湖南交通科技 第４ｌ卷第２期 Ｖｏ１．４１ Ｎｏ．２ ２０１５年６月 ＨＵＮＡＮ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｊｕｎ．２０１５ 文章编号：１００８－８４４Ｘ（２０１５）０２—０１２６—０５ 平转球铰体系最大转体重量研究 但宗效 （湖南省高速公路管理局，湖南长沙４１０００４） 摘要：总结了近些年来年国内采用万吨级球铰转体施工的桥梁。采用摩擦面在变形前 后形状不变等３个假定，推导了平转球铰体系中滑片应力和撑脚应力的计算方法，并分析了撑 脚位移的影响因素和计算方法。在此基础上，分析了撑脚的倾覆变形、滑片数量、滑片的允许 应力等参数对球铰最大转体重量影响，结果表明：在现有机械加工条件下，球铰最大转体重量 可达约３５ ０００ ｔ。 关键词：桥梁施工；转体；球铰；转体重量；滑片 中图分类号：Ｕ ４４５ 文献标识码：Ａ 近些年来，随着基础设施建设的快速发展，铁 平面转体体系一般由上转盘、下转盘、转动中 路、公路互相交叉跨越的情况越来越多，新建结构对 心、撑脚、滑道、姿态微调系统和牵引系统组成。根 既有道路的干扰也越来越多，尤其是跨越比较繁忙 据受力特点，平面转体体系可分为由中心钢球铰单 的铁路线时，鉴于尽量减小对铁路安全及运营影响 点支撑的球铰体系和由中心球铰与撑脚共同支撑的 的考虑，新建桥梁越来越多地采用平面转体施工的 环道体系。 方案。跨越深沟时，转体施工也是较好的施工方案。 球铰体系的转体重量基本由转体体系中心的钢 转体施工的桥型有斜拉桥、拱桥、Ｔ型刚构桥和悬索 球铰承担，正常情况下撑脚受力很小或不受力，撑脚 桥，以斜拉桥最多。 的主要目的是：①防止结构发生倾覆；②保证结构 １ 球铰平转体系简介 在转动过程中的稳定性；③控制滑片应力。典型的 平面球铰转动体系如图１所示。钢球铰是核心部 转盘 ｉ Ｉ ．ｉ Ｄ ｌ 承台 平面图（单位：ｃｌｎ） 滑片倾角图 图１典型平面球铰转动体系构造图 收稿日期：２０１５—０３—０４ 作者简介：但宗效（１９８６－），男，从事高速公路桥梁养护工作。 ２期 但宗效：平转球铰体系最大转体重量研究 １２７ 件，主要由两个咬合的球面组成摩擦面，下凹的下摩 擦面上均匀地嵌有聚四氟乙稀滑片，中间有一个防 止错动的插销棒。环道体系的转动中心与撑脚均为 主要的受力结构。 跨度；③球铰体系的尺寸较小，便于施工控制精度； ④转动时摩擦系数小，转动所需的牵引力较小；⑤转 动牵引系统简单，只需要２台能够连续、同步布置的 张拉千斤顶即可；⑥结构转动到位后，便于精确定 位。球铰体系特别适用于转动支撑面较小的结构。 随桥梁跨度的不断增大，球铰转动体系的吨位也 越来越大，采用球铰体系平转施工，重量超过万吨位的 桥梁如表１所示‘１ ¨，最大的转体吨位已达１７ １００ ｔ。 相对于环道体系，单点支撑的球铰体系有如下 优点：①球铰体系尺寸较小，无需太大的场地；②转 动系统的尺寸较小，不需要由于转体操作而增加桥 墩及承台结构的尺寸，也无需由于转动而增加结构 表１万吨级球铰体系平转施工的桥梁表 ２ 滑片与撑脚应力计算 设球铰所承受的转体重量为Ｇ，倾覆弯矩为 ， 撑脚与滑道之间的预留空隙为△ ，在外力作用下撑 其中： ＝ａｒｃｓｉｎ（生Ｒ），为第 圈片滑片中心至 球铰球心连线与竖直线之间的夹角；Ａ ＝ 耵脚的竖向位移为△ 。假定上、下转盘摩擦球面的半 径为 ，聚四氟乙稀滑片的半径为ｒ，其在下摩擦面 内成环形分布，第 环有ｎ 个四氟滑片，均匀分布在 投影平面半径为ＪＲ 的圆上，共有ｍ圈，如图１所示。 嘻 ＝ ｎ Ｍ（Ｒ ＋ｒ） 四氟滑片的等效 面积。 倾覆弯矩为Ｍ产生的滑片应力为： 计算滑片和撑脚应力时的假定如下：①滑片和 Ｍ（Ｒ ＋ｒ）＝ 撑脚为弹性体，其余构件为刚体，上下摩擦面在变形 前后其形状保持不变。下摩擦面保持不动，上摩擦 面只发生刚体水平转动、刚体竖向倾覆转动和刚体 竖向位移；②滑片和撑脚中平行于中心轴的各竖向 纤维变形与其到中心轴的水平投影距离成正比；③ 滑片和撑脚的应力与应变成正比关系，即滑片和撑 ： 萎（ ；： ＋）ｃ。ｓ（ａｒｃｓｉｎ（鲁）） （２） ｍ茎 ＋卜（ａｒｃｓｉｎ 四氟滑片的等效惯性矩； 为最外层滑片中心至球 铰中心的水平距离。 滑片中的最大最小应力为 ： ｌ＝ｏｒＧ± ＪＩｆ。 （３） 一脚的弹性模量在不同应力条件下均相同。根据△ 与△ 之间的关系，分２种工况计算撑脚与滑片中的 应力。 １）Ａｃ＜△），。 此工况，撑脚与滑道之间没有接触，撑脚尚未受 力，滑片承受了所有的外力，滑片应力为： Ｇ Ｇ 般Ｒ可取８ ｍ， 的最大值为Ｒ ，ｇｍ一般不 超过２ ｍ，也就是说ｃ。ｓ（ ）＝ｃ。ｓ（ａｒｃｓｉｎ（鲁））≥ ｃ。ｓ ａｒｃｓｉｎ（詈））＝。．９６８ ２，近似地取ｃ。ｓ（ ） １，则总体误差小于（１—０．９６８ ２）×１００％＝ ３．１７５％．故式（１）和式（２）可写成： Ｃ 耵ｒ２善耄ｃ∑∑＝ ＝１ ｉ 、１ ｏｓ（［ ａｒｃｓｉｎＩ、 “ ／／ ｌｌ 耵 １２８ 湖南交通科技 ４ｌ卷 ——～ ～Ｋ￣ｒｒ２ ∑∑Ｔｃｒ２ｃｏｓ（ ∑∑耵ｒ２ （４） Ｍ（Ｒ ＋ｒ） ÷ｊ＝ｌ ｉ ＝ｌ ｌ＇ｒｒｒ２ １￣＋）ｃ。ｓ（ａｒｃｓｉｎ（鲁）） ±：２ （５） ∑∑（￣ｒ４／４＋耵ｒ２ ２） ＝１ ｉ＝１ ｍ 其中Ｋ＝∑∑１，为球铰的滑片总个数。＝１ｉ＝１ ２）Ａｃ≥△ 。 设滑片的弹性模量为Ｅ，，混凝土的弹性模量为 Ｅ ，在倾覆弯矩作用下受力的一组撑脚面积为Ａ ， 距球铰中心的距离为Ｄ ／２。 因球铰的整个受力过程按弹性假定计算，故滑 片与撑脚的应力与球铰处外荷载的加载顺序及过程 无关，为便于分析，设重力Ｇ与弯矩 是分级逐步 作用于球铰之上的，球铰在受力的过程中，滑片先开 始受力，撑脚开始向下发生变形，撑脚的变形△ 达 到△ 时，撑脚与滑道开始接触，此时的转体重量和 偏心弯矩分别为Ｇ和 ；随着Ｇ和 的继续增加， 撑脚开始受力，直到转体重量和偏心弯矩分别达到 最大值Ｇ＋Ｇ１和 ＋ ｌ。 此时的滑片应力可按叠加法进行计算： … 。－ｔ－０＂Ｆ＝０＂１＋ ＭＩ（ －ｙ）】（６） ｏｒｃ ＝暑 ＋＋ ＼Ｍ ｌＥ ｒ＼ ＪＤ ２－ｙ） （７） Ａｃ 其中：ｙ＝—— ，为受力撑脚与滑片组成换算截 ，＋ ｃ 面的中性轴到球铰中心的距离； Ａ ＝Ａ ＋Ａ ，为受力撑脚与滑片组成换算截 面的换算面积； ， ＝ ＋ ，ｙ２＋ 。Ｄ２。－ｙ） ＥＣ＋，ｃ ，为受力 撑脚与滑片组成换算截面的惯性矩； Ｅ。和 分别为撑脚混凝土和滑片的弹性模 量； Ａｃ和Ａ，分别为撑脚混凝土和滑片的面积； ｏｒ，为Ｇ 和 在滑片上产生的应力； ，ｃ为撑脚相对于自身中性轴的惯性矩。 当同时有两组撑脚受力时，计算公式与式（６） 和式（７）类似，仅需将撑脚面积Ａ 改用两组撑脚的 面积之和，并将撑脚距球铰中心的距离Ｄ ／２改用两 组撑脚重心到球铰中心的距离即可。 ３ 撑脚与滑道间预留空隙计算及设 定 ３．１撑脚竖向位移计算 撑脚的竖向位移主要由如下６个部分组成：① 转体重量产生的滑片竖向弹性变形；②球铰倾覆弯 矩产生的上转盘刚体倾覆转动位移；③滑片的蠕变 变形；④滑片与下转盘之间的安装空隙；⑤球铰与 上下转盘混凝土接触不密实而产生的非弹性压缩变 形；⑥上下转盘混凝土浇筑不密实而产生的非弹性 压缩变形。其中第①一③项与球铰的构造及滑片材 料有关，可通过试验得到；第④～⑥项与施工质量密 切相关，可通过严格的施工控制予以消除。 根据变形协调条件，转体重量产生的滑片竖向 变形与撑脚的竖向变形相等，故： ，ｒ Ａｃ＝ １２×Ｈ （８） ，Ｆ 其中 为滑片高度。 球铰倾覆弯矩产生的撑脚处竖向变形为： 一 ｎ／，＇ △＾，＝ ×Ｈ×ｕ ２／ （９） ／２，， １Ｌｍ 滑片的蠕变变形：四氟滑片的蠕变与应力关系 曲线应由球铰的生产厂家提供。当滑片的蠕变与应 力关系不为恒定常数时，△ 还应考虑由于两侧滑片 蠕变不同而产生的转动效应。 撑脚的总变形为：△ｃ＝△Ｇ＋△ ＋△Ｒ＋△ｓ （１０） 其中△ 为施工或制造误差而产生的撑脚变形。 ３．２撑脚与滑道间预留空隙的设定 撑脚与滑道之间的距离是球铰的重要参数，若 间距太小，转动过程出现“抵死”，这样转动摩擦阻 力会急剧增大，造成转动困难，且称重也需要撑脚与 滑道之间有一定的空隙；若间距太大，转体过程中结 构会发生大角度转动，致使滑片应力大幅增大，压坏 滑片；当结构重心高于球铰面球心时，球铰的倾覆弯 矩还会增大。撑脚作为辅助受力构件，理想的状态 为球铰的预留空隙△ 大于或等于撑脚的总变形 △。。在实际操作中，空隙预留值应大于（Ａ ＋△ ＋ ２期 但宗效：平转球铰体系最大转体重量研究 ｌ２９ △ ）计算值１Ｏ一１５ ｍｍ，以满足转动和称重的需要。 ４ 球铰最大转体重量 在工程实践中，球铰的转体重量越来越大，但球 铰的最大转体重量是否可无限增大，影响球铰转体 体系承载能力最直接的因素是聚四氟乙稀滑片和撑 脚应力。 ４．１ 影响滑片和撑脚应力的因素分析 影响撑脚应力的最主要因素是撑脚到球铰中心 的距离和撑脚面积。在转体过程中，为了尽量减小 牵引力，可通过配重来调整（Ｍ＋ ）实现；通过提 高单个撑脚面积、增加撑脚数量和加大撑脚到球铰 中心的距离可以降低撑脚内力，提高撑脚混凝土强 度等级、外套钢管可提高撑脚混凝土的允许应力。 滑片应力是决定球铰最大转体重量的决定性因 素，在一定的倾覆弯矩下，滑片的应力达到其允许应 力时的重量，就是球铰的最大转体重量。从式（１） ～式（７）可得出，影响滑片应力的因素有：滑片的总 面积，这取决于滑片的个数和单个滑片的面积；球铰 的半径；撑脚与滑道之间的空隙；撑脚面积；撑脚到 球铰中心的距离；撑脚混凝土和滑片的弹性模量的 比值。 显然，球铰中心的半径越大、球铰滑片的面积越 大、个数越多，滑片应力越小；撑脚到球铰中心的距 离越大、撑脚面积越大、撑脚距滑道的空隙越小、撑 脚混凝土和滑片的弹性模量的比值越大，滑片应力 越小。撑脚面积可通过撑脚的截面面积与撑脚个数 调整，但撑脚到球铰中心的距离受到上下转盘尺寸 的限制。 事实上，由于Ｅ ／Ｅ， ８４，比值较大，因而，远 小于，。， 又受到严格控制，所以 。在滑片中产生 的应力较Ｏｒ。相比很小；又由于Ｇ。通常比Ｇ小很 多，对于超过万吨级的球铰来讲，ｃ．一般不会超过 Ｇ的１％，Ａ 较Ａ。小很多；这样从公式（６）可以看 出，Ｏｒ 一般较Ｏｒ。小很多。也就是说，当撑脚与滑道 接触后，滑片中的应力增加很小，滑片中的应力主要 是撑脚与滑道接触之前产生的。公式（６）可以改写 成： ，１＝ ｌ＋盯， ｌ （１１） 通过控制△ 与△ 之间的关系，就可以控制Ｍ 的大小，也就是说，通过调整撑脚与滑道之间的预留 空隙，可以调整倾覆弯矩对滑片产生的应力。 ４．２滑片允许应力修正 考虑到倾覆弯矩仅在球铰的边缘局部滑片上产 生较大的应力，还受到凹坑的约束，而且属于短期受 力，另外，局部滑片的破坏，不会影响球铰的正常转 动功能，所以当考虑倾覆弯矩产生的应力时，应该允 许滑片的允许应力有所提高，这样，滑片应力的验算 公式可写为： ｒ Ｇ≤［ ］ Ｊ 几≤［ ］×ｙｎ （称重） （１２） 【 几≤［ ］Ｘ７ （转动） 其中：［ ］为滑片允许应力；ｙ， 和 为允许应力提 高系数。 正常情况下，撑脚的最大倾覆变形只发生在称 重阶段，其它情况下通过采取适当措施可严格限制 撑脚的倾覆变形；由于称重而产生应力最大值的滑 片位置相对固定，滑片的影响范围较小，所以７ｎ可 采用比７ 较大的值，本文推荐 几采用１．５， 采用 １．１。 ４．３球铰最大转体重量算例分析 球铰的两个摩擦面分别各由一块钢材刨铣而 成，目前国内可以加工的摩擦面（带四氟坑）直径最 大为４ ｍ，所以球铰半径最大为４ ＩＴ／，当滑片之间的 净距按５ ｃｍ布置时，可布置１６圈共９５８个直径为６ ｃｍ，高日为１．８ ｃｍ的滑片（忽略振捣孔），最外层滑 片距球铰中心的距离为１．８９ ｍ。目前国内采用四 氟聚乙稀材料的允许应力为１００ ＭＰａ。如果撑脚到 球铰中心的距离为５．６ ｍ，滑片的弹性模量取Ｅ ＝ ４００ ＭＰａ。假设由倾覆弯矩产生的撑脚变形△ ＝５ ｍｍ。在不考虑滑片允许应力修正的情况下，根据公 式（９）可反算由不平衡弯矩产生的滑片应力： ｆ２ ｘ０．００５ ｍ× ＼ ｒＯＭ — ２△ Ｅ，Ｒｍ＼４００ ＭＰａ×１．８９ 而ｍ Ｊ ３７．５ ＭＰａ 根据公式（４）反算最大转体重量为： Ｇ＝ Ｇ Ｘ ｒ ＝（１００一 Ｍ）Ｘ ＝（１００— ３７．５）ＭＰａ Ｘ９５８ Ｘ １Ｔ Ｘ（０．０３ ｍ） ＝１６９ ３１５ ｋＮ。 用同样的方法可计算得出当倾覆弯矩产生的撑 脚变形为１Ｏ、８和３ ｍｍ时，以及滑片的允许应力提 高后，该球铰的最大转体重量，如表２所示。 从表２可得，撑脚的允许倾覆变形是影响球铰 最大转体重量的最主要因素，如当滑片为９５８个， △ 由１０ ｍｍ变为５ ｍｍ，球铰的最大转体重量可提 高１５６％；滑片数量也是影响球铰最大转体重量的 重要因素，如△吖值为５ ｍｍ，滑片数量由９５８个增加 到１ ４３０个时，最大转体重量可提高４８％；适当提高 １３０ 湖南交通科技 ４ｌ卷 注：ＡＭ为撑脚允许倾覆变形，单位为ｉｎｍ。 滑片的允许应力，也可以提高球铰的最大转体重量， 如滑片为９５８个、△ 为１０ ｍｍ、相应的允许应力提 高５０％时，球铰的最大转体重量可提高２００％。 总之，严格限制球铰撑脚的倾覆变形、增加滑片 标准设计，２００９（１ １）． ［２］毛锁明．石环公路跨石太铁路斜拉桥转体施工技术［Ｊ］．铁道 工程学报，２００９（１）． ［３］何庭国，马庭林，徐勇，等．北盘江大桥拱圈单铰转体施工设 计［Ｊ］．预应力技术，２００７（６）． ［４］刘建红．绥芬河斜拉桥设计与转体施工［Ｊ］．铁道标准设计， ２００９（８）． 数量、适当提高滑片的允许应力，则可提高球铰的最 大转体重量。在现有的加工设备条件下，球铰最大 转体重量超过３５ ０００ ｔ是可能的。 ［５］郝小平，张宝灵，江智勇．天津集疏港公路跨铁路桥主桥转体施 工工艺研究［Ｊ］．科技创新导报，２００９（４）． ５ 结论 １）撑脚与滑道之间的预留空隙应根据滑片的 ［６］杨振江，巩天才．石景山南站跨越铁路高架斜拉桥转体施工技 术［Ｊ］．铁道建筑技术，２００４（３）． ［７］肖佳鹏．石景山南站斜拉桥转体系统施工要点［Ｊ］．铁道标准 设计，２００５（６）． 变形、施工的控制精度、称重和转动的需要综合确 定。 ［８］魏峰，陈强，马林．北京市五环路斜拉桥转动体不平衡重 ２）严格限制球铰撑脚的倾覆变形、增加滑片数 量、适当提高滑片的允许应力，则可提高球铰的最大 转体重量。 ３）在现有机械加工条件下，通过限制撑脚的倾 覆变形等措施，球铰的最大转体重量达到３５ ０００ ｔ 是可能的。 参考文献： ［１］徐升桥，刘永锋．北京市六环路斜拉桥设计关键技术［Ｊ］．铁道 称重试验分析［Ｊ］．铁道建筑，２００５（４）． ［９］陈克坚．水柏铁路北盘江大桥转体施工设计关键技术［Ｊ］．铁 道标准设计，２００４（９）． ［１Ｏ］马庭林，徐勇，何庭国，等．水柏铁路北盘江大桥设计［Ｊ］． 桥梁建设，２００１（５）． ［Ｉ１］王凤霞．新颖自锚式悬索桥设计与转体施工［Ｊ］．上海公路， ２００７（３）． ［１２］何俊．大跨度连续梁桥转体施工力学特性分析［Ｊ］．兰州： 兰州交通大学，２０１２． （上接第１２５页） ［２］Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｂｒａｎｃｈ Ａｌｂｅｒｔａ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａ— ｔｉｏｎ．Ｂｒｉｄｇｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｔｒａｔｅｇｙ Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅ／Ｍａｎｕａｌ［ｚ］．２００８． 【６］张霞．混凝土桥梁预防性养护体系研究［Ｄ］．西安：长安大 学，２０１２． ［７］张春霞，乔国栋，马少飞．混凝土桥梁预防性养护的评价体系 ［Ｊ］．现代交通技术，２ＯＬＯ（８）． ［３］Ｆｅｄｅｒａｌ Ｈｉｇｈｗａｙ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ．Ｂｒｉｄｇｅ Ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｇｕｉｄｅ［ｓ］． ２Ｏｌ１． ［８］山东省交通运输厅．预防性养护政策与关键技术研究报告（简 本）［ｚ］．２００７． ［９］交通运输部公路研究所．公路常用桥梁预防性养护技术研究一 大纲［ｚ］．２００７． ［１Ｏ］湖北省交通运输厅公路管理局．公路沥青路面预防性养护技 术指南［Ｚ］．２００７． ［４］Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂｏａｒｄ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｃａｄｅｍｉｅｓ．ＮＣＨＲＰ ｒｅｐｏｒｔ ４８３：Ｂｒｉｄｇｅ Ｌｉｆｅ—Ｃｙｃｌｅ Ｃｏｓｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｒ］．２００３． ［５］Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ｃｉｖｉｌ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏ ｓｏｕｔｈ ｃａｒｏｌｉｎａ Ｓｉｍｐｌｉｆｙｉｎｇ Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｊｏｉｎｔ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ （ｐｒ０ｊｏｃｔ ｒｅｏｒｐｔ）［Ｒ］．２０１１．