转体施工桥梁RPC球铰关键技术及受力特征研究

摘要： 为确保RPC球铰转体桥梁施工过程安全、顺利地进行，以某70+70mT构转体梁为工程背景，通过称重试验和数值模拟对其转体施工关键技术进行了研究。根据现场称重试验，进行了合理的配重确保了采用RPC球铰桥梁的顺利转体。在对比钢球铰和RPC混凝土混合球铰的静摩擦系数后，针对RPC混凝土混合球铰转体桥提出了采用不平衡桩体的控制方法，提高了转体过程的稳定性。数值分析结果验证了RPC混凝土混合球铰转体桥采用不平衡配重法转体过程中的安全性。研究成果为RPC球铰转体桥转体控制提供了技术支持。

关键词：RPC球铰;转体施工桥梁;钢球铰;关键技术;数值模拟

中图分类号：U24       文献标志码：A

1 引言

活性粉末混凝土（RPC）是一种新型工程材料，具有高强度、高耐久性、高韧性的特点，相比于钢材具有更好的性价比。早期的转体桥梁球铰主要是采用钢球铰，随着RPC材料的发展，RPC混凝土混合球铰逐渐应用于转体桥梁中。与钢球铰相比，RPC混凝土混合球铰增加了RPC预制的上座板和下座板，撑脚的钢管内填充RPC。上、下座板表面的钢板与RPC浇筑成一体，使表面平整度得到充分保证，大大减小球铰安装的难度。撑脚钢管内填充RPC可有效减小球铰的尺寸，提高承载能力，因此相对于钢球铰，称重同吨位的转体桥时，RPC混凝土混合球铰的尺寸明显小于钢球铰。

翟鹏程^[1]对三种不平衡力的估算方法进行了对比分析，认为球铰转动法受力明确，而且只考虑刚体作用，结果比较准确。颜惠华^[2]等为了得到桥梁转体施工中球铰静摩擦系数的准确值，对其计算方法进行了研究。车晓军^[3]对T形刚构转体桥转体时的不平衡力矩预估方法进行了研究。现阶段国外的研究主要是针对普通的钢球铰进行的，对于尺寸小、强度高的RPC球铰较少。目前的研究成果是否适用于安装RPC球铰转体桥，计算结果能否满足此类桥梁的安全稳定形要求，未有研究结果。基于以上研究背景，以呼市三环路与京包客专、唐呼铁路交叉工程70+70mT构转体梁为工程依托，对安装RPC混凝土混合球铰转体桥的转体施工关键技术及受力特征进行了深入研究。

2 称重试验

（1）工程概況

该桥为双幅，采用自平衡重水平转体法施工，转体角度为逆时针79°，转体重量约为10000吨。上盘直径为9.5m，转体支座平面直径为1.95m，定位中心转轴直径为φ200mm。球铰上、下盘均采用钢-超高强混凝土结构，球铰上盘底面具有凸球面，球铰上盘底面中心设置有销孔，球铰下盘顶面具有与球铰上盘的凸球面相配合的凹球面，球铰下盘顶面中心设置有与销孔相配合的销轴，销孔侧壁与销轴侧壁形成具有夹角的间隙。球铰上、下盘均通过连接钢板与上、下座板焊接连接，球铰下盘凹球面上设置有耐磨板。球铰构造见图1。

（2）称重试验方法

根据解除梁体临时约束后桥梁的姿态可以判定，该桥的平衡处于球铰摩阻力矩（Mz）小于不平衡力矩（M_G）状态。此时，只需在转体桥着地端施加顶梁力与落梁力，即可通过测定数据判断突变点来得出转动体纵桥向不平衡力矩及静摩阻系数。

（3）测点布置

千斤顶及百分表测试位置见图2。

（4）测试结果

通过千斤顶施加顶升力，得到北侧和南侧转体桥千斤顶顶升力与位移之间的关系曲线，见图3和图4所示。

由图3可知，当顶升荷载P₁逐级加载到4800kN时，随着力的增大，位移发生突变，即转动力矩大于摩阻力矩。随后使千斤顶回落，当载荷逐级降低至2000KN时，出现不平衡力矩大于摩阻力矩，设P₂为千斤顶逐渐回落过程中球铰发生微小转动时的力，则;

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，偏向于顺桥向东侧

依据经验公式，球铰静摩擦系数：

由图4可知，当顶升荷载P₁逐级加载到4600kN时，随着力的增大，位移发生突变，即转动力矩大于摩阻力矩。随后使千斤顶回落，当载荷逐级降低至1200KN时，出现不平衡力矩大于摩阻力矩，设P₂为千斤顶逐渐回落过程中球铰发生微小转动时的力，则：

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，偏向于顺桥向东侧

依据经验公式，球铰静摩擦系数：

3转体施工关键技术

3.1 RPC球铰静摩擦系数

由现场实测结果可知，RPC球铰的静摩擦系数远小于钢球铰的静摩擦系数，在国内外已有转体桥的称重试验中也得到了证实，钢球铰与RPC球铰静摩擦系数对比见表1。

由表1中静摩擦系数对比发现，钢球铰静摩擦系数明显大于RPC混凝土混合球铰的静摩擦系数，在转体过程中RPC混凝土混合球铰转体桥的牵引力会减小，但是其稳定性较弱，因此，为确保RPC混凝土混合球铰转体桥在转体过程中的稳定性，建议该类转体桥采用不平衡配重，转体时采用三点支撑法进行转体。

3.2配重方案

（1）南侧转体桥配重方案

由上述实测结果可知，转体桥偏心距为15.3cm，偏向于顺桥向东南侧。采用不平衡配重转体，在转体桥西北侧增加配重约17.5吨（配重块3.5t/块，配重数量5块）。

（2）北侧转体桥配重方案

由上述实测结果可知，转体桥偏心距为13cm，偏向于顺桥向东北侧。采用不平衡配重转体，在转体桥西南侧增加配重约7.5吨（配重块2.5t/块，配重数量3块）。

4 RPC球铰局部受力分析

根据称重试验结果，采用ANSYS有限元分析软件对平衡配重和不平衡配重两种情况进行球铰局部应力分析，校核转体过程中转体桥的安全性。分析模型仅建立上承台、上转盘、下转盘和下承台四部分，混凝土采用SOLID65单元进行模型，钢板选用LINK180单元模拟，有限元模型及网格划分见图5所示。

分析工况包括两种：（1）平衡配重转体过程中球铰应力分布;（2）不平衡配重转体过程中球铰应力分布。分析时将上部重量按均布荷载施加在上承台，下承台底采用固结的约束方式，上、下转盘之间采用接触单元CONTA174进行模拟。

通过分析得到下转盘球铰的应力分布图，见他6所示。

由图6可以看出，采用平衡配重转体过程中球铰应力最大为26.0MPa，采用不平衡配重转体过程中球铰应力最大为38.8MPa，比平衡配重时应力大，但是未达到RPC混凝土混合球铰的允许压应力，转体过程中安全性可以满足规范要求，且采用不平衡配重的稳定性远高于平衡配重的稳定性。因此，结合称重试验结果、静摩擦系数对比分析和理论计算分析，建议RPC混凝土混合球铰转体桥转体过程中采用不平衡配重，在确保安全性的前提下可有效提高转体过程的稳定性。

5结论

以呼市三环路与京包客专、唐呼铁路交叉工程70+70mT构转体梁为工程依托，对安装RPC混凝土混合球铰转体桥的转体施工控制方法及安全性进行深入的研究，得到如下结论。

（1）以呼市三环路与京包客专、唐呼铁路交叉工程70+70mT构在转体桥梁为工程背景，对该桥进行了现场称重试验，并根据试验结果对该桥提供了合理的配重。

（2）通过对比钢球铰和RPC混凝土混合球铰的静摩擦系数，提出了RPC混凝土混合球铰转体桥合理的转体控制方法，提高了转体过程的稳定性。

（3）通过数值分析验证了RPC混凝土混合球铰转体桥采用不平衡配重法转体过程中的安全性。

参考文献：

[1]翟鹏程. 转体梁施工中的不平衡问题及风致振动研究[D].北京交通大学，2008.

[2]顏惠华，王长海，罗力军.桥梁转体施工中球铰静摩擦系数计算方法[J].世界桥梁，2015，43（4）：74-78

[3]车晓军，张谢东，朱海清.基于球铰应力差法的T构转体桥不平衡力矩预估[J].桥梁建设，2014，44（4）：57-61.

[4]鲁建生，杨永宏，刘继龙.保阜高速公路跨京广铁路转体桥称重试验研究[J].铁道建筑技术，2009（5）：106-109.

[5]王海如，张丽.悬浇转体桥梁不平衡称重试验研究[J].市政技术，2010，28（S2）：152-155+159.

[6]陈富强，夏培华.运梁河特大桥转体梁不平衡重称重试验分析[J].中国港湾建设，2012（3）：57-59.

[7]王宇轩.曲线梁转体桥施工监控及RPC混凝土组合球铰参数研究[D].兰州交通大学，2018.

作者简介：许照春（1983-），男，安徽宣城，汉，项目经理，工程师，研究方向：桥梁工程。