整體式球鉸在轉體橋中的應用*

朱建鋒

(中鐵二十局集團第六工程有限公司，陜西 西安 710032)

1 工程概況

隴西—漳縣高速公路渭河特大橋全長2 782.92m，為本項目重難點工程，其中上跨隴海鐵路為41.4m+70m+41.4m連續梁(見圖1)，橋面寬25.5m，主墩采用雙薄壁墩，墩高18m，墩底接轉盤，其中上轉盤尺寸為10.8m×10.8m×3m，下轉盤尺寸為15.7m×15.7m×3.5m。橋面投影距回流線最小距離為2m，先平行于隴海鐵路進行懸澆施工，然后進行橋梁轉體。轉體橋位于R=830m曲線上，最大風速達24m/s。

圖1 上跨隴海鐵路轉體橋立面(單位：cm)

考慮施工中風荷載及施工誤差等因素，導致轉體結構失去平衡需進行平衡配重，球鉸設計豎向承載力為85 000kN，選用工廠生產的8 500t級轉體成品球鉸，設計最大靜摩擦系數0.1，最大動摩擦系數0.06。環形滑道由工廠預制，現場分節段拼裝，轉體時確保撐腳可在滑道內滑動，轉體前在滑道上鋪設3mm厚不銹鋼板及5mm厚聚四氟乙烯板。轉體過程中采用4臺ZLD型連續千斤頂，配合泵站、主控臺，組成連續牽引系統，理論啟動牽引力為918kN。

2 球鉸選型及優化

球鉸轉動體系主要由承重系統、頂推牽引系統和平衡系統組成，承重系統由上轉盤、下轉盤和轉動球鉸構成，通過上轉盤相對于下轉盤轉動，達到轉體目的。傳統球鉸形式為分離式結構，上、下轉盤間為若干個聚四氟乙烯滑片，在工廠內組拼，然后拆分運至工地后進行二次拼裝，工期長、安裝精度低。為縮短安裝時間、確保安裝精度，對原設計球鉸進行優化，采取場內組裝、整體吊裝，提高生產效率。

2.1 分離式球鉸結構與施工

分離式球鉸分為上盤與下盤，中心設銷軸，上、下盤間球形滑面安裝聚四氟乙烯滑片，聚四氟乙烯滑片與沉孔編號一一對應。下盤底部設支撐骨架，在澆筑下承臺時進行預埋(見圖2)。

圖2 分離式球鉸結構

分離式結構球鉸制造完成后，需先在工廠內預拼裝，檢驗合格后再拆分運至施工現場。由于球鉸尺寸較大，運輸難度加大，且須采取有效措施防止球鉸變形。現場安裝時，首先將支撐骨架置于下承臺預留槽內，調平固定。安裝下盤，精確定位后進行鎖定，在混凝土澆筑前將下盤中心銷軸的套管精確定位并固定。下盤混凝土凝固后，將下盤凹球面清理干凈，球形表面及沉孔內不得有任何雜物及積水，將表面吹干，逐一對應安裝聚四氟乙烯滑片，然后將銷軸(鋼錠)插入下盤中心套管內。檢查合格后，在球面上各滑片間涂抹黃油聚四氟乙烯粉，并略高于滑片(見圖3)。然后吊裝上盤，在凸球面上均勻涂滿1層黃油聚四氟乙烯粉，最后將上盤中心孔對準中心銷軸，使之水平安裝并固定(見圖4)。

圖3 聚四氟乙烯滑片安裝

圖4 上盤吊裝

分離式球鉸雖一直被沿用，但由于其工藝特點，在現場組拼延長安裝時間，且精度不易保障，尋求一種安裝快捷、精度高、全工廠化作業新型球鉸勢在必行。

2.2 整體式球鉸設計與施工優化

2.2.1整體式球鉸結構設計

為解決分離式球鉸的不足之處，設上球擺和下球擺，上球擺底面具有凸球面，上球擺底面中心設置有銷孔；下球擺頂面具有與上球擺的凸球面相配合的凹球面，下球擺頂面中心設置有與銷孔相配合的銷軸；銷孔側壁與銷軸側壁形成具有夾角的間隙；上球擺的凸球面上設置有鍍鉻面層，下球擺的凹球面上設置有耐磨板。上球擺與下球擺形成球形弧面接觸的摩擦面，且鍍鉻面層與耐磨板間的摩擦系數小，保證了水平轉動的穩定性。橋梁轉體支座豎向轉動的傾斜角度通過銷軸側壁與銷孔側壁間的間隙實現，達到設定角度時通過銷軸對豎向轉動進行定位，防止橋梁超出預設角度，并同時保證水平轉動的穩定性。

經理論建模分析研究(見圖5)，并通過模擬試驗，將傳統的聚四氟乙烯滑片改為耐磨滑板，場內組拼，整體運輸安裝。下盤支撐骨架優化為地腳螺栓，不僅縮短球鉸安裝時間，而且縮短支撐骨架安裝時間，通過地腳螺栓固定并傳力(見圖6)。

圖5 整體式球鉸應變與應力分析

圖6 整體式球鉸構造

2.2.2整體式球鉸施工

通過對傳統加工工藝的改進，整體式球鉸在工廠內組裝，耐磨滑板代替傳統的聚四氟乙烯滑片，采用螺栓固定(見圖7)，組裝完成后，利用臨時連接裝置連接成整體，在橋梁最終轉動前不得拆解和松動臨時連接裝置。球鉸安裝前，應檢查球鉸連接狀況是否正常，球鉸支撐承臺高程是否符合設計要求，螺桿是否緊密固定，鑿毛并清理基面，整體吊裝。安裝時，用楔塊支承四周，調整中心及高程，使球鉸底面與支撐承臺間留有20～30mm空隙，便于灌漿填充(見圖8)。

圖7 耐磨滑板安裝

圖8 球鉸吊裝

整體式球鉸采用錨固螺桿與上下承臺連接，為確保球鉸定位精度，減少對下承臺頂面受力鋼筋的干擾，施工下承臺和支撐承臺時預留錨栓孔，深度比螺桿加長70～100mm。

2.2.3止水裝置優化

轉體橋轉體裝置多數位于基坑內，施工中經常面臨雨水(洪水)倒灌風險，同時施工過程中由于壓漿、混凝土澆筑過程中沖洗等原因導致水泥漿進入轉體裝置內，影響轉體。為防止泥砂、水泥漿等雜物進入轉體裝置，在球鉸加工過程中，上下盤預留凹槽，球鉸組裝完成后，采用止水帶進行包裹，內部填充油脂，在上、下凹槽處采用鋼箍緊固(見圖9)，轉體前拆除止水裝置。

圖9 球鉸止水裝置

3 效果對比

3.1 經濟效益對比

整體式球鉸與傳統分離式球鉸相比，具有加工時間短、安裝便捷、成本低等特點(見表1)。

表1 轉體球鉸應用對比

3.2 結構形式對比

分離式球鉸上、下盤間依靠聚四氟乙烯滑片減少摩阻力，但聚四氟乙烯滑片需一一對應進行現場安裝，費工費時。整體式球鉸依靠耐磨滑板減少摩阻力，全部在工廠內組裝，精度高，工期短(見圖10)。

圖10 球鉸模型對比

分離式球鉸加工時，球鉸球面板與肋板采用焊接工藝，焊接過程中易產生裂紋、咬邊、氣孔、夾渣等缺陷。焊接易產生殘余應力，殘余應力可改變材質性能。而整體式球鉸上、下盤采用鑄件形式，避免了在焊接過程中產生變形，精度較高，受力穩定性和整體性能優越。

4 結語

隴漳高速公路上跨隴海鐵路轉體橋緊鄰隴海鐵路，基坑深，距離既有橋墩近，安全風險高，通過整體式球鉸的應用，壓縮工期，縮短基坑暴露時間，降低安全風險；分別于2020年4月16日、18日順利完成球鉸安裝，單個球鉸安裝時間僅4h，受到各方一致好評，經濟和社會效益顯著。