桥梁平转法转铰接触面的发展历程及优化设计

王兴猛

(中铁西南科学研究院有限公司，四川成都611731)

桥梁平转法转铰接触面的发展历程及优化设计

王兴猛

(中铁西南科学研究院有限公司，四川成都611731)

桥梁转体施工常见的方法有平转法、竖转法、竖转与平转结合法，其中以平转法运用最多。平转法转动构造中上、下转盘接触面摩擦系数的降低一直是工程界普遍思考和待解决的问题。对单桥而言，摩擦系数的降低能相应降低牵引力的配置从而降低造价;对转体工艺建桥技术而言，摩擦系数的降低和牵引能力的提高可使平转法转体质量大幅提升。本文介绍了平转法转铰接触面的发展历程，并对其优化设计进行了展望。

桥梁施工 平转法 转铰 接触面 设计优化

桥梁转体施工常见的方法有平转法、竖转法以及竖转与平转结合法。我国自1977年第一座采用转体工艺建成遂宁建设桥至2010年，119座转体施工桥梁中采用竖转法的仅9座，平转法、竖转与平转结合法的共110座［1］(占总量的92.4%)。平转法施工技术已列入《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)。平转法转动构造中，上、下转盘接触面摩擦系数的降低一直是工程界普遍思考和解决的问题。对单桥而言，摩擦系数的降低能相应降低牵引力的配置从而降低造价;对转体工艺建桥技术而言，摩擦系数的降低和牵引能力的提高可使平转法转体质量大幅提升，从而使更大跨度、更大吨位的刚构桥及斜拉桥采用转体工艺成为可能。

由此可见，优化转动接触面设计、降低摩擦系数意义重大。本文介绍平转法转动接触面设计发展历程，并对其优化方向进行研讨。

1 平转法转铰接触面设计发展历程

平转法转动支承体系分为磨心支承、撑脚支撑和磨心与撑脚共同支撑3种［2］。不论哪种支撑体系，上部结构的重量总是通过上转盘(可动系统)转递到下转盘(固结系统)，其中可动系统与固结系统的接触面设计关乎到上部结构的稳定与安全，是决定牵引力大小的最关键要素。

1.1 混凝土—混凝土接触面

早期采用转体工艺建设的桥梁，由于受资金不足的限制，多采用混凝土球铰，一般采用下凸上凹式。

福建省南平市闽江路1#桥［3］转动接触面即采用了混凝土—混凝土构造。它首先采用定型钢模板浇筑出下转盘表面的初步轮廓线形，按照下磨心的球冠面曲率半径制作一把母线样板刮尺套在轴心钢柱上，旋转刮尺多次刮平混凝土球形表面(图1);然后在下磨心的顶球冠面贴1～3层尼龙薄膜作为隔离层，再以下磨心球冠面作为浇筑上磨盖底胎模板，浇筑上磨盖混凝土。上磨盖混凝土达到设计要求强度后吊起上磨盖，用砂轮磨光机打磨上磨盖和下磨心接触面，使接触面尽量光滑;放下上磨盖人工施加外力磨铰;吊起上磨盖清除杂物，在两者的承压面上涂抹黄油加四氟粉润滑剂;将上磨盖对准中心销轴轻落至下磨心上。

图1 福建省南平市闽江路1#桥混凝土接触面

1.2 钢—钢接触面

由于混凝土浇筑形状、质量较难控制，在钢结构大量运用于工程建设后，加之转体结构向大跨度(大结构质量)发展，工程师们开始采用钢材制作转铰。即接触面的上盘和下盘均采用钢—钢构造，也有在下盘上表面铺一层不锈钢板来减小摩擦系数的设计。由于转铰采用工厂化加工，制作质量与精度明显提高，较大地提升了转铰制造安装的可靠性。钢—钢转铰如图2所示。

图2 某桥转动接触面

1.3 上盘钢—下盘钢+四氟蘑菇头或聚四氟乙烯滑片

由于钢—钢摩擦系数还是较大，且均为刚性构造，钢—钢接触面用得较少，或者仅用于一些轻型桥梁转体中。工程师们几乎在钢—钢接触面设计的同时，就开始考虑在接触面上加柔性或半刚性、本身具有润滑性的材料。

广州丫髻沙大桥及佛山东平大桥均采用在钢—钢接触、下转盘钢板上镶嵌四氟蘑菇头接触面设计(图3)。

图3 某桥转动接触面

水柏铁路北盘江大桥采用在钢—钢接触、下转盘钢板上镶嵌聚四氟乙烯滑片接触面设计。

从上述转动接触面设计发展历程来看，从混凝土对混凝土面、钢对钢面、钢对混凝土面，到后来加四氟蘑菇头、聚四氟乙烯滑片，摩擦系数虽然一直在逐步降低，但一般都＞0.06。

《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)［4］中转体牵引力配置计算公式为

其中关于摩擦系数f的规定为，“无试验数据时，可取静摩擦系数为0.1～0.12，动摩擦系数0.06～0.09”。总结代表了当时接触面摩擦系数的普遍水平。

2 平转法转动接触面设计优化

聚四氟乙烯被称“塑料王”，它是目前已知的固体材料中摩擦系数最低者(聚四氟乙烯板采用双剪试验方法获得的摩擦系数平均值≤0.01)，被广泛用于滑动支座构造上，更大程度地减少设备摩擦力，延长了设备的使用寿命，更好地为维护设备产品做出了贡献。

润滑硅脂具有优异的防水密封性和耐水冲刷性，能在潮湿环境下提供持久润滑。润滑硅脂材料适应性强，与各种塑料、金属兼容性好;同时优异的抗氧化稳定性和热稳定性，使其具有极长的使用寿命。

因此，聚四氟乙烯与润滑硅脂完美结合，在桥梁盆式、球形支座上广泛运用。世界第一拱桥——重庆朝天门大桥4个14 500 t支座，由上支座板、球冠衬板、下支座板、平面四氟滑板、球面四氟滑板以及导向块等组成，球面可在一定范围内扭曲、旋转，抵抗大桥因地震、颠簸、大风、洪水等引起的外力，确保大桥100年寿命。

青南大道跨遂成铁路桥［5］水平转体转铰接触面设计时，初期仍拟采用聚四氟乙烯滑片镶嵌在下转盘钢结构中，采用φ60 mm厚18 mm滑片共324片(图4)，嵌入下转盘10 mm，外露8 mm，上下转盘之间填充黄油润滑。

图4 1/4下球铰滑片布置

上述设计沿袭了传统转动体系设计。转体重量达5 980 t，采用2台TX-200-J-D连续牵引油缸同步张拉牵引转体，牵引索采用钢绞线，两边对称各15束。在保证油缸牵引安全系数0.8的情况下，反算摩擦系数最高可达0.241，由此可见原设计非常保守。

通过建模分析，在完全平衡状态下，聚四氟乙烯滑片应力为65.3 MPa;但是实际施工中，结构不可能完全平衡，转体过程中也可能由于转盘安装不平整导致部分聚四氟乙烯滑片脱空或者上转盘斜切下转盘上的滑片，这样就导致其它承载的滑片应力急增，甚至最大应力超出其承受能力而破坏。广州丫髻沙大桥转体时就发生过四氟蘑菇头被剪掉和挤破情况。

多座桥转体实施中，黄油在转动体系施工完到转体实施静止数月后，启动时发现有胶凝现象，启动牵引力剧增远远超过预估的静摩擦力。因此，接触面的形式及润滑剂或许可以优化。

经与加工厂多次探讨，并通过空间模型分析结构受力特征，对遂成铁路桥接触面设计进行了优化和改良，见图5。在下转盘钢板上挖出2个环形槽，在槽里镶嵌改性超高分子量聚乙烯板，在板上掏直径为8 mm，深度约2 mm的储脂坑，作为硅脂储存用(这种结构设计在桥梁支座上已广泛采用)。

图5 青南大道跨遂成铁路桥优化接触面设计

该接触面的优点:①聚四氟乙烯板便于铺设，且加工、安装质量可控且可靠;②整体受力均衡，环形板避免了“布皱”或剪切等破坏;③合理的储脂坑设置使硅脂总体用量较小，且涂抹均衡，还可避免硅脂流失;④硅脂替代黄油更不容易挥发，也不容易胶凝;⑤与贴聚四氟乙烯滑片思维模式相反来掏储脂坑，总体承受上部荷载的面积增大使其应力大幅度减小。

转体墩施工完成后进行了该桥转铰专项试验，此时转动重量3 200 kN，测试其最大牵引力23.1 kN，测算接触面静摩擦系数0.065，动摩擦系数0.049。正式转体时转体重量约为59 800 kN，以此推算正式转体所需牵引力约为432 kN。正式转体前试转时测得的最大牵引力为490 kN，计算出试转时接触面静摩擦系数0.073，比转铰专项试验测试的结果稍大。正式转体时匀速转动情况下维持力为330 kN，反算动摩擦系数为0.050，与转铰专项试验测试的结果非常接近。接触面优化后其实际摩擦系数仅为规范推荐系数的60%。

3 展望

目前转体工艺在我国迅猛发展，接触面优化设计也引起工程师们高度重视。青南大道跨遂成铁路桥接触面改良后效果极好，在大吨位平转桥梁可以借鉴。但是，其静摩擦系数0.073、动摩擦系数0.050相对于球型支座的摩擦系数0.03还是偏高。经研究后笔者认为:参照球型支座设计，平转接触面设计尚可进一步优化。即采用双层接触面，上转盘底部采用不锈钢滑板与中间支承球芯上的平面四氟板作为第一层接触面，中间支承球芯底面加工成球面与下转盘球面四氟板作为第二层接触面，则可将静摩擦系数降低到0.04～0.05，动摩擦系数降低到0.03～0.04。如此将更大降低牵引力或者增大转体重量。

4 结论

青南大道跨遂成铁路桥转动接触面，采用大块聚四氟乙烯板替代小块聚四氟乙烯滑片，采用硅脂替代黄油作为润滑剂，摩擦系数仅约传统设计面的60%。减小了牵引力，确保了转体的平稳性。但是，该桥实施过程中由于撑脚安装控制不好，撑脚与滑道有一定接触，实际摩擦系数并不能准确反应接触面的情况。相信在做好其它方面的控制工作后，优化后的接触面设计摩擦系数将会更低。

本文对桥梁平转接触面的优化设计提出了展望，其中双接触面优化设计方案可在后续的工程实践中实施检验。

［1］程飞，张琪峰，王景全.我国桥梁转体施工技术的发展现状及前景［J］.铁道标准设计，2011(6):67-71.

［2］陈宝春，孙潮，陈友杰.桥梁转体施工方法在我国的应用与发展［J］.公路交通科技，2001(4):24-28.

［3］王建民.大吨位转体桥应用钢筋混凝土球铰技术［J］.福建建筑，2012(6):80-81.

［4］中华人民共和国交通运输部.JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［5］傅贤超，张毅，王兴猛，等.青南大道跨遂成铁路桥梁转体施工工艺［J］.铁道建筑，2013(10):28-30.

(责任审编孟庆伶)

U445.465

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.07

1003-1995(2015)12-0026-03

2015-08-04;

2015-09-22

王兴猛(1974—)，男，高级工程师。