改性超高分子量聚乙烯耐磨板在萬噸級轉體球鉸中的應用

■ 蔡浩慧 王哲峰 史健

目前，我國轉體施工噸位越來越大，2．5萬t級、3．0萬t級的轉體橋梁越來越多地應用于橋梁建設施工中，轉體橋梁核心構件——球鉸的耐磨板普遍采用點狀式聚四氟乙烯滑片加工而成。隨著高分子材料的發展，改性超高分子量聚乙烯耐磨板材料開始應用于橋梁轉體球鉸中。改性超高分子量聚乙烯具有超強的耐磨性、自潤滑性，強度高、化學性質穩定、抗老化性能強等特點，球鉸耐磨板可充分利用其性能特點。轉體施工時，球鉸需在前期進行預埋，至正式轉體作業時間較長，改性超高分子量聚乙烯化學性質穩定、抗老化的特點正好可以解決這一問題；而其超強的耐磨性及自潤滑性還可有效降低梁體轉動時的摩擦力，使牽引設備的選擇有更大空間。以鄭萬鐵路特大橋為例，探討和總結改性超高分子量聚乙烯耐磨板在萬噸級轉體球鉸中的應用，有助于不斷優化施工技術、提高施工效率。

1 工程概況

在新建鄭萬鐵路上行聯絡線特大橋與京廣高鐵交叉位置，需采用（73+73）m轉體T構橋上跨通過，線路夾角50°，跨越處線路平曲線半徑為2 500 m，縱坡8．9‰。由于曲線引起的橫向偏心為22．6 cm。主墩承臺采用雙層承臺，下承臺為矩形，上承臺為圓柱形，上下承臺之間設有轉體系統（見圖1）。轉體系統球鉸設計豎向承載力為100 000 kN，球鉸設計為直徑3．4 m，球面半徑為8．0 m，上下球鉸之間采用片狀式改性超高分子量聚乙烯耐磨板代替傳統聚四氟乙烯滑片。

2 耐磨板布置形式

2.1 布置形式和試驗

圖1 T構橋立面圖

改性超高分子量聚乙烯耐磨板的布置采用片狀式，單個耐磨板為扇形，其上設置儲脂槽。耐磨板按尺寸分成3組鑲放在下球鉸的環形槽中（見圖2），通過粘接劑及螺釘固定在下球鉸的環形槽內，為保證耐磨板與下球鉸的粘接牢固，需對耐磨板安裝槽口內進行拉毛處理。

由于此種耐磨板首次使用于萬噸級轉體橋梁中，為了驗證在橋梁轉體過程中耐磨板不會發生相對錯動從而影響轉體的順利進行，需在多功能試驗機上進行模擬使用工況的試驗。試驗中，耐磨板分片數量按照8片布置，直接鑲嵌在安裝槽口中，不使用螺釘緊固，不使用粘接劑；按照耐磨板面壓為15．8 MPa（此工程應用中耐磨板實際面壓小于12．0 MPa）施加壓力；并按照10 mm/s的速度進行滑移，滑移位移為±180 mm，往返循環3次。試驗結果顯示（見圖3），耐磨板未脫出安裝槽口，也未發生相對錯動，說明球鉸耐磨板按圖2布置合理可行。

2.2 耐磨板性能

耐磨板安裝時，與下球鉸接觸面采用粘接劑進行連接，粘接劑采用高性能結構粘接丙烯酸脂膠，專業用于改性超高分子量聚乙烯材料與Q345材料的粘接，且耐磨材料的粘接面進行拉毛處理，以保證兩者之間的粘接效果良好，性能優良。耐磨板和粘接劑固化后的物理性能見表1[1]。

2.3 布置形式比較

對比耐磨板片狀式改性超高分子量聚乙烯耐磨板布置形式和可采用和點狀式聚四氟乙烯滑片布置形式，工程中采用的改性超高分子量聚乙烯耐磨板片狀式布置形式具有以下優點：

（1）在球面面積相同的情況下，耐磨板的面壓更小，安全系數更高；

（2）耐磨板嵌入深度低，可減小球面鋼板的厚度，易于球冠的制作，降低成本；

圖2 球鉸耐磨板布置示意圖

圖3 試驗后耐磨板的狀態

（3）采用的耐磨板材料為超高分子量聚乙烯，材料屬性優于普通聚四氟乙烯，在15 MPa的壓力下，壓縮變形約為0．3 mm，砂筒撤除后梁體基本無沉降，有利于整個轉體系統的穩定性；

（4）球冠加工面難度小，可以直接在一道工序內完成，易于保證球面及沉槽的加工精度。

3 耐磨板的實際應用

3.1 現場安裝

耐磨板安裝前，需先將球鉸采用紗布擦拭干凈，如有銹跡或被混凝土污染的部位可采用布輪拋光的方法進行清除，并仔細核對球鉸安裝槽口與耐磨板的對應編號是否一致。安裝應按照由內到外的順序，在每片耐磨板相對應的下球鉸槽口內涂抹粘接劑，并采用螺釘固定，并保證螺釘沉入耐磨板內1～2 mm，防止后期轉體過程中劃傷上球鉸、增大摩擦力。

改性超高分子量聚乙烯耐磨板是一種熱塑性工程塑料，所以對溫度較為敏感，因此耐磨板安裝時間的選擇較為重要。耐磨板安裝必須避開混凝土的水化熱，一般在下球鉸下的混凝土澆筑完成7 d以后進行耐磨板的安裝，且現場安裝應選擇在早晨或晚上溫度較低且無降雨的時段進行[2]。耐磨板現場安裝見圖4。

3.2 工程應用情況

T構橋主梁平行于既有高鐵，在施工完成并拆除支架后，進行轉體前的稱重配重及試轉體等轉體前準備工作。按照設計最大靜摩擦系數0．1、最大動摩擦系數0．06，計算可知，該T構橋的最大啟動牽引力為1 111 kN，轉動牽引力為667 kN?？紤]到T構橋為曲線橋，橫向配重難以達到理想狀態，故轉動過程時考慮有1個撐腳與滑道接觸，并控制撐腳的反力在2 000 kN以內，故最大啟動牽引力為1 209 kN，轉動牽引力為725 kN。

表1 耐磨板和粘接劑固化后的的物理性能

圖4 耐磨板現場安裝

根據現場實際試轉體的情況，試轉體過程中有一個撐腳與滑道接觸，并通過配重控制撐腳反力[3]?，F場實際測定3、5、10、20 s點動操作各3次，共計12次轉動操作。最大啟動牽引力為277 kN，最大轉動牽引力為212 kN。根據以上結果可知，最大靜摩擦系數實際僅有0．03左右，遠小于設計值。因此，在轉體過程中的牽引設備、牽引索等均具有較大的動力儲備，同樣也減少了助推系統的設置。

由于該T構橋轉體時間為11月下旬，所在施工區域的風力較大，而球鉸的摩擦系數較小，在臨時鎖定、砂箱等裝置拆除后，梁體的自平衡較差。在試轉體完成后、正式轉體之前，應加強梁體的監控，并設置臨時支撐系統以保證梁體在試轉體后正式轉體前的穩定。根據對梁體受力情況的模擬，在上下轉盤之間設置10道雙拼工28支撐型鋼，型鋼頂部設置木楔塊以便于正式轉體時的拆除，并按照稱重情況進行布置（見圖5）。

梁體球鉸的摩擦系數小，在轉體點動階段的制動力也將減小，所以慣性引起的梁端位移將相應變大。因此，在試轉體過程中應當認真測定不同點動時長引起的梁端位移。根據實際施工的測試結果顯示，3 s點動時長梁端位移距離為42．7 mm，5 s點動時長梁端位移距離為71．3 mm，10 s點動時長梁端位移距離為153．3 mm，20 s點動時長梁端的位移距離為281．3 mm。

圖5 T構橋上下轉盤之間臨時支撐布置圖

4 結束語

新建鄭萬鐵路上行聯絡線特大橋上跨京廣高鐵萬噸級T構橋于2017年11月22日成功轉體完成。整個轉體過程中，球鉸的轉動狀態良好。改性超高分子量聚乙烯耐磨板有效降低了球鉸的摩擦系數，從而降低了梁體轉動過程中的牽引力，減小轉體過程牽引設備的級別，增大了牽引力的儲備，為今后大噸位轉體提供了成功的運用經驗。在轉體球鉸中充分利用改性超高分子量聚乙烯的耐磨性、自潤滑性、耐候性和抗老化性等特點，能取得較傳統球鉸采用的聚四氟乙烯滑片更好的使用效果。