轉體施工橋梁RPC球鉸關鍵技術及受力特征研究

摘要： 為確保RPC球鉸轉體橋梁施工過程安全、順利地進行，以某70+70mT構轉體梁為工程背景，通過稱重試驗和數值模擬對其轉體施工關鍵技術進行了研究。根據現場稱重試驗，進行了合理的配重確保了采用RPC球鉸橋梁的順利轉體。在對比鋼球鉸和RPC混凝土混合球鉸的靜摩擦系數后，針對RPC混凝土混合球鉸轉體橋提出了采用不平衡樁體的控制方法，提高了轉體過程的穩定性。數值分析結果驗證了RPC混凝土混合球鉸轉體橋采用不平衡配重法轉體過程中的安全性。研究成果為RPC球鉸轉體橋轉體控制提供了技術支持。

關鍵詞：RPC球鉸;轉體施工橋梁;鋼球鉸;關鍵技術;數值模擬

中圖分類號：U24 ??????文獻標志碼：A

1 引言

活性粉末混凝土（RPC）是一種新型工程材料，具有高強度、高耐久性、高韌性的特點，相比于鋼材具有更好的性價比。早期的轉體橋梁球鉸主要是采用鋼球鉸，隨著RPC材料的發展，RPC混凝土混合球鉸逐漸應用于轉體橋梁中。與鋼球鉸相比，RPC混凝土混合球鉸增加了RPC預制的上座板和下座板，撐腳的鋼管內填充RPC。上、下座板表面的鋼板與RPC澆筑成一體，使表面平整度得到充分保證，大大減小球鉸安裝的難度。撐腳鋼管內填充RPC可有效減小球鉸的尺寸，提高承載能力，因此相對于鋼球鉸，稱重同噸位的轉體橋時，RPC混凝土混合球鉸的尺寸明顯小于鋼球鉸。

翟鵬程^[1]對三種不平衡力的估算方法進行了對比分析，認為球鉸轉動法受力明確，而且只考慮剛體作用，結果比較準確。顏惠華^[2]等為了得到橋梁轉體施工中球鉸靜摩擦系數的準確值，對其計算方法進行了研究。車曉軍^[3]對T形剛構轉體橋轉體時的不平衡力矩預估方法進行了研究。現階段國外的研究主要是針對普通的鋼球鉸進行的，對于尺寸小、強度高的RPC球鉸較少。目前的研究成果是否適用于安裝RPC球鉸轉體橋，計算結果能否滿足此類橋梁的安全穩定形要求，未有研究結果?；谝陨涎芯勘尘?，以呼市三環路與京包客專、唐呼鐵路交叉工程70+70mT構轉體梁為工程依托，對安裝RPC混凝土混合球鉸轉體橋的轉體施工關鍵技術及受力特征進行了深入研究。

2 稱重試驗

（1）工程概況

該橋為雙幅，采用自平衡重水平轉體法施工，轉體角度為逆時針79°，轉體重量約為10000噸。上盤直徑為9.5m，轉體支座平面直徑為1.95m，定位中心轉軸直徑為φ200mm。球鉸上、下盤均采用鋼-超高強混凝土結構，球鉸上盤底面具有凸球面，球鉸上盤底面中心設置有銷孔，球鉸下盤頂面具有與球鉸上盤的凸球面相配合的凹球面，球鉸下盤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。球鉸上、下盤均通過連接鋼板與上、下座板焊接連接，球鉸下盤凹球面上設置有耐磨板。球鉸構造見圖1。

（2）稱重試驗方法

根據解除梁體臨時約束后橋梁的姿態可以判定，該橋的平衡處于球鉸摩阻力矩（Mz）小于不平衡力矩（M_G）狀態。此時，只需在轉體橋著地端施加頂梁力與落梁力，即可通過測定數據判斷突變點來得出轉動體縱橋向不平衡力矩及靜摩阻系數。

（3）測點布置

千斤頂及百分表測試位置見圖2。

（4）測試結果

通過千斤頂施加頂升力，得到北側和南側轉體橋千斤頂頂升力與位移之間的關系曲線，見圖3和圖4所示。

由圖3可知，當頂升荷載P₁逐級加載到4800kN時，隨著力的增大，位移發生突變，即轉動力矩大于摩阻力矩。隨后使千斤頂回落，當載荷逐級降低至2000KN時，出現不平衡力矩大于摩阻力矩，設P₂為千斤頂逐漸回落過程中球鉸發生微小轉動時的力，則;

不平衡力矩：

M_G=（P₁×L₁+P₂×L₂）/2=（4800+2000）×4.5/2=15300 kN·m

摩阻力矩：

M_Z=（P₁×L₁-P₂×L₂）/2=（4800-2000）×4.5/2=6300kN·m

偏心距：

η=15300/100000=0.153m，偏向于順橋向東側

依據經驗公式，球鉸靜摩擦系數：

由圖4可知，當頂升荷載P₁逐級加載到4600kN時，隨著力的增大，位移發生突變，即轉動力矩大于摩阻力矩。隨后使千斤頂回落，當載荷逐級降低至1200KN時，出現不平衡力矩大于摩阻力矩，設P₂為千斤頂逐漸回落過程中球鉸發生微小轉動時的力，則：

不平衡力矩：

M_G=（P₁×L₁+P₂×L₂）/2=（4600+1200）×4.5/2=13050 kN·m

摩阻力矩：

M_Z=（P₁×L₁-P₂×L₂）/2=（4600-1200）×4.5/2=7650kN·m

偏心距：

η=13050/100000=0.131m，偏向于順橋向東側

依據經驗公式，球鉸靜摩擦系數：

3轉體施工關鍵技術

3.1 RPC球鉸靜摩擦系數

由現場實測結果可知，RPC球鉸的靜摩擦系數遠小于鋼球鉸的靜摩擦系數，在國內外已有轉體橋的稱重試驗中也得到了證實，鋼球鉸與RPC球鉸靜摩擦系數對比見表1。

由表1中靜摩擦系數對比發現，鋼球鉸靜摩擦系數明顯大于RPC混凝土混合球鉸的靜摩擦系數，在轉體過程中RPC混凝土混合球鉸轉體橋的牽引力會減小，但是其穩定性較弱，因此，為確保RPC混凝土混合球鉸轉體橋在轉體過程中的穩定性，建議該類轉體橋采用不平衡配重，轉體時采用三點支撐法進行轉體。

3.2配重方案

（1）南側轉體橋配重方案

由上述實測結果可知，轉體橋偏心距為15.3cm，偏向于順橋向東南側。采用不平衡配重轉體，在轉體橋西北側增加配重約17.5噸（配重塊3.5t/塊，配重數量5塊）。

（2）北側轉體橋配重方案

由上述實測結果可知，轉體橋偏心距為13cm，偏向于順橋向東北側。采用不平衡配重轉體，在轉體橋西南側增加配重約7.5噸（配重塊2.5t/塊，配重數量3塊）。

4 RPC球鉸局部受力分析

根據稱重試驗結果，采用ANSYS有限元分析軟件對平衡配重和不平衡配重兩種情況進行球鉸局部應力分析，校核轉體過程中轉體橋的安全性。分析模型僅建立上承臺、上轉盤、下轉盤和下承臺四部分，混凝土采用SOLID65單元進行模型，鋼板選用LINK180單元模擬，有限元模型及網格劃分見圖5所示。

分析工況包括兩種：（1）平衡配重轉體過程中球鉸應力分布;（2）不平衡配重轉體過程中球鉸應力分布。分析時將上部重量按均布荷載施加在上承臺，下承臺底采用固結的約束方式，上、下轉盤之間采用接觸單元CONTA174進行模擬。

通過分析得到下轉盤球鉸的應力分布圖，見他6所示。

由圖6可以看出，采用平衡配重轉體過程中球鉸應力最大為26.0MPa，采用不平衡配重轉體過程中球鉸應力最大為38.8MPa，比平衡配重時應力大，但是未達到RPC混凝土混合球鉸的允許壓應力，轉體過程中安全性可以滿足規范要求，且采用不平衡配重的穩定性遠高于平衡配重的穩定性。因此，結合稱重試驗結果、靜摩擦系數對比分析和理論計算分析，建議RPC混凝土混合球鉸轉體橋轉體過程中采用不平衡配重，在確保安全性的前提下可有效提高轉體過程的穩定性。

5結論

以呼市三環路與京包客專、唐呼鐵路交叉工程70+70mT構轉體梁為工程依托，對安裝RPC混凝土混合球鉸轉體橋的轉體施工控制方法及安全性進行深入的研究，得到如下結論。

（1）以呼市三環路與京包客專、唐呼鐵路交叉工程70+70mT構在轉體橋梁為工程背景，對該橋進行了現場稱重試驗，并根據試驗結果對該橋提供了合理的配重。

（2）通過對比鋼球鉸和RPC混凝土混合球鉸的靜摩擦系數，提出了RPC混凝土混合球鉸轉體橋合理的轉體控制方法，提高了轉體過程的穩定性。

（3）通過數值分析驗證了RPC混凝土混合球鉸轉體橋采用不平衡配重法轉體過程中的安全性。

參考文獻：

[1]翟鵬程. 轉體梁施工中的不平衡問題及風致振動研究[D].北京交通大學，2008.

[2]顏惠華，王長海，羅力軍.橋梁轉體施工中球鉸靜摩擦系數計算方法[J].世界橋梁，2015，43（4）：74-78

[3]車曉軍，張謝東，朱海清.基于球鉸應力差法的T構轉體橋不平衡力矩預估[J].橋梁建設，2014，44（4）：57-61.

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作者簡介：許照春（1983-），男，安徽宣城，漢，項目經理，工程師，研究方向：橋梁工程。