RPC球铰的应用

2018-06-29郝良秋杨博婷

筑路机械与施工机械化 2018年5期

郝良秋，杨博婷

(中交隧道局第二工程有限公司，陕西西安 710100)

0 引言

为了减少大跨度桥梁施工对地面交通的干扰和影响，转体施工工艺越来越多地在桥梁立交工程中得到应用。球铰是桥梁转体施工时采用的重要装置，它既是桥梁上部结构的承重件，同时又可以实现结构的平面转动，是转体结构支撑体系和转动体系的合成[1]。

目前转体施工多采用钢球铰，RPC(活性粉末混凝土)球铰是最新研发的一种新型转体球铰。RPC作为一种新型材料，应用范围还并不广泛。郭恒[2]以北盘江大桥为背景，介绍了12 000 t 转体钢球铰的材料研究、制造、安装及转体运行，首次在大桥转体施工中应用填充聚四氟乙烯复合夹层滑板/钢摩擦副球铰；唐亮[3]结合北京石景山南站高架桥主桥转体系统的施工，介绍大型钢球铰在转体施工中的应用；牛远志等[4]以某城市主干道上跨既有干线铁路采用独塔空间四索面预应力混凝土斜拉桥的超大吨位转体施工为例，从转体支撑协调性、结构受力、变形等方面分析了转体铰型式，弥补了超大吨位转体的空缺；袁峰[5]介绍了转体钢球铰在某新建高速公路中的预应力混凝土连续箱梁桥这一跨铁路线桥梁中的施工工艺、加工精度、安装过程以及质量控制措施。

从以上研究成果可以看出，RPC材料在转体桥施工中使用极少，本文以国道108线禹门口黄河公路大桥项目为例，介绍RPC球铰的特点及安装方法，为今后类似的工程提供参考。

1 工程概况

国道108线禹门口黄河公路大桥西引桥，位于陕西省韩城市渚北村，起点里程桩号为K2+085，终点里程号为K2+275.91，桥梁长190.91 m，宽27 m，采用双幅桥设计，跨越黄韩侯铁路和侯西铁路2条电气化铁路，西引桥线路中心线与铁路中心线夹角为51°。15#承台与铁路限界的最小距离为6.36 m，与钢轨的最小距离为8.8 m，14#墩承台与铁路限界的最小距离为10 cm，与钢轨的最小距离为17.46 m。为保证既有铁路线运营安全，连续梁采用转体施工。承台与铁路的平面位置关系见图1。

图1 承台与铁路的平面位置

转体结构由下转盘、球铰、上转盘、转体牵引系统组成[6-8]。下转盘为支撑转体结构全部重量的基础，转体完成后，与上转盘共同形成承重基础；下转盘上设置转体系统的下球铰、撑脚的环形滑道及转体拽拉千斤顶反力座等[9-10]。

2 球铰材料的选择

早期国内的桥梁转体施工均采用混凝土球铰，目前国内的桥梁转体大多采用钢球铰。钢球铰采用数控机床加工球铰曲面，精度高，故承载能力及转动摩阻2项关键技术指标都远远优于混凝土球铰；但钢球铰的加工过程比较复杂，且体积较大、造价较高。

RPC是由专用原料经过特定工艺生产出来的一种水泥基复合材料，其力学和物理性能与现有的混凝土材料有较大区别[11]。RPC球铰是采用钢-RPC的复合结构，壳体用钢板焊接形成球铰形状，壳体内填充RPC，数控立式车床精加工球铰的球面。C120级RPC允许压应力可达到40 MPa以上，球铰平面尺寸可减小约50%。球铰的摩擦副不再采用镶嵌式的聚四氟乙烯滑块，而是用满铺敷设的超高分子量聚乙烯滑块，避免了球铰曲面板上加工凹槽的工序，加大了滑块的承压面积，使滑块设计应力达到45 MPa，与RPC设计应力相匹配。与普通钢球铰相比，RPC球铰结构刚度大幅度提高，有利于提高球面加工精度，减少运输及安装过程中的变形。因RPC球铰平面尺寸减小，结构用钢量和加工量都大幅度减少，降低了球铰的生产成本。

3 RPC球铰的结构

图2 RPC球铰构造

RPC球铰由球铰上盘、球铰下盘、上座板、下座板和中心转轴组成，均采用钢-RPC组合结构[12]，如图2所示。球铰下盘设有向上的凹球面，球铰上盘设有向下的凸球面，在上、下盘球面之间设有超高分子量聚乙烯滑板和不锈钢板组成的摩擦副。球铰上、下座板均为正方形，用以固定球铰上、下盘，通过座板将竖向力扩散后传至普通混凝土结构。上、下座板设有预埋钢筋，下座板预埋在桥梁基础混凝土的顶面，上座板与待转体的上部结构混凝土浇筑为一体，与后浇筑的结构实现可靠的锚固传力。下座板设预留孔，供混凝土浇注时排气或辅助振捣。在球铰上、下盘和上、下座板的中心设置有中心转轴，以保证转体过程中的定位和稳定。

禹门口黄河公路大桥西引桥14#、15#墩采用转体球铰的设计，竖向承载力分别为130 000 kN、100 000 kN。本文以14#墩使用的球铰为例，介绍RPC球铰的制作及安装工艺。

4 RPC球铰模型试验方法

RPC球铰在产品定型前，需要通过试验验证结构的合理性。试件构造见图3。

图3 RPC球铰试件构造

球铰试验采用分级加载方式，由压力机逐级施加竖向力。球铰试件采用两副球铰，一正一反装配在一起，以便于在竖向加压的同时，进行水平转动和竖向转动的加载测试。利用千斤顶牵引固定于球铰上盘的预应力钢束作水平转动，推动中间球铰上盘作相对的水平运动，使球铰实现竖向转动，测定启动摩阻力和正常转动的摩阻力[13]。

5 RPC球铰的加工

RPC球铰分为上下2片，上、下球铰的球面半径为4.8 m，球面投影直径为2.4 m，球铰直径为3 m，上、下座板的边长及厚度分别为3.6、0.3 m，中心转轴采用直径为0.21 m的实心钢棒制成，并在上端设置吊环，球铰结构总厚度为1.3 m。加工时，球铰各部件的外轮廓尺寸误差应不超过±2 mm，上、下盘的球面度误差应不大于0.3 mm，上、下盘与上、下座板之间接触面的平整度误差应不大于0.5 mm[14]。各部件均由专业厂家加工生产，经试组装合格后出厂。

球铰上、下盘和上、下座板结构均是在钢板加工焊接成的钢壳内填充RPC而成，内部设有加劲肋板和钢筋组成的PBL键，使钢壳与RPC形成可靠的连接[15]。在生产加工时，钢板按照设计图尺寸准确下料，球面板按照要求的曲率半径预弯成型，开坡口进行钢壳焊接，焊缝应连续饱满，不得有虛焊或夹焊。焊接钢壳内的加劲肋板时，应先穿入锚固钢筋。钢壳焊接成型后应进行热处理，以消除焊接残余应力。然后，在钢壳内填筑C120级RPC，RPC浇筑时应振捣密实，浇筑好的构件静置12～18 h后，在85 ℃条件下蒸汽养护48 h。

球铰滑块采用8 mm厚的超高分子量聚乙烯制成，滑块统一加工成正六边形，根据球面板尺寸对布置在圆周外缘的滑块进行切割。滑块表面设置有储脂坑，储脂坑直径为8 mm、深度为3 mm，每块滑块上布置有19个螺丝固定孔，采用M5沉头螺丝将滑块固定于球铰下盘的球面板上，沉头螺丝的顶面与滑块表面的距离应不小于3 mm。球铰上盘球面板上包覆3 mm厚的镜面不锈钢板，将不锈钢板与球面板完全密贴后，用氩弧焊焊接四周。滑块构造见图4。

图4 滑块构造

6 RPC球铰的安装

RPC球铰各部件运至工地现场验收合格后，应妥善存放，避免损伤或污染。其施工顺序依次为：安装RPC下座板、球铰下盘，将下座板和球铰下盘由连接板焊接为一体；安装球铰上盘、RPC上座板，将上座板和球铰上盘由连接板焊接为一体；吊装中心转轴；上承台施工。

6.1 下转盘施工

下承台分2次施工。第一次浇注混凝土的高度为下球铰定位骨架底标高，在第一层混凝土强度达到25%后，利用预埋件安装滑道骨架和下球铰骨架[16-17]。

下座板与滑道采用角钢支架支撑，使下座板、滑道顶面与待浇筑的基础顶面齐平,仔细调整下座板与滑道的水平和高程，等符合要求后，将下座板、滑道与角钢支架焊接固定牢靠，将基础钢筋、下座板、滑道预埋钢筋绑扎固定，或焊接固定在下座板侧面钢板上。下球铰及滑道安装完成后，浇注第二次混凝土[18-19]。下球铰底混凝土的浇注由中心向四周进行，利用下座板与滑道的预留孔进行辅助振捣和排气，以保证下座板与滑道下方混凝土的密实度。滑道及下座板的安装见图5、6。

图5 滑道安装

图6 下座板安装

6.2 连接下座板与球铰下盘

基础混凝土达到强度后，吊装球铰下盘就位，检查下盘球面板上的超高分子量聚乙烯滑块,保证滑块固定牢固、表面清洁干燥，在滑块上均匀涂抹润滑硅脂。将球铰下盘与下座板间用角焊缝围焊周边，焊接连接钢板。

涂抹硅脂(图7)后，尽快安装球铰上盘。

图7 涂抹硅脂

6.3 上转盘施工

清洁球铰上盘球的不锈钢板表面，并均匀涂抹少量硅脂，然后吊装球铰上盘和上座板就位，焊接球铰下盘与下座板间的圆周焊缝及连接钢板[20-21]。上转盘及上座板的安装见图8、9。

图8 上转盘安装

图9 上座板安装

6.4 球铰固定

调整球铰位置准确无误后，将中心转轴钢棒放入球铰下盘和下座板的预埋套筒中，中心转轴与球铰下盘预留孔以及球铰下座板预留孔之间应有大于2 mm的间隙，以便中心轴转动；然后焊接上座板顶面的堵头钢板及吊环，焊缝应为连续封闭环，以防止混凝土浇注时砂浆进入中心转轴套内。

6.5 上承台施工

将上座板预埋钢筋与转体上盘内的钢筋绑扎固定,设置滑道撑脚及转体牵引钢束锚固装置等，立模浇筑上承台混凝土，使上座板可靠锚固于转体上盘混凝土中。

为了提高转体过程中结构的稳定性，防止结构发生较大的倾斜，在每个上转盘的底面沿着转动中心圆周均匀设置8个Φ630×20 mm的圆形钢管混凝土撑脚，每个撑脚下设30 mm厚的钢板，钢板底面贴焊3 mm镜面不锈钢板，向钢管内灌注C120级活性粉末混凝土，撑脚中心线半径为4.35 m。在撑脚的下方设置宽1.1 m的环形滑道，转体时撑脚在滑道内滑动，以保持转体结构的平稳，整个滑道面在同一个水平面上，相对高差不大于2 mm。当转体发生倾斜时，撑脚先支承于下转盘的滑道上，防止转体进一步侧倾。为减小撑脚底面与滑道的摩擦，撑脚底面钢板与滑道的接触面应刨平，粗糙度不低于6.3级，镀铬后刨光处理。撑脚在工厂整体制造后运进现场，在下转盘混凝土浇筑完成、上球铰安装就位时安装撑脚，安装时要与滑道钢板间预留间隙，用钢楔块垫紧。撑脚的相对位置应根据与梁体的对应关系确定，以满足卸架后的梁体平衡[22-24]。

砂箱的主要作用是将转体系统在转体前进行临时固结，从而保证梁体在施工过程中的稳定。每个转盘设置8个直径为1 000 mm的临时砂箱，内填石英砂，砂箱与永久撑脚同步安装，在悬灌梁施工完成、转体前拆除。撑脚、砂箱的安装见图10。

图10 撑脚、砂箱安装

牵引索是一头锚固在撑脚反力支座的钢绞线，为转体提供牵引力，牵引索的锚固端采用P锚，并缠绕在滑道上。牵引索中心与牵引座中心对准，使2条牵引索高度一致，互不干扰。预留的长度应考虑工作长度。牵引索从安装完毕到投入使用要注意防止电焊打伤或电流通过，还要防潮、防淋、避免锈蚀[25]。

至此，活性粉末混凝土球铰便安装完成，然后按照常规的桥梁转体施工步骤和要求进行施工作业即可。

7 结语

14#墩球铰体系的成功安装，为即将施工的15#墩RPC球铰结构提供了丰富的经验，使连续梁转体质量更有保证。与普通钢球铰相比，RPC球铰更适合大吨位转体及墩顶转体，具有体积小、刚度大、承载能力高、转动力矩小等诸多优点，可以大幅度减少机加工的工序，降低施工难度，有效提高施工质量和施工安全性，减少了球铰的生产成本及工程投资。伴随着运输规划事业的不断发展，RPC球铰这一新型转体施工材料将会应用于更多跨线桥梁施工中。

参考文献：

[1] 贺英阁.葫芦岛经济开发区特大桥(48+48)mT构转体设计[J].山东交通科技,2016(2):48-49,60.

[2] 郭恒.北盘江大桥12000t转体球铰的研制与应用[J].材料开发与应用,2001(5):36-39.

[3] 唐亮.大型球铰在石景山高架桥转体施工中的应用[J].路基工程,2009(1):179-180.

[4] 牛远志,李恒跃,全伟,等.超大吨位斜拉桥水平转体铰型式研究[J].桥梁工程,2015(6):34-39,56.

[5] 袁峰.球铰转体施工法在跨越铁路线桥梁施工中的应用[J].城市建设理论研究,2014(34):2455-2456.

[6] 曹国清.跨既有线转体连续梁施工的关键技术[J].中国科技投资,2014(14):12-14.

[7] 郭大雷.平转法转体在跨铁路施工中的应用分析[J].建筑工程技术与设计,2016(7):861.

[8] 陈兆毅.石济客运专线跨石德铁路特大桥转体施工设计[J].铁道建筑,2013(11):49-51.

[9] 王士德.转体施工工艺在跨京山铁路中的应用[J].中国水运：下半月,2010(12):228-229.

[10] 张堂君.平面转体施工技术在桥梁建设工程中的应用分析[J].建材与装饰,2016(46):238-239.

[11] 艾丹.活性粉末混凝土简支T梁试制与探索[J].中国建材科技,2014(2):171-174.