球铰转体系统在公路跨电气化铁路宽幅异形大吨位转体施工技术

温玉群

（中铁十四局集团第二工程有限公司，山东 泰安 271000）

一、引言

桥梁转体施工是上世纪40 年代以后发展起来的一种架桥工艺，转体施工是指将桥梁结构在非设计轴线位置制作浇注成形后，通过转体就位的一种施工方法。枣菏高速公路跨越已建成的电气化京九铁路线路时，由于新线路施工不能影响旧线路的正常运行，此时桥梁采用转体施工。转体球铰及配套设施为实现桥梁转体施工的核心部件，满足竖向荷载，抵消不平衡差距，实现预制及转体的稳定，可以最大限度地减少对铁路营业线路的影响。

二、工程概况

新建枣菏高速公路南坡河特大桥20#～21#墩上跨既有京九铁路，与枣菏高速公路斜交67°，上跨结构为65m+65m 整幅转体T 构，转体主墩为21#墩。转体结构由上下承台及转动体系组成。下承台截面设计为矩形，尺寸为：26m×16.8m×4.5m（21#墩）；上承台尺寸为：14m×12m×3.5m（21#墩），下承台与上承台之间设置转动体系，其结构由下转盘、球铰、上转盘、转体牵引系统、助推系统、限位装置、滑道、撑脚等部件组成。转体T 构跨径为60m+60m，梁体采用单箱四室，变截面箱梁，梁体全长120m，曲线半径3000m，桥面宽30.5m，中墩顶梁高6.8m，边支点梁高3.0m 梁高及底板厚度均按1.8 次抛物线变化，转体重量17300T，是目前国内双幅曲线、曲率最大的宽箱梁大吨位高速公路跨电气化铁路转体桥，转体采用平转法施工，平转角速度≤0.02rad/min，球铰设计最大静摩擦系数0.1，最大动摩擦系数0.06。待桥面防撞护栏施工完成及防护网安装完成后，再进行逆时针旋转67°转体施工试转5°后，剩余角度62°。

三、施工工艺

球铰转体系统施工顺序如下：第1 次混凝土浇筑至下球铰底部→球铰支架、下球铰及滑道骨架安装→第2 次浇筑球铰及滑道预留槽混凝土→安装四氟乙烯滑片→安装销轴及上球铰→安装沙箱及撑脚→浇筑反力座、牵引座混凝土→浇筑上承台及预埋牵引钢绞线→墩柱及T 构施工→转体。

（一）转体系统构成

本工程转体系统由下转盘、球铰、上转盘、牵引系统组成，球铰由上、下球铰、球铰间四氟乙烯板、固定上下球铰的钢销、下球铰钢骨架组成，球铰直径3.9m。下转盘为支承转体结构全部重量的基础，转体完成后，与上转盘共同形成基础。下转盘采用C40 混凝土。下转盘上设有转体系统的下铰球、直径为11m的环行下滑道及12 组千斤顶反力座。撑脚与下滑道的间隙为20mm，千斤顶反力座用于转体的启动、止动和姿态微调等。（如图1 所示）

（二）转体系统混凝土浇筑顺序

下转盘分2 次进行混凝土浇筑，第1 次浇筑至下球铰支架底部(约2.15m 高），进行球铰支架、下球铰及滑道骨架的安装，第2 次浇筑球铰及滑道预留槽混凝土，安上球铰及销轴。

（三）球铰制作

1.设计要求

转体球铰的竖向承载力为173000kN；转体球铰为焊接后机加工结构，钢球铰直径为3.9m；转体球铰的下球面板上镶嵌有填充聚四氟乙烯复合夹层滑板，与上球面板组成摩擦面，并按要求涂抹黄油四氟粉润滑。

2.材料要求

转体球铰的球面板采用Q345 钢板，钢板的化学成分及机械性能应符合GB1591的有关规定；聚四氟乙烯滑板采用专业厂家研制的填充聚四氟乙烯复合夹层滑板（LR516）制成，其容许应力≥100MPa，滑动摩擦系数≤0.03（脂润滑）。

3.制作技术要求

上、下球铰的球面板采用压制成型，成型后与放射筋及环形筋组焊，组焊后进行退火处理；上、下球铰的工作球面需进行机加工，加工后的球面应表面光滑；上下球绞间滑动转动摩擦系数不大于0.06，静摩擦系数不大于0.1。加工后的球面各处的曲率半径应相等，使用样板和塞尺检查。上、下球铰球面的水平截面应为圆形。球铰边缘各点高程应相等，球铰边缘不得有挠曲变形。（如图4、图5 所示）

球铰及其支架均采用吊车吊装就位，人工调平对中安装，首先安装下球铰骨架，设计要求球铰骨架顶面相对高差≯5mm，施工时采用提高安装球铰定位骨架的精度的方法，以减少下球铰安装时的调整工作量，施工中采用测微器控制骨架顶面相对高差，将高差控制标准提高至≯2mm，中心偏差≯1mm。骨架与预埋定位钢筋和角钢焊接牢固，防止浇筑混凝土时发生位移，影响球铰安装，滑道骨架中心和球铰中心重合，与理论中心偏差不大于1mm。下球铰的安装精度是整个转体球铰安装的关键步骤。球铰骨架安装完成后，吊装下球铰放在球铰骨架上，进行对中和调平，安装精度：顺桥向±1mm，横桥向±1.5mm，下球铰正面相对高差≯1mm。施工采用十字线对中法，水平调整先使用普通水平仪调平，然后使用加测微器水准仪调平，使球铰周围顶面处各点相对误差不大于1mm。检查合格后，固定死调整螺栓。

（四）安装上球铰

下转盘施工完成后，将f270mm转动定位钢销轴放入下转盘预埋套管中，把下球铰表面和安装孔内清理干净，在下球铰上安装四氟乙烯片，四氟乙烯片在工厂内进行安装调试完后，整体运输至施工现场，避免现场安装产生较大误差，安装后要求顶面在同一球面上其误差不大于1mm。

在下球铰上和定位销轴上及套筒内按照1：120的比例涂黄油和四氟乙烯粉。使其均匀的充满定位销轴上和套筒、滑动片之间的空隙，并略高于四氟乙烯片顶面。涂抹完后尽快安装上球铰，期间严禁杂物掉入球铰内。上球铰精确定位并临时锁定限位后，用胶带缠绕密封上下球铰吻合面，严禁泥沙等杂物入内。

（五）确保转体系统球铰和滑道的安装精度采取的措施

挑选性能和精度优良的全站仪，使中心点的定位精度达到±2mm 以内；

普通水准仪的读数不能达到要求，购置了拓普康AT-G2 型精密自动安平水准仪，每公里往返测中误差为0.4mm，读数可达到0.01mm；

组织人员熟练掌握精密水准仪的测量方法、实测过程中的注意事项，从技术上为其精度提供保证；

按照预定的施工组织设计，组织现场工程技术人员、机械设备到场，吊装球铰和滑道安装；

根据技术人员的现场定位测量，安放在其准确的平面位置上；

待其吊装就位以后，首先对其初平，采取“边测边调，先松后紧，对角抄平，步步紧跟”的原则和方法来操作，直至达到规范的要求。这种测量方法调平时间和效果都比较理想。

（六）确保转体系统上下承台连接稳定采取的措施

上转盘下设有8 对撑脚，每对撑脚为双圆柱形，撑脚下30mm 厚钢板。双圆柱为两个φ800×24mm的钢管，撑脚钢管内灌注C40 微膨胀混凝土。撑脚在工厂整体制造后运入工地，在下转盘混凝土灌注完成、上球铰安装就位时即安装撑脚，撑脚底与不锈钢板间预留20mm 间隙，空隙采用石英砂填充。石英砂四周采用L50*5mm的角钢焊接方形砂箱，并与撑脚下钢板连接密实，中间空隙采用泡沫胶封闭。

上部梁体进行施工时，逐渐增加的荷载通过墩身传递至球铰，为保证上部梁体的稳定，施工时在上、下承台之间设置砂箱承受上部荷载，同时便于上承台浇筑时底模的铺设。砂箱在转体前拆除，使上部荷载集中于球铰之上，形成转动体系。

砂箱设置在撑脚之间设置8 个砂箱，砂箱选用0.8m 长Φ800mmδ30mm钢管组合而成，砂箱内填充用砂选用干燥石英砂，砂箱与转台之间间隙采钢板支垫。

限位装置在上、下承台对角埋设4 根40 工字钢，确保T 构梁上部施工时锁定纵横向位移。

四、转体牵引力及安全系数计算

（一）牵引力计算

转体总重量W=173000kN

其摩擦力计算公式为F=W×μ。

启动时静摩擦系数按μ=0.1 考虑，静摩擦力F=W×μ=17300kN；

转动过程中动摩擦系数按μ=0.06 考虑，动摩擦力 F=W×μ=10380 kN；

转体拽拉力计算：T=2（R·W·μ）/3D；

R-球铰平面半径，R=1.95m；

W-转体总重量，W=173000kN；

D-转台直径，D=11m；

μ-球铰摩擦系数，μ 静=0.1，μ 动=0.06

启动时所需要的最大牵引力 T1=2（R·W·μ 静）/3D=2044.5kN；

转动时所需要的最大牵引力 T2=2（R·W·μ 动）/3D=1226.7kN；

参照《Q/CR 9603-2015 高速铁路桥涵工程施工技术规程》，牵引设备按不小于计算牵引力的2 倍选用。

本桥牵引系统：选用两台4500KN型千斤顶、同步自动连续牵引系统（牵引系统由连续千斤顶、液压泵站及控制台组成），形成水平旋转力偶，通过拽拉锚固且缠绕于直径11m 转台周围上的25 根1860MPa 级φs15.2 钢绞线，使得转体系统转动。助推反力座采用两台3000KN 型千斤顶。

（二）安全系数计算

启动时动力储备系数：K1=4500*2/2044.5=4.40。转动时动力储备系数：K2=4500*2/1226.7=7.34。

满足规范要求。

1860MPa 级φ15.2mm 钢绞线的标准破断力为260kN。钢绞线的极限承载为（按20 根钢绞线计算）：

20×260=5200kN。

启动时钢绞线的安全系数：K3=5200×0.75/2044.5=1.91。

转动时钢绞线的安全系数：K4=6500×0.75/1226.7=3.97。满足规范要求。

五、结语

转体桥梁施工是当代涉铁、跨路、跨河施工的一个重要方法，在桥梁转体施工方法运用中，应重点加强球铰系统安装质量及转体时的稳定性，目前转体施工是比较成熟工艺，但转体施工也是精细活，在施工过程中要加强施工技术与管理控制，提高施工人员业务素质，严格各道工序的检查验收工作，从而达到设计及规范的要求，取得了良好的经济效益和社会效益，为类似桥梁工程施工提供了借鉴。