RPC組合球鉸設計與制造安裝控制研究

陳經偉

(中鐵上海設計院集團有限公司 上海 200070)

1 項目背景

呼和浩特市某市政快速路跨越京包鐵路橋梁為(70＋70)m T型剛構(見圖1)，橋梁先順鐵路支架現澆、后水平轉體施工跨越鐵路到達設計位置。設計荷載為1.3×城A荷載，分兩幅布置，半幅橋寬20 m。由于鄰近鐵路營業線施工，為控制橋梁跨度，需盡量縮小轉體承臺的尺寸。經綜合比選，橋梁轉體球鉸采用了RPC組合球鉸，設計轉體噸位為10 000 t。目前，國內外關于RPC組合球鉸研究較少，本文主要研究球鉸的設計、制造和安裝控制。

圖1 橋梁現場照片

2 RPC球鉸結構設計

RPC混凝土即活性粉末混凝土(Reactive powder concrete)，它是以細砂為骨料，摻入大量硅灰等礦物摻合料、高效減水劑和微細鋼纖維，薄弱的界面得到大幅度加強，抗裂能提高兩個數量級以上，使其成為一種高強度、高韌性、低孔隙率的混凝土材料[1]。

2.1 RPC球鉸構造

RPC球鉸結構一般由四部分組成，自上而下分別為:球鉸上座板、球鉸上盤、球鉸下盤和球鉸下座板，球鉸上盤和球鉸下盤之間設置超高分子量聚乙烯板滑板的摩擦副，球鉸中心設置有中心轉軸。球鉸各部件結構一般均由鋼板焊接而成的鋼殼內填充超高強混凝土而組成。

為便于施工操作，球鉸上下轉盤間隙高度一般可按照0.8～1.2 m設計。下座板埋置于下承臺頂面位置，上座板頂面可與轉體上盤混凝土底面結合為一體，亦可采用將上座板埋入轉體上盤混凝土中的方式。

球鉸下盤為具有凹球面的圓柱體，凹球面及外側面為Q235鋼板焊接形成的鋼殼，鋼殼內填充C120級的超高強混凝土。為保證混凝土與鋼殼的整體性和有效傳力，內部布置與鋼殼內壁焊接的加勁肋板和普通鋼筋。球鉸上盤為具有凸球面的圓柱體，采用鋼殼內焊接肋板并布置普通鋼筋后內部填充超高強混凝土的構造形式。

2.2 RPC球鉸應力計算方法

如圖2所示，可得球冠面積S和投影平面面積S1[2]，取K＝S/S1，即K＝2(1－sinθ)/cosθ/cosθ

圖2 球冠面積計算

根據參數分析，K與θ角度的關系如圖3所示，K與r、H值的關系如圖4所示。

圖3 K值與角度關系

圖4 K值與r、H值關系

通過分析可知:

(1)K值基本在1.0～1.1之間分布，球鉸平面半徑越小K值越大。

(2)當球鉸平面半徑r一定時，隨著球冠高度H越高，K值越大。

(3)由于K值變化不大，球鉸平面應力計算可近似采用投影面積，與一般平鉸計算方式相同[3]。

2.3 RPC球鉸設計

本項目球鉸采用RPC球鉸，如圖5所示，球鉸由上盤、下盤、上座板、下座板及中心轉軸等部件構成。球鉸下座板采用角鋼支架支撐調平后，與下承臺混凝土澆筑為一體。吊裝球鉸下盤、上盤及下座板，插入球鉸中心轉軸，將球鉸下盤和下座板、球鉸上盤和上座板用鋼板焊接固定。立模澆筑球鉸上盤，將上座板錨固于上盤混凝土內。球鉸下盤球面板上鋪滿8 mm超高分子聚乙烯滑板，采用沉頭螺釘固定于球面板上[4－5]。

圖5 RPC球鉸構造(單位:mm)

按照球鉸應力計算方法及球鉸構造，球鉸設計應力可按照下式進行計算[6－9]。

式中，N為球鉸設計荷載，本項目N＝10 000 t；k為荷載增大系數，本項目k＝1.2；r為球鉸球面投影半徑，取r＝0.975 m；d為球鉸中心轉軸半徑，取d＝0.05 m。

經計算球鉸設計應力為40.6 MPa。C120混凝土設計允許應力42 MPa，強度滿足要求。

同理，可計算得球鉸上座板應力20.96 MPa。因此，球鉸上、下承臺采用C40混凝土。

3 RPC球鉸誤差對球鉸應力的影響

3.1 RPC球面半徑誤差對球鉸應力的影響

根據前面研究結論，可知球鉸承壓面應力可近似采用平鉸的應力計算方法。

因此，球鉸承壓面平均壓應力:

C120混凝土設計強度42 MPa，本項目按照40 MPa取值，分析不同球面半徑誤差對球鉸應力的影響，如圖6所示。

圖6 球面半徑相對誤差和球鉸應力相對誤差關系

由此可見，球鉸半徑誤差與球鉸應力成正比關系。球鉸可按Δσ/σ≤5%的控制條件，對球面半徑進行誤差控制[10－12]。根據RPC球鉸構造特點，球鉸半徑誤差宜控制在8 cm以內。

3.2 RPC球面局部誤差對球鉸應力的影響

當球鉸承壓面平均壓應力為σ時，滑塊的平均壓縮變形量為:

球面摩擦副滑塊采用h＝8 mm厚的超高分子量聚乙烯板，滑板彈性模量一般為500～900 MPa，考慮蠕變影響后可采用換算彈性模量300 MPa。當平均壓應力σ＝40 MPa時，球面局部誤差Δ與球面應力偏差相對值η及球面摩擦副滑塊厚度h正相關，如圖7所示。

圖7 球面局部誤差與球面應力偏差關系

4 RPC球鉸安裝控制

4.1 上下球鉸間隙控制

球鉸除了在承受豎向荷載時能夠實現水平轉動之外，還應當能夠適應少量豎向轉動，且球鉸上下轉盤安裝時，也存在一定的間隙。橋梁轉體到位后，進行最后的空間姿態調整時，也需要少量的豎向轉動。

如圖8所示:

圖8 球面豎轉位移示意

式中，Δh為上下球鉸間隙；r為球鉸球面投影半徑，取0.975 m；dθ為球鉸容許轉角，取0.02。

RPC球鉸的豎向轉角可參照球形支座的容許轉角0.02弧度控制[13]。根據上述公式可得，上下球鉸間隙可按2 cm控制。

4.2 滑道安裝精度控制

理論上轉體過程中撐腳不受力，僅靠球鉸自身摩阻力平衡上部不平衡重量。而實際操作中，可適當保留部分偏載，便于控制轉動中的平衡狀態。球鉸上轉盤可根據大小布置8～12組撐腳，如圖9所示，用于轉體過程中支撐上部偏載。理想狀態時，一半撐腳受力。非理想狀態時，單個撐腳受力。

圖9 球鉸撐腳平面布置

當滑道局部平面安裝誤差較大時，可引起局部撐腳脫空，從而導致其他位置撐腳受力增加；當滑道整體安裝誤差較大時，可造成僅僅一組撐腳受力。

當采用8組支撐，局部一組撐腳脫空時，局部應力增大系數見式(6):

當采用12組支撐，局部一組撐腳脫空時，局部應力增大系數見式(7):

當η1＝0.414及h＝8 mm時，根據圖7，采用線性內插得，滑道安裝最大誤差Δ＝0.442 mm，因此，滑道局部安裝平面可按照小于0.5 mm控制。

當采用8組支撐，僅一組撐腳受力時，局部應力增大系數見式(8):

當采用12組支撐，僅一組撐腳受力時，局部應力增大系數見式(9):

當η1＝2.732及h＝8 mm時，根據圖7采用線性內插得，滑道安裝最大誤差Δ＝2.914 mm，因此，滑道同一水平面整體安裝平面可按照小于3.0 mm控制。

5 結論

本項目橋梁已完成RPC球鉸的加工、制造及安裝工作，于2020年8月成功完成轉體施工，并得以下研究結論:

(1)根據球鉸構造，分析了球面和平面的比值與球冠高度H、半徑r的關系，球鉸的應力計算方法，可近似參照平鉸進行計算。

(2)結合球面應力誤差計算方法，分析研究了球面半徑誤差對球鉸應力的影響，球鉸半徑誤差宜控制在8 cm以內。

(3)根據球鉸承壓面應力誤差計算方法，分析研究了球面局部誤差對球鉸應力的影響。

(4)參照支座豎轉角度，研究了上下球鉸安裝控制標準，要求上下球鉸間隙小于2 cm。

(5)結合撐腳作用特點，研究了滑道安裝控制標準。整體安裝誤差要求小于3.0 mm、局部安裝安裝誤差要求小于0.5 mm。

RPC球鉸具有半徑小、體積小、重量輕、運輸安裝便捷等諸多優點，從而可以較大地優化下部結構尺寸，降低工程造價，具有良好的適用前景和推廣價值。