改性超高分子量聚乙烯耐磨板在萬(wàn)噸級(jí)轉(zhuǎn)體球鉸中的應(yīng)用

■ 蔡浩慧 王哲峰 史健

目前，我國(guó)轉(zhuǎn)體施工噸位越來(lái)越大，2．5萬(wàn)t級(jí)、3．0萬(wàn)t級(jí)的轉(zhuǎn)體橋梁越來(lái)越多地應(yīng)用于橋梁建設(shè)施工中，轉(zhuǎn)體橋梁核心構(gòu)件——球鉸的耐磨板普遍采用點(diǎn)狀式聚四氟乙烯滑片加工而成。隨著高分子材料的發(fā)展，改性超高分子量聚乙烯耐磨板材料開(kāi)始應(yīng)用于橋梁轉(zhuǎn)體球鉸中。改性超高分子量聚乙烯具有超強(qiáng)的耐磨性、自潤(rùn)滑性，強(qiáng)度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗老化性能強(qiáng)等特點(diǎn)，球鉸耐磨板可充分利用其性能特點(diǎn)。轉(zhuǎn)體施工時(shí)，球鉸需在前期進(jìn)行預(yù)埋，至正式轉(zhuǎn)體作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，改性超高分子量聚乙烯化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗老化的特點(diǎn)正好可以解決這一問(wèn)題；而其超強(qiáng)的耐磨性及自潤(rùn)滑性還可有效降低梁體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力，使?fàn)恳O(shè)備的選擇有更大空間。以鄭萬(wàn)鐵路特大橋?yàn)槔接懞涂偨Y(jié)改性超高分子量聚乙烯耐磨板在萬(wàn)噸級(jí)轉(zhuǎn)體球鉸中的應(yīng)用，有助于不斷優(yōu)化施工技術(shù)、提高施工效率。

1 工程概況

在新建鄭萬(wàn)鐵路上行聯(lián)絡(luò)線特大橋與京廣高鐵交叉位置，需采用（73+73）m轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋上跨通過(guò)，線路夾角50°，跨越處線路平曲線半徑為2 500 m，縱坡8．9‰。由于曲線引起的橫向偏心為22．6 cm。主墩承臺(tái)采用雙層承臺(tái)，下承臺(tái)為矩形，上承臺(tái)為圓柱形，上下承臺(tái)之間設(shè)有轉(zhuǎn)體系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)球鉸設(shè)計(jì)豎向承載力為100 000 kN，球鉸設(shè)計(jì)為直徑3．4 m，球面半徑為8．0 m，上下球鉸之間采用片狀式改性超高分子量聚乙烯耐磨板代替?zhèn)鹘y(tǒng)聚四氟乙烯滑片。

2 耐磨板布置形式

2.1 布置形式和試驗(yàn)

圖1 T構(gòu)橋立面圖

改性超高分子量聚乙烯耐磨板的布置采用片狀式，單個(gè)耐磨板為扇形，其上設(shè)置儲(chǔ)脂槽。耐磨板按尺寸分成3組鑲放在下球鉸的環(huán)形槽中（見(jiàn)圖2），通過(guò)粘接劑及螺釘固定在下球鉸的環(huán)形槽內(nèi)，為保證耐磨板與下球鉸的粘接牢固，需對(duì)耐磨板安裝槽口內(nèi)進(jìn)行拉毛處理。

由于此種耐磨板首次使用于萬(wàn)噸級(jí)轉(zhuǎn)體橋梁中，為了驗(yàn)證在橋梁轉(zhuǎn)體過(guò)程中耐磨板不會(huì)發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)從而影響轉(zhuǎn)體的順利進(jìn)行，需在多功能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行模擬使用工況的試驗(yàn)。試驗(yàn)中，耐磨板分片數(shù)量按照8片布置，直接鑲嵌在安裝槽口中，不使用螺釘緊固，不使用粘接劑；按照耐磨板面壓為15．8 MPa（此工程應(yīng)用中耐磨板實(shí)際面壓小于12．0 MPa）施加壓力；并按照10 mm/s的速度進(jìn)行滑移，滑移位移為±180 mm，往返循環(huán)3次。試驗(yàn)結(jié)果顯示（見(jiàn)圖3），耐磨板未脫出安裝槽口，也未發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，說(shuō)明球鉸耐磨板按圖2布置合理可行。

2.2 耐磨板性能

耐磨板安裝時(shí)，與下球鉸接觸面采用粘接劑進(jìn)行連接，粘接劑采用高性能結(jié)構(gòu)粘接丙烯酸脂膠，專(zhuān)業(yè)用于改性超高分子量聚乙烯材料與Q345材料的粘接，且耐磨材料的粘接面進(jìn)行拉毛處理，以保證兩者之間的粘接效果良好，性能優(yōu)良。耐磨板和粘接劑固化后的物理性能見(jiàn)表1[1]。

2.3 布置形式比較

對(duì)比耐磨板片狀式改性超高分子量聚乙烯耐磨板布置形式和可采用和點(diǎn)狀式聚四氟乙烯滑片布置形式，工程中采用的改性超高分子量聚乙烯耐磨板片狀式布置形式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）在球面面積相同的情況下，耐磨板的面壓更小，安全系數(shù)更高；

（2）耐磨板嵌入深度低，可減小球面鋼板的厚度，易于球冠的制作，降低成本；

圖2 球鉸耐磨板布置示意圖

圖3 試驗(yàn)后耐磨板的狀態(tài)

（3）采用的耐磨板材料為超高分子量聚乙烯，材料屬性?xún)?yōu)于普通聚四氟乙烯，在15 MPa的壓力下，壓縮變形約為0．3 mm，砂筒撤除后梁體基本無(wú)沉降，有利于整個(gè)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

（4）球冠加工面難度小，可以直接在一道工序內(nèi)完成，易于保證球面及沉槽的加工精度。

3 耐磨板的實(shí)際應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)安裝

耐磨板安裝前，需先將球鉸采用紗布擦拭干凈，如有銹跡或被混凝土污染的部位可采用布輪拋光的方法進(jìn)行清除，并仔細(xì)核對(duì)球鉸安裝槽口與耐磨板的對(duì)應(yīng)編號(hào)是否一致。安裝應(yīng)按照由內(nèi)到外的順序，在每片耐磨板相對(duì)應(yīng)的下球鉸槽口內(nèi)涂抹粘接劑，并采用螺釘固定，并保證螺釘沉入耐磨板內(nèi)1～2 mm，防止后期轉(zhuǎn)體過(guò)程中劃傷上球鉸、增大摩擦力。

改性超高分子量聚乙烯耐磨板是一種熱塑性工程塑料，所以對(duì)溫度較為敏感，因此耐磨板安裝時(shí)間的選擇較為重要。耐磨板安裝必須避開(kāi)混凝土的水化熱，一般在下球鉸下的混凝土澆筑完成7 d以后進(jìn)行耐磨板的安裝，且現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)選擇在早晨或晚上溫度較低且無(wú)降雨的時(shí)段進(jìn)行[2]。耐磨板現(xiàn)場(chǎng)安裝見(jiàn)圖4。

3.2 工程應(yīng)用情況

T構(gòu)橋主梁平行于既有高鐵，在施工完成并拆除支架后，進(jìn)行轉(zhuǎn)體前的稱(chēng)重配重及試轉(zhuǎn)體等轉(zhuǎn)體前準(zhǔn)備工作。按照設(shè)計(jì)最大靜摩擦系數(shù)0．1、最大動(dòng)摩擦系數(shù)0．06，計(jì)算可知，該T構(gòu)橋的最大啟動(dòng)牽引力為1 111 kN，轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力為667 kN。考慮到T構(gòu)橋?yàn)榍€橋，橫向配重難以達(dá)到理想狀態(tài)，故轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程時(shí)考慮有1個(gè)撐腳與滑道接觸，并控制撐腳的反力在2 000 kN以?xún)?nèi)，故最大啟動(dòng)牽引力為1 209 kN，轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力為725 kN。

表1 耐磨板和粘接劑固化后的的物理性能

圖4 耐磨板現(xiàn)場(chǎng)安裝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試轉(zhuǎn)體的情況，試轉(zhuǎn)體過(guò)程中有一個(gè)撐腳與滑道接觸，并通過(guò)配重控制撐腳反力[3]。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)定3、5、10、20 s點(diǎn)動(dòng)操作各3次，共計(jì)12次轉(zhuǎn)動(dòng)操作。最大啟動(dòng)牽引力為277 kN，最大轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力為212 kN。根據(jù)以上結(jié)果可知，最大靜摩擦系數(shù)實(shí)際僅有0．03左右，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值。因此，在轉(zhuǎn)體過(guò)程中的牽引設(shè)備、牽引索等均具有較大的動(dòng)力儲(chǔ)備，同樣也減少了助推系統(tǒng)的設(shè)置。

由于該T構(gòu)橋轉(zhuǎn)體時(shí)間為11月下旬，所在施工區(qū)域的風(fēng)力較大，而球鉸的摩擦系數(shù)較小，在臨時(shí)鎖定、砂箱等裝置拆除后，梁體的自平衡較差。在試轉(zhuǎn)體完成后、正式轉(zhuǎn)體之前，應(yīng)加強(qiáng)梁體的監(jiān)控，并設(shè)置臨時(shí)支撐系統(tǒng)以保證梁體在試轉(zhuǎn)體后正式轉(zhuǎn)體前的穩(wěn)定。根據(jù)對(duì)梁體受力情況的模擬，在上下轉(zhuǎn)盤(pán)之間設(shè)置10道雙拼工28支撐型鋼，型鋼頂部設(shè)置木楔塊以便于正式轉(zhuǎn)體時(shí)的拆除，并按照稱(chēng)重情況進(jìn)行布置（見(jiàn)圖5）。

梁體球鉸的摩擦系數(shù)小，在轉(zhuǎn)體點(diǎn)動(dòng)階段的制動(dòng)力也將減小，所以慣性引起的梁端位移將相應(yīng)變大。因此，在試轉(zhuǎn)體過(guò)程中應(yīng)當(dāng)認(rèn)真測(cè)定不同點(diǎn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)引起的梁端位移。根據(jù)實(shí)際施工的測(cè)試結(jié)果顯示，3 s點(diǎn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)梁端位移距離為42．7 mm，5 s點(diǎn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)梁端位移距離為71．3 mm，10 s點(diǎn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)梁端位移距離為153．3 mm，20 s點(diǎn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)梁端的位移距離為281．3 mm。

圖5 T構(gòu)橋上下轉(zhuǎn)盤(pán)之間臨時(shí)支撐布置圖

4 結(jié)束語(yǔ)

新建鄭萬(wàn)鐵路上行聯(lián)絡(luò)線特大橋上跨京廣高鐵萬(wàn)噸級(jí)T構(gòu)橋于2017年11月22日成功轉(zhuǎn)體完成。整個(gè)轉(zhuǎn)體過(guò)程中，球鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)良好。改性超高分子量聚乙烯耐磨板有效降低了球鉸的摩擦系數(shù)，從而降低了梁體轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的牽引力，減小轉(zhuǎn)體過(guò)程牽引設(shè)備的級(jí)別，增大了牽引力的儲(chǔ)備，為今后大噸位轉(zhuǎn)體提供了成功的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)。在轉(zhuǎn)體球鉸中充分利用改性超高分子量聚乙烯的耐磨性、自潤(rùn)滑性、耐候性和抗老化性等特點(diǎn)，能取得較傳統(tǒng)球鉸采用的聚四氟乙烯滑片更好的使用效果。