超大直径球铰体系安装施工精度控制技术研究

徐刚

摘要：桥梁的转体施工中，球铰体系作为重要的工作部件，其安装精度对整个工程的质量和安全有着决定性的影响，施工实践表明，球铰体系安装精度控制难度大，常因球铰安装精度不足、质量差导致转体失败事故，造成巨大的经济损失，严重延误工期。对此，本文对球铰系统安装精度及质量进行研究，采取设置微调螺栓的方式，选用高精度电子水准仪，承台砼分层浇筑，下球铰设置排气孔、振捣孔，以及精心制定实施细则等创新技术和措施，顺利完成超大直径球铰及滑道高精度、高质量的安装，球铰系统安装精度的关键参数必须[≤]0.5mm，确保转体进行准确对接。通过实际案例验证，提出的施工精度控制方法和技术措施可行且可靠。

关键词：桥梁转体；大直径球铰；安装精度控制；技术创新

中图分类号：U446    文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）02-0047-04

0 引言

对转体桥而言，确保转体顺利进行的基础及关键工序是控制好球铰系统的安装精度。由于球铰半径较小，所以球铰安装时会存在细微的误差，但是在长梁跨的放大作用下，转体“T”构两端轴线偏差将呈数十倍放大。球铰安装偏差过大，会导致转体施工失败，例如2019年某跨陇海铁路的公路桥“T”构转体后，两个“T”构合拢端错位超1.0 m，后期施工单位花费较大成本及延长工期才完成纠偏。事后施工单位查明，事故原因为球铰系统的安装精度不足，导致转体后“T”构出现偏差。基于此，本文对桥梁转体施工中超大直径球铰体系的安装施工精度控制技术进行深入研究，以期确保项目中的球铰安装精度达到目标要求，为转体桥施工提供技术支持。

1 项目概述

广西南宁市亭洪路延长线（规划七路—南建路）上跨铁路立交工程上跨南化站既有湘桂铁路、南昆客专、规划南凭铁路。桥梁桥长595.02 m，桥上布置双向六车道，按两幅桥设计；桥梁总面积为22 566.7 m2，主桥上部结构为2～80 m“T”形刚构箱梁，总质量为1.75万t，采取支架现浇后再平面转体的施工方式，该工程是南宁市首座市政转体桥，也是目前西南地区质量最大的转体桥，其中左幅4#主墩转体120°，右幅1#主墩转体110°，刷新目前国内市政转体桥的施工转体角度纪录。

转体原理是在牵引力的作用下，“T”构以球铰为中心进行水平转动（或竖向转动），球铰是转体动作的核心结构。本项目球铰设计的承载能力为180 000 kN，由上球铰、下球铰及销轴3个组件构成，下球铰面板为圆弧形，用Q345钢板制作，平面直径均为4.0 m，厚度为50 mm，为超大直径球铰。销轴的直径为27 cm。下球铰面板镶嵌滑动片（φ60 mm的四氟滑动片），上、下球铰面板间填充黄油聚四氟乙烯粉。球铰的制作质量及安装精度对转体施工的顺利进行及转体施工的安全具有决定性的影响。球铰在专业厂家制作，制作质量可控。故现场球铰的安装精度控制成为转体施工的重中之重。转体球铰布置如图1所示。

本文将滑道顶面高差、下球铰正面相对高差、球铰中心纵横向误差等关键参数均不超过0.5 mm定为球铰系统安装的精度控制目标。

2 提高球铰安装精度的技术措施

2.1 球铰加工质量及运输控制

确保球铰安装质量的前提是委托专业厂家生产的球铰及滑道质量必须满足设计文件中的相关要求。

为控制球铰及滑道钢板的制作质量，必须选择技术能力过硬、产品质量好的专业廠家，滑道、球铰的制作质量委托第三方专业检测机构进行检测并出具质量检测报告。检查内容主要为上、下球铰组件焊缝外观、焊缝变形、焊接质量、曲面加工误差等情况。

球铰完成制作及验收合格后，要设计特制的定型支撑架辅助球铰的运输，避免球铰在运输过程中产生变形［1］。

2.2 滑道骨架、球铰骨架的精调技术

当完成滑道骨架和滑析、球铰骨架和下球铰的安装后，必须对滑道及下球铰进行精确调平及水平对正，方能达到本项目规定的安装精度控制要求。本项目起初使用微调千斤顶进行精确调平，但是效果较差，精度无法满足施工要求。因此，本项目对现有技术进行创新，采取在球铰骨架及滑道骨架上设置微调螺栓的技术措施进行精调，下球铰高度微调螺栓如图2所示。

滑板高度微调螺栓、下球铰水平位置微调螺栓设置形式与图2基本相同。下球铰高度微调螺栓沿球铰周边均匀布设8处；下球铰水平位置微调螺栓在纵横垂直向分别对称布设4处；在滑道型钢骨架与滑道钢板的每个接触处均设置1个调微螺栓，滑道分成24个组件，共布设96个高差调微螺栓，微调螺栓为M20细牙螺栓，螺栓牙距为1.5 mm，即螺母旋转一圈时的螺距为1.5 mm。人工操作的微调螺栓具有无级微调、操作简单及螺母随时自锁的优点，在施工时能够按工程的实际情况进行精确调整；完成精调后，用点焊将微调螺栓的螺杆、螺母焊接固定，避免在后续的施工操作中因受其影响而出现拧动的情况。

2.3 精测设备的选用

能够精确测量高程是确保精调操作的基础，项目部目前使用自动安平水准仪的测量误差（为1.5 mm/km）达不到精调要求的0.5 mm/km（项目部进行测量精度分析和误差计算，需精度达到上述指标的水准仪方能达到精调要求），所以需要购置更高测量精度的电子水准仪，对多种电子水准仪的性能进行对比后，最终选择“天宝”DINI型，其测量误差为0.3 mm/km，能够满足精调施工控制要求。

2.4 承台砼浇筑方案

通常，转体承台砼采取分2次浇筑的方案，从承台底部至球铰型钢骨架底为第1次浇筑；安装球铰及滑道的型钢骨架、下转盘和下滑道；进行第2次浇筑至下球铰顶部，并完成下球铰及滑道的最终固定。进行第2次砼浇筑的目的是将滑道及下球铰完全固定且不可进行调整，故要求球铰及滑道骨架在第2次砼浇筑时不能出现任何滑移及偏位现象，需要投入更多的材料及人工对骨架进行充分加固。尽管采取了上述措施，但是实际施工中还是很难避免骨架的偏位现象，一旦出现较大偏位，就会影响转体施工，导致返工，给施工单位带来巨大的经济和工期损失。

为避免出现上述偏位，本项目采取承台砼分3次浇筑的方案（如图3所示）。第1次浇筑砼至骨架底；安装球铰及滑道的骨架、下转盘和下滑道，第2次浇筑砼高度为65.2 cm，先将型钢骨架的下部固定，再对滑道及球铰的安装精度进行复核和调整；第3次浇筑砼至下球铰顶部，将下球铰固定。该方案的优势体现在第2次砼浇筑后，能将骨架牢牢固定，这样能避免骨架出现偏位［2］，经过再次精度复核调整后，可获得最终的精度保证。

2.5 提高下球铰下部砼浇筑质量的技术措施

由国内外施工实践经验可知，影响球铰最终精度及质量的原因是下球铰下部的砼浇筑不密实、出现空洞，使下球铰在转体“T”构的巨大荷载作用下发生变形而出现质量事故。故本研究采取有效的技术措施，确保下球铰下部的砼浇筑质量。

采取承台砼分3次浇筑的方案，有利于球铰下砼的振捣及质量控制。

采取在下球铰上设置排气孔及振捣孔的技术措施［3］（如图4所示）确保砼质量。球铰在厂家制作时，在下球铰半径R515 mm周线上均匀开设8个φ20 mm的排气孔，半径R835 mm周线上均匀开设16个φ20 mm的排气孔；并在半径R1 120 mm周线上均匀开设8个φ130 mm的振捣孔（振捣孔的四氟滑片等完成砼浇筑后再安装）。上述孔洞还可以作为直接目测砼浇筑质量的观察孔。排气孔及振捣孔的设置可以避免砼出现空洞及不密实的质量问题。

3 安装下球铰、滑道定位骨架

3.1 球鉸型钢骨架安装

为确保滑道及球铰的定位骨架不出现偏移情况，下承台砼（厚5 m）分3次浇筑。第1次浇筑至3.68 m高处（骨架底部），在加工厂内拼装滑道及下球铰的型钢骨架及微调螺栓，然后将其运到桥位处，采用25 t汽车吊，整体吊装至砼面的安装处。实施安装位置的测量及调整和测量骨架顶面标高，用千斤顶将骨架顶升至设计标高（预留2 cm）处；通过拉线及吊锤进一步检测骨架4个角点及中心点偏差，用撬棍等工具进行人工精确调整，骨架安装误差＜1 cm。精确调整到位后，通过在骨架底焊接［14槽钢支撑定位骨架，设置内外斜撑（［14槽钢）撑牢骨架，斜撑与承台钢筋焊接成整体。

3.2 滑道型钢骨架安装

首先，滑道骨架（外侧直径为8.9 m，质量为7.3 t）在基坑上部进行预拼装；预拼前先在地面画出滑道骨架内外侧平面大样尺寸，均分为24份，在均分处用φ20 mm的螺纹钢筋焊接门式支架，支架平面顶高高出地面5 cm，然后在支架顶预拼滑道骨架。其次，在下承台砼面放样出滑道位置，采用［14槽钢在放样位置处均分为8份，焊接8组门式支架，支架顶内宽1.5 m，支架顶部比设计标高预留低5 cm；待滑道骨架预拼完成且下承台面槽钢门式支架焊接完成后，采用100 t汽车吊，将2组12 m的2［14槽钢做扁担梁将滑道骨架整体吊放至下承台预先焊接好的槽钢门式支架上；将滑道骨架平面位置精调至5 mm以内，水平相对高差控制在2 mm以内；精确调整到位后，设置内外斜撑（［14槽钢）撑牢骨架，斜撑与承台钢筋焊接成整体。

3.3 球铰安装

用100 t汽车吊吊装下球铰，球铰中心位置采用“十”字线法确定，在销轴位置厂家特制钢板处标示；用微调螺栓实施人工精调，用“莱卡”TS06POWER—2全站仪进行水平方向的定位测量，使球铰转动中心误差顺桥向不超过1 mm、横桥向不超过1 mm。平面位置精调完成后，采取在球铰骨架上焊接槽钢进行限位，固定球铰平面位置。

先用水准仪测量平面固定8个位置的高程，计算球铰面高程及8个点的相对高差，采用小型千斤顶顶住球铰下部，人工采用微调螺栓进行高度调整（螺母最大调整值为2 cm），采用“天宝”DINI3电子水准仪进行精调的高差测量，直至球铰面高程误差不超过0.5 mm，水平相对高差任意两点误差不超过0.5 mm；球铰安装标高精调完成后，采取在球铰骨架上焊接槽钢进行限位，固定球铰高程位置。同时，将微调螺栓的螺杆与调位螺母点焊进行固定。

3.4 滑道安装

首先，分块吊装滑道板，直至全部拼装完成。其次，进行高程测量，通过微调螺栓进行精调，确保钢板表面局部平整度小于0.5 mm，相对偏差控制在2 mm以内，固定微调螺栓。最后，相连板与板之间接缝进行平整度检测，采用电子水平仪进行平整度检测。下球铰和滑道安装完成后，绑扎下承台剩余钢筋、预应力管道，浇筑砼。

3.5 上球铰安装、试转

3.5.1 上球铰安装

下承台混凝土满足强度要求后，首先将下球铰表面清理干净，并在下球铰表面均匀涂抹黄油聚四氟乙烯粉，吊装中心销轴。其次，在中心销轴表面满涂黄油。最后，采用100 t汽车起重机吊装上球铰；吊装前，保证球面干净无杂物，吊装完成后，测量其中心位置，保证上球铰的安装精度。

3.5.2 上球铰试转

上球铰吊装到位后，在上球铰肋板焊接钢管作为旋转推力架，顺时针旋转3周、逆时针旋转6周，将多余的黄油聚四氟乙烯粉挤出，确保上、下球铰吻合，并且观察其转动时的状态，如出现问题要及时处理。在上、下球铰的接缝处涂抹泡沫胶，并使用水泥砂浆密封，加盖塑料薄膜防护。

4 精度控制效果检查

在球铰及滑道的安装过程中未出现安全质量事故，顺利将球铰及滑道准确就位。

4.1 滑道安装精度

表面局部平整度最大高差为0.3 mm，相对最大偏差为0.8 mm。

4.2 球铰安装精度

经多次复测安装精度，球铰中心纵向偏差为0.2 mm，横向偏差为0；球铰顶口任何两点的最大高差为0.3 mm。

4.3 下球铰下砼浇筑质量

经锤击检查，砼无空洞，结构密实。

从以上关键指标可看出，圆满完成球铰及滑道的安装精度及质量控制目标。

5 结语

通过精调滑道骨架、球铰骨架设备，设置承台砼浇筑方案，控制砼浇筑质量，精确安装下球铰、滑道定位骨架，以及检查控制效果等技术创新措施，确保转体桥的球铰及滑道的安装精度，为桥梁转体施工提供重要支持和指导。本文所提项目是在现场采取型钢与球铰骨架焊接进行球铰固定，由于焊接顺序或焊接方法不当，完成固定后产生一些变形，对球铰的安装精度造成不利影响，下一步拟进行深入研究，争取解决此问题。

6 参考文献

［1］田先将.提高转体梁转体系统安装精度工艺改进措施研究［J］.铁道建筑技术，2020（6）：68-71.

［2］武加强.T形刚构平转法转体桥转动体系施工精度控制［J］.中华建设，2020（4）：120-121.

［3］郝如意.基于三维激光扫描技术的转体桥球铰体系安装精度检测方法研究［D］.长春：吉林大学，2021.