球鉸轉體系統在公路跨電氣化鐵路寬幅異形大噸位轉體施工技術

溫玉群

（中鐵十四局集團第二工程有限公司，山東 泰安 271000）

一、引言

橋梁轉體施工是上世紀40 年代以后發展起來的一種架橋工藝，轉體施工是指將橋梁結構在非設計軸線位置制作澆注成形后，通過轉體就位的一種施工方法。棗菏高速公路跨越已建成的電氣化京九鐵路線路時，由于新線路施工不能影響舊線路的正常運行，此時橋梁采用轉體施工。轉體球鉸及配套設施為實現橋梁轉體施工的核心部件，滿足豎向荷載，抵消不平衡差距，實現預制及轉體的穩定，可以最大限度地減少對鐵路營業線路的影響。

二、工程概況

新建棗菏高速公路南坡河特大橋20#～21#墩上跨既有京九鐵路，與棗菏高速公路斜交67°，上跨結構為65m+65m 整幅轉體T 構，轉體主墩為21#墩。轉體結構由上下承臺及轉動體系組成。下承臺截面設計為矩形，尺寸為：26m×16.8m×4.5m（21#墩）；上承臺尺寸為：14m×12m×3.5m（21#墩），下承臺與上承臺之間設置轉動體系，其結構由下轉盤、球鉸、上轉盤、轉體牽引系統、助推系統、限位裝置、滑道、撐腳等部件組成。轉體T 構跨徑為60m+60m，梁體采用單箱四室，變截面箱梁，梁體全長120m，曲線半徑3000m，橋面寬30.5m，中墩頂梁高6.8m，邊支點梁高3.0m 梁高及底板厚度均按1.8 次拋物線變化，轉體重量17300T，是目前國內雙幅曲線、曲率最大的寬箱梁大噸位高速公路跨電氣化鐵路轉體橋，轉體采用平轉法施工，平轉角速度≤0.02rad/min，球鉸設計最大靜摩擦系數0.1，最大動摩擦系數0.06。待橋面防撞護欄施工完成及防護網安裝完成后，再進行逆時針旋轉67°轉體施工試轉5°后，剩余角度62°。

三、施工工藝

球鉸轉體系統施工順序如下：第1 次混凝土澆筑至下球鉸底部→球鉸支架、下球鉸及滑道骨架安裝→第2 次澆筑球鉸及滑道預留槽混凝土→安裝四氟乙烯滑片→安裝銷軸及上球鉸→安裝沙箱及撐腳→澆筑反力座、牽引座混凝土→澆筑上承臺及預埋牽引鋼絞線→墩柱及T 構施工→轉體。

（一）轉體系統構成

本工程轉體系統由下轉盤、球鉸、上轉盤、牽引系統組成，球鉸由上、下球鉸、球鉸間四氟乙烯板、固定上下球鉸的鋼銷、下球鉸鋼骨架組成，球鉸直徑3.9m。下轉盤為支承轉體結構全部重量的基礎，轉體完成后，與上轉盤共同形成基礎。下轉盤采用C40 混凝土。下轉盤上設有轉體系統的下鉸球、直徑為11m的環行下滑道及12 組千斤頂反力座。撐腳與下滑道的間隙為20mm，千斤頂反力座用于轉體的啟動、止動和姿態微調等。（如圖1 所示）

（二）轉體系統混凝土澆筑順序

下轉盤分2 次進行混凝土澆筑，第1 次澆筑至下球鉸支架底部(約2.15m 高），進行球鉸支架、下球鉸及滑道骨架的安裝，第2 次澆筑球鉸及滑道預留槽混凝土，安上球鉸及銷軸。

（三）球鉸制作

1.設計要求

轉體球鉸的豎向承載力為173000kN；轉體球鉸為焊接后機加工結構，鋼球鉸直徑為3.9m；轉體球鉸的下球面板上鑲嵌有填充聚四氟乙烯復合夾層滑板，與上球面板組成摩擦面，并按要求涂抹黃油四氟粉潤滑。

2.材料要求

轉體球鉸的球面板采用Q345 鋼板，鋼板的化學成分及機械性能應符合GB1591的有關規定；聚四氟乙烯滑板采用專業廠家研制的填充聚四氟乙烯復合夾層滑板（LR516）制成，其容許應力≥100MPa，滑動摩擦系數≤0.03（脂潤滑）。

3.制作技術要求

上、下球鉸的球面板采用壓制成型，成型后與放射筋及環形筋組焊，組焊后進行退火處理；上、下球鉸的工作球面需進行機加工，加工后的球面應表面光滑；上下球絞間滑動轉動摩擦系數不大于0.06，靜摩擦系數不大于0.1。加工后的球面各處的曲率半徑應相等，使用樣板和塞尺檢查。上、下球鉸球面的水平截面應為圓形。球鉸邊緣各點高程應相等，球鉸邊緣不得有撓曲變形。（如圖4、圖5 所示）

球鉸及其支架均采用吊車吊裝就位，人工調平對中安裝，首先安裝下球鉸骨架，設計要求球鉸骨架頂面相對高差≯5mm，施工時采用提高安裝球鉸定位骨架的精度的方法，以減少下球鉸安裝時的調整工作量，施工中采用測微器控制骨架頂面相對高差，將高差控制標準提高至≯2mm，中心偏差≯1mm。骨架與預埋定位鋼筋和角鋼焊接牢固，防止澆筑混凝土時發生位移，影響球鉸安裝，滑道骨架中心和球鉸中心重合，與理論中心偏差不大于1mm。下球鉸的安裝精度是整個轉體球鉸安裝的關鍵步驟。球鉸骨架安裝完成后，吊裝下球鉸放在球鉸骨架上，進行對中和調平，安裝精度：順橋向±1mm，橫橋向±1.5mm，下球鉸正面相對高差≯1mm。施工采用十字線對中法，水平調整先使用普通水平儀調平，然后使用加測微器水準儀調平，使球鉸周圍頂面處各點相對誤差不大于1mm。檢查合格后，固定死調整螺栓。

（四）安裝上球鉸

下轉盤施工完成后，將f270mm轉動定位鋼銷軸放入下轉盤預埋套管中，把下球鉸表面和安裝孔內清理干凈，在下球鉸上安裝四氟乙烯片，四氟乙烯片在工廠內進行安裝調試完后，整體運輸至施工現場，避免現場安裝產生較大誤差，安裝后要求頂面在同一球面上其誤差不大于1mm。

在下球鉸上和定位銷軸上及套筒內按照1：120的比例涂黃油和四氟乙烯粉。使其均勻的充滿定位銷軸上和套筒、滑動片之間的空隙，并略高于四氟乙烯片頂面。涂抹完后盡快安裝上球鉸，期間嚴禁雜物掉入球鉸內。上球鉸精確定位并臨時鎖定限位后，用膠帶纏繞密封上下球鉸吻合面，嚴禁泥沙等雜物入內。

（五）確保轉體系統球鉸和滑道的安裝精度采取的措施

挑選性能和精度優良的全站儀，使中心點的定位精度達到±2mm 以內；

普通水準儀的讀數不能達到要求，購置了拓普康AT-G2 型精密自動安平水準儀，每公里往返測中誤差為0.4mm，讀數可達到0.01mm；

組織人員熟練掌握精密水準儀的測量方法、實測過程中的注意事項，從技術上為其精度提供保證；

按照預定的施工組織設計，組織現場工程技術人員、機械設備到場，吊裝球鉸和滑道安裝；

根據技術人員的現場定位測量，安放在其準確的平面位置上；

待其吊裝就位以后，首先對其初平，采取“邊測邊調，先松后緊，對角抄平，步步緊跟”的原則和方法來操作，直至達到規范的要求。這種測量方法調平時間和效果都比較理想。

（六）確保轉體系統上下承臺連接穩定采取的措施

上轉盤下設有8 對撐腳，每對撐腳為雙圓柱形，撐腳下30mm 厚鋼板。雙圓柱為兩個φ800×24mm的鋼管，撐腳鋼管內灌注C40 微膨脹混凝土。撐腳在工廠整體制造后運入工地，在下轉盤混凝土灌注完成、上球鉸安裝就位時即安裝撐腳，撐腳底與不銹鋼板間預留20mm 間隙，空隙采用石英砂填充。石英砂四周采用L50*5mm的角鋼焊接方形砂箱，并與撐腳下鋼板連接密實，中間空隙采用泡沫膠封閉。

上部梁體進行施工時，逐漸增加的荷載通過墩身傳遞至球鉸，為保證上部梁體的穩定，施工時在上、下承臺之間設置砂箱承受上部荷載，同時便于上承臺澆筑時底模的鋪設。砂箱在轉體前拆除，使上部荷載集中于球鉸之上，形成轉動體系。

砂箱設置在撐腳之間設置8 個砂箱，砂箱選用0.8m 長Φ800mmδ30mm鋼管組合而成，砂箱內填充用砂選用干燥石英砂，砂箱與轉臺之間間隙采鋼板支墊。

限位裝置在上、下承臺對角埋設4 根40 工字鋼，確保T 構梁上部施工時鎖定縱橫向位移。

四、轉體牽引力及安全系數計算

（一）牽引力計算

轉體總重量W=173000kN

其摩擦力計算公式為F=W×μ。

啟動時靜摩擦系數按μ=0.1 考慮，靜摩擦力F=W×μ=17300kN；

轉動過程中動摩擦系數按μ=0.06 考慮，動摩擦力 F=W×μ=10380 kN；

轉體拽拉力計算：T=2（R·W·μ）/3D；

R-球鉸平面半徑，R=1.95m；

W-轉體總重量，W=173000kN；

D-轉臺直徑，D=11m；

μ-球鉸摩擦系數，μ 靜=0.1，μ 動=0.06

啟動時所需要的最大牽引力 T1=2（R·W·μ 靜）/3D=2044.5kN；

轉動時所需要的最大牽引力 T2=2（R·W·μ 動）/3D=1226.7kN；

參照《Q/CR 9603-2015 高速鐵路橋涵工程施工技術規程》，牽引設備按不小于計算牽引力的2 倍選用。

本橋牽引系統：選用兩臺4500KN型千斤頂、同步自動連續牽引系統（牽引系統由連續千斤頂、液壓泵站及控制臺組成），形成水平旋轉力偶，通過拽拉錨固且纏繞于直徑11m 轉臺周圍上的25 根1860MPa 級φs15.2 鋼絞線，使得轉體系統轉動。助推反力座采用兩臺3000KN 型千斤頂。

（二）安全系數計算

啟動時動力儲備系數：K1=4500*2/2044.5=4.40。轉動時動力儲備系數：K2=4500*2/1226.7=7.34。

滿足規范要求。

1860MPa 級φ15.2mm 鋼絞線的標準破斷力為260kN。鋼絞線的極限承載為（按20 根鋼絞線計算）：

20×260=5200kN。

啟動時鋼絞線的安全系數：K3=5200×0.75/2044.5=1.91。

轉動時鋼絞線的安全系數：K4=6500×0.75/1226.7=3.97。滿足規范要求。

五、結語

轉體橋梁施工是當代涉鐵、跨路、跨河施工的一個重要方法，在橋梁轉體施工方法運用中，應重點加強球鉸系統安裝質量及轉體時的穩定性，目前轉體施工是比較成熟工藝，但轉體施工也是精細活，在施工過程中要加強施工技術與管理控制，提高施工人員業務素質，嚴格各道工序的檢查驗收工作，從而達到設計及規范的要求，取得了良好的經濟效益和社會效益，為類似橋梁工程施工提供了借鑒。