，還需對(duì)球鉸關(guān)鍵部件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以確保設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)鉸的可行性。著重對(duì)滑片選材、鑲嵌方式、以及分塊對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力影響等進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

(1)滑片選材

選擇MGB滑片(10個(gè)，φ100 mm×7 mm)、改性四氟滑片(10個(gè)，φ100 mm×7 mm)分別在有潤(rùn)滑脂(硅脂)及無(wú)硅脂的條件下，并控制試驗(yàn)樣件的壓力，對(duì)兩種滑片進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)圖片如圖5所示。

圖5 滑片選材加載試驗(yàn)

主要試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(dòng)摩擦系數(shù)均小于MGB滑片。

②改性四氟滑片不同壓力下，動(dòng)摩擦系數(shù)無(wú)明顯改變；MGB滑片動(dòng)摩擦系數(shù)隨著水平滑動(dòng)高頻率大幅度波動(dòng)，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(yàn)樣件的壓力，對(duì)改性四氟滑片進(jìn)行試驗(yàn)；同種材質(zhì)相同厚度相同約束的樣件各2件。滑片直徑100 mm，厚度分別按13、18、23 mm 3種厚度2種約束情況，保壓時(shí)間為48 h后進(jìn)行測(cè)試，記錄滑片在試驗(yàn)過(guò)程前后的總厚度、外露高度及直徑，計(jì)算出變形量及對(duì)應(yīng)的百分比，找出最佳約束形式，試驗(yàn)見(jiàn)圖6。

圖6 滑片鑲嵌方式試驗(yàn)

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(dòng)對(duì)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(duì)滑片摩擦力影響

為更直觀(guān)了解接縫對(duì)滑片的影響，設(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)：在上下板安裝改性四氟滑片，中間為帶臺(tái)階鋼板，在給定壓力下，通過(guò)牽引中間鋼板，讓四氟滑片通過(guò)鋼板錯(cuò)臺(tái)處，測(cè)試平移時(shí)改性四氟滑片的摩擦系數(shù)及經(jīng)過(guò)接縫處時(shí)摩擦力的變化，試驗(yàn)見(jiàn)圖7。試驗(yàn)結(jié)果表明：在接縫處，摩擦力會(huì)有一個(gè)突變，但很快恢復(fù)，并且恢復(fù)前后的摩擦力差別不大。說(shuō)明接縫對(duì)滑動(dòng)摩擦力影響不大。

圖7 分塊接縫對(duì)摩擦力影響試驗(yàn)

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(chē)加工而成。經(jīng)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)的機(jī)加工能力，完全可以滿(mǎn)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(qiáng)肋熔透焊接，并去除應(yīng)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(chǎng)拆解和重新組拼，驗(yàn)證拆裝性能和精度。

2.5 運(yùn)輸

5萬(wàn)噸級(jí)球面平鉸直徑達(dá)到6.48 m，若整體運(yùn)輸，存在省道、國(guó)道入口可能無(wú)法進(jìn)入的風(fēng)險(xiǎn)，需提前開(kāi)具特殊運(yùn)輸證明，運(yùn)輸費(fèi)用高。

球面平鉸采用分塊設(shè)計(jì)后，可分塊運(yùn)輸，避免了平鉸因尺寸過(guò)大在通道入口受限問(wèn)題，同時(shí)簡(jiǎn)化了運(yùn)輸手續(xù)，節(jié)省了運(yùn)輸費(fèi)用，較好地解決了大噸位轉(zhuǎn)鉸大件運(yùn)輸?shù)碾y題。

3 超大噸位轉(zhuǎn)體多點(diǎn)協(xié)同稱(chēng)重技術(shù)

轉(zhuǎn)體稱(chēng)重是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試轉(zhuǎn)體段的不平衡力矩Mg與摩阻力矩Mz，進(jìn)而求得轉(zhuǎn)體段的偏心距及轉(zhuǎn)鉸靜摩擦系數(shù)。測(cè)試原理為：轉(zhuǎn)盤(pán)兩側(cè)千斤頂?shù)捻斏吐漤敚冒俜直碛涗浉骷?jí)頂力下的頂升或下落位移，繪出頂力與位移的關(guān)系曲線(xiàn)，根據(jù)曲線(xiàn)確定出轉(zhuǎn)動(dòng)啟動(dòng)時(shí)的臨界頂升力，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)體的力學(xué)平衡條件進(jìn)行求解[18]。當(dāng)轉(zhuǎn)體噸位較大時(shí)，在球鉸周邊布設(shè)千斤頂進(jìn)行稱(chēng)重的傳統(tǒng)方式可能出現(xiàn)頂力過(guò)大，結(jié)構(gòu)難以承受或者所需千斤頂組數(shù)過(guò)多，千斤頂難以布置等問(wèn)題。為此，在保證結(jié)構(gòu)安全前提下，提出了多點(diǎn)協(xié)同稱(chēng)重技術(shù)。

以不平衡力矩大于摩擦力矩，在一側(cè)多點(diǎn)布置千斤頂為例，說(shuō)明其原理，如圖8所示。不平衡力矩為逆時(shí)針?lè)较?，布置n個(gè)起頂點(diǎn)，分起頂和落頂兩種工況，當(dāng)起頂時(shí)，各千斤頂頂力為P1～Pn，力臂分別為L(zhǎng)1～Ln，球鉸發(fā)生微小順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，球鉸摩擦力矩為逆時(shí)針，此時(shí)力矩平衡方程為

圖8 多點(diǎn)同側(cè)頂升和落頂計(jì)算圖示

(1)

落頂時(shí)，各千斤頂頂力為P1′～Pn′，力臂分別為L(zhǎng)1～Ln，球鉸發(fā)生微小逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，球鉸摩擦力矩為順時(shí)針，此時(shí)力矩平衡方程為

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)，即可對(duì)Mg與Mz求解。對(duì)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(lèi)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(xiàn)[19]推導(dǎo)，轉(zhuǎn)鉸靜摩擦系數(shù)可表達(dá)為

(3)

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

4 應(yīng)用實(shí)例

前述大噸位轉(zhuǎn)體關(guān)鍵技術(shù)在樂(lè)凱大街跨保定南站主橋得到了成功應(yīng)用。

4.1 裝配式超大噸位球面平鉸的應(yīng)用

為保定南站主橋母塔和子塔設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)體噸位分別為5萬(wàn)噸和4萬(wàn)噸級(jí)裝配式超大噸位球面平鉸。其中5萬(wàn)噸級(jí)轉(zhuǎn)鉸分為2塊，4萬(wàn)噸級(jí)鉸分為3塊，驗(yàn)證了分塊設(shè)計(jì)、制造的可行性。球面平鉸工廠(chǎng)加工如圖9、圖10所示。

圖9 凸球面立車(chē)

圖10 加工完成后的上平鉸

工廠(chǎng)加工完成后，將其拆解并進(jìn)行廠(chǎng)內(nèi)預(yù)拼組裝，保證其平面度和球面度，根據(jù)運(yùn)輸條件進(jìn)行拆解分塊運(yùn)輸，解決了大噸位轉(zhuǎn)鉸的運(yùn)輸難題。運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后，對(duì)拼時(shí)對(duì)接縫處進(jìn)行打磨拋光，使接縫平順過(guò)渡。

轉(zhuǎn)鉸安裝過(guò)程中，需精確安裝下球面平鉸，精確對(duì)位后進(jìn)行鎖定。為保證下平鉸混凝土密實(shí)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(jìn)行研究并采取相應(yīng)措施，確保混凝土澆筑質(zhì)量。轉(zhuǎn)鉸現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)協(xié)同稱(chēng)重技術(shù)應(yīng)用

初步估算，保定南站主橋主塔轉(zhuǎn)體段稱(chēng)重需千斤頂力約65 000 kN，僅在轉(zhuǎn)盤(pán)處布置千斤頂難以完成稱(chēng)重，因此采用多點(diǎn)協(xié)同稱(chēng)重技術(shù)，在轉(zhuǎn)盤(pán)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(chēng)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(shí)根據(jù)總的起頂彎矩確定轉(zhuǎn)盤(pán)處的千斤頂布置。采用多點(diǎn)協(xié)同稱(chēng)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(chēng)重布置如圖12所示。

圖12 梁端稱(chēng)重布置

通過(guò)多點(diǎn)協(xié)同稱(chēng)重技術(shù)進(jìn)行稱(chēng)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(chēng)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(dān)和轉(zhuǎn)體重力由轉(zhuǎn)鉸和撐腳共同承擔(dān)兩種工況計(jì)算啟動(dòng)牽引力，通過(guò)試轉(zhuǎn)進(jìn)行校核，確定最終啟動(dòng)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(zhǎng)度、轉(zhuǎn)體質(zhì)量、轉(zhuǎn)鉸直徑三項(xiàng)新的世界紀(jì)錄[3]，見(jiàn)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(diǎn)，提高轉(zhuǎn)鉸加工質(zhì)量，減輕轉(zhuǎn)鉸重力，增強(qiáng)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(guò)程中轉(zhuǎn)鉸加工及運(yùn)輸困難技術(shù)難題。

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

(3)上述技術(shù)在保定南站主橋上成功應(yīng)用，并可在3～10萬(wàn)噸級(jí)轉(zhuǎn)體橋梁中推廣。