轉體法施工轉動體系設計、加工與安裝技術研究

余常俊

(中交集團第二公路工程局股份有限公司，西安 710075)

哈大鐵路客運專線北起北國冰城哈爾濱市，南抵遼寧省港口城市大連，途經3個省會城市、大連和6個地級市，線路全長903.939 km。項目按照開通運營時速200 km目標建設，基礎設施預留時速350 km。我局施工的路基段為 DK602+407.3～DK650+231.4，全長47.824 km。劉房子特大橋起訖點樁號為DK645+946.49～DK648+965.13，全長3.018 64 km。48#、49#主墩分別高7.5 m、7.0 m，位于既有線鐵路兩側路塹邊坡上，主墩承臺邊距軌道外側最近距離分別為6.5 m和7.4 m。上跨Ⅰ級雙線電氣化既有線京哈鐵路，斜交角度為25°，對既有線的影響里程為 K952+040～K952+240。為不給既有鐵路營運造成更多的負面影響，將原設計跨既有哈大鐵路的施工方案變更為平行于既有鐵路，于48#、49#墩位實施轉體施工的方案。該特大橋主要特點為:

1)在鉆孔樁基礎上設置承臺，將48號、49號主墩承臺按2級矩形承臺設計。其中，一級承臺尺寸為14.6 m×14.6 m×3.2 m，二級承臺尺寸為8.0 m×8.0 m×3.0 m，兩級承臺之間安裝直徑為4.6 m、高0.80 m的轉盤，中間部分為封鉸混凝土。

2)上部結構為(48+80+48)m現澆預應力混凝土單箱單室直腹板連續箱梁。箱梁頂寬12 m，底寬6.7 m，單側懸臂長2.65 m。主墩墩頂5.0 m范圍內梁等高6.65 m，跨中及邊墩墩頂現澆梁高為3.85 m，梁底下緣按二次拋物線變化。箱梁1號塊梁段長度為23 m，2號塊長度16 m，3號塊長度11.5 m，合龍段長度為2.0 m，邊跨直線段長度為7.75 m。

1 平轉法轉動體系的基本組成

轉動體系主要有承重系統、助推牽引系統和平衡系統3部分構成。承重系統由上轉盤、下轉盤和球鉸構成;轉盤設置于上下承臺之間，下承臺與樁基相連，上轉盤支承轉體結構。施工時將下轉盤與下承臺澆成整體，上轉盤與上承臺、墩身及T構連成整體。通過牽引系統拉動上轉盤相對于下轉盤轉動，帶動上承臺、墩身、T構一起旋轉，達到轉體目的。助推牽引系統由牽引設備、牽引反力支座、助推反力支座構成。平衡系統由結構本身、上承臺預埋撐腳、大噸位千斤頂及梁頂3#塊放置的6 m3的備用水箱構成(轉動體系及球鉸結構如圖1)。

圖1 轉動體系布置立面圖(單位:cm)

2 轉盤設置

2.1 承臺結構及功能

承臺分為C40普通鋼筋混凝土下承臺、C40纖維鋼筋混凝土托盤及上轉盤、C40纖維鋼筋混凝土上承臺、C50微膨脹混凝土封鉸體4部分，承臺總厚度7.0 m，其中頂部0.8 m為封鉸部分。第1次澆筑3.20 m的一級承臺與基樁相連，在一級承臺上設置助推反力支座、牽引反力支座、滑道、下球鉸定位支架。托盤為鋼筋混凝土結構，與上球鉸相連;托盤上設置上轉盤，其中要預埋牽引鋼絞線。上承臺為承重結構，要預埋無縫鋼管支撐腳，對轉體起到平衡與保險作用。

2.2 撐腳、反力支座的布置

每2個 φ600 mm、δ=8 mm、L=1 270 mm 的無縫鋼管并焊接在一起，底部焊接 δ=20 mm鋼板組成1組撐腳，8組撐腳均勻分布于圓形滑道，徑向夾角為60°。撐腳嵌入上承臺50 cm，上轉盤徑向主筋穿過每組撐腳，將撐腳與上承臺聯成整體。撐腳底部鋼板固定δ=10 mm四氟滑板，四氟滑板底面距滑道頂面15 mm。一旦有傾覆傾向，撐腳就支撐在滑道上，支承整個轉動體系。環道兩側沿圓周方向的夾角30°均勻布置12對徑向厚度為40 cm的助推反力支座。

2.3 環道滑板安裝及混凝土澆筑

環道滑板由δ=24 mm鋼板、δ=5 mm不銹鋼板、δ=5 mm四氟板組成。經澆筑在承臺混凝土中的定位鋼支架精確定位，利用調節螺栓調整頂面高程、平整度。要求平整度不超過1 mm/2 m，高程偏差不超過±1 mm。環道內腔采用微膨脹C50混凝土填充，混凝土達到設計強度時，用磨光機對滑道進行打磨，布置不銹鋼環道、在不銹鋼板上粘貼四氟板。

2.4 球鉸設計、加工及安裝

2.4.1 球鉸上下鋼盤受力計算及尺寸擬定

1)球鉸豎向反力計算時，取以下兩種最不利者控制球鉸的豎向承載力。

①當轉體動體系平衡時，球鉸軸心處豎向反力等于轉體部分重量，即，N1=G;

②當轉體失去平衡時，球鉸軸心處豎向反力大于撐腳豎向反力，存在偏心矩:N1=G-N2;N2=G×e/R1。

式中:N1——球鉸軸心處豎向反力;N2——撐腳豎向反力;G——轉體部分重量;e——偏心矩;R1——撐腳中心線至轉動中心的距離。

2)球鉸平面半徑計算

球鉸鋼板直徑按下式計算:D≥2［N1/(π×k×［σa］)］0.5

式中:D——球鉸平面直徑;k——球鉸接觸面積折減系數，取0.65;N1——球鉸軸心處豎向反力，N1=(上承臺+墩身 +箱梁梁段重量)×1.15=47 000 kN;σa——混凝土標準抗壓強度，上下承臺采用 C40混凝土，軸心抗壓強度26 MPa。計算得球鉸平面直徑D=1.88 m，結合滑板的布置空間及施工安全取D=2.3 m。

2.4.2 球鉸選型

轉體結構中轉體最大凈重G=40 976.24 kN。考慮風荷載及施工誤差，結合結構受力情況及滑道空間布置要求，為保證轉動體系有一定的安全儲備，選用725所設計生產的48 000 kN轉體球鉸。球鉸平面直徑D=2 300 mm，設計最大靜摩擦系數0.1，最大動摩擦系數0.06。球鉸由上下兩塊鋼質球面板和轉軸3部分組成，采用 δ=30 mm的 Q345鋼板壓制成球面板，上面板為凸面，球缺高230 mm，下面板為凹面，球缺高250 mm。鋼材化學成分及機械性能符合GB1591—1994有關規定。為方便球鉸的定位、加強與周圍混凝土的連接，防止球鉸在加工、運輸過程中變形，采用Q235鋼板在上下面板的背部焊接肋條。鋼材化學成分及機械性能應符合GB/T700—1988有關規定。轉軸直徑為220 mm，高8 500 mm，采用45鍛鋼加工而成。鋼材化學成分及機械性能符合 GB/T17107—1997有關規定。滑塊采用中船重工725所研制的填充聚四氟乙烯復合夾層滑板(LR516)制成，其容許應力≥100 MPa，滑動摩擦系數≤0.03(脂潤滑)，滑塊頂面位于同一球面上，誤差≤1 mm。

2.4.3 球鉸加工

1)工藝流程

圖2 球鉸加工工序流程

2)加工方法

按計算面積下料，用點壓法在壓力機上將單個球面單元按設計弧度預壓成型，再進行試拼。若發現有誤差，立即矯正。拼焊時精確定位，采用手工電弧焊，U型坡口，焊接完畢打磨掉焊縫余高，經超聲波探傷達到JB4730—1994Ⅱ級為合格。然后將球面板放在液壓機上壓制成型。最后在下球面板的凸面、上球面板的凹面分別焊加強肋板。焊接時，先點焊定位再正常施焊，以防止球面板變形。焊接完畢，對已焊好的上、下球鉸進行退火處理，以消除焊接產生的殘余應力。處理完畢，在凸、凹球面采用數控“旋風車”加工工藝，使上下球面板的曲率相吻合，采用同球面半徑的模板檢測球面加工精度。用于下球面板凹坑填充的聚四氟乙烯復合夾層滑板同步加工，出廠前將上下面板鎖定成整體。

2.4.4 下球鉸安裝

用全站儀準確地放出下承臺中心十字線，通過預埋鋼筋將下球鉸定位架焊接牢固。用電子水準儀測出定位架頂面高程，安放下球鉸，調整其中心位置及球面使轉軸套管豎直。測量工程師用電子水準儀測量并指揮施工人員利用定位架與下球鉸之間的連接螺栓對下球鉸頂面微調，球鉸頂面高程控制誤差宜控制在0.01 mm以內。然后用螺栓鎖定下球鉸于定位鋼支架上，同時封住中心銷軸套管口。下球鉸安裝經檢測無誤后，綁扎下球鉸鋼筋，澆筑微膨脹C50混凝土。

下球鉸混凝土達到設計強度后，對下球鉸上表面進行清理，按照編號將圓柱體滑塊安放在下球鉸頂的凹槽中，在滑塊之間、下球鉸頂面和轉軸表面均勻地涂滿黃油四氟粉潤滑混合料(按重量比120∶1)。插入轉軸后再吊裝上球鉸，準確地將上球鉸的凸面扣在下球鉸的凹面上。

3 托盤及上轉盤

3.1 托盤與上轉盤施工

為保證上承臺及封鉸部分的有效空間且便于填充部分的拆除，將有效空間由漿砌紅磚做成隔離模板，在紅磚周邊均勻抹上20號水泥砂漿。按設計要求將轉盤徑向鋼筋伸入到撐腳鋼管內，為保證轉動體系的整體性，提高混凝土力學性能，對轉盤、托盤及撐腳內澆筑C40纖維混凝土，加強養護。施工時注意預留封鉸混凝土振搗孔，預埋牽引鋼絞線、埋設監控設施并將其連接線引出模板外側。上轉盤施工時，應對轉盤部位進行臨時錨固，確保轉體前箱梁施工安全。

3.2 轉盤及托盤混凝土配合比

1)碎石:選取粒徑為5～10 mm的碎石(占碎石總量的20%)，10～20 mm的碎石(占總量的80%)，組合成5～20 mm的連續級配碎石。

2)砂子:選取顆粒潔凈、級配良好、質地均勻的中砂。

3)水:采用飲用水。

4)粉煤灰:采用F類Ⅰ級。

5)水泥:選用P.O 42.5低堿水泥，水泥初凝時間為136 min，終凝時間為258 min。依據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55—2000)進行混凝土配合比設計，經過多次試驗，確定施工采用的配合比如表1。

表1 C40纖維混凝土每m3的材料用量 kg

4 結語

1)球鉸設計中，要充分考慮到不利因素;加工中應嚴格控制每個環節;安裝時，要準確測量定位。鋼盤圓弧頂面的安裝精度、球鉸底部混凝土的密實程度會對轉體結果造成重大影響。

2)環道施工質量不僅影響推力的大小，同時決定著轉動體系在轉動過程中的平穩程度，高程的變化會影響合龍的效果。環道安裝時，頂面高程要用電子水準儀測量，誤差控制在±0.1 mm以內。

3)平面轉體法施工對既有線鐵路影響小，應用也將越來越廣泛。但是，如果轉動體系在設計、加工、運輸、安裝等環節控制不好，會影響到轉體效果，最終會影響既有線鐵路正常營運安全及橋梁施工期間的安全和質量，應予以高度重視。

［1］鐵道第一勘察設計院.劉房子特大橋47#～50#墩間(48+80+48)m連續梁施工方案變更設計(專題施工)［R］.西安:鐵道第一勘察設計院，2009.

［2］中交第二公路工程局有限公司.劉房子哈大鐵路立交特大橋跨既有京哈鐵路轉體施工方案［R］.西安:中交第二公路工程局有限公司，2009.

［3］中華人民共和國交通部.JTJ041—2000 公路橋涵施工技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［4］中交第二公路工程局有限公司.哈大鐵路客運專線橋梁工程質量控制手冊［R］.西安:中交第二公路工程局有限公司，2007.

［5］余常俊，劉建明，張翔，等.連續梁轉體后中跨合龍段移動支架設計與施工［J］.鐵道建筑，2010(5):16-17.