本发明涉及桥梁工程技术领域，尤其涉及一种可更换转体球铰及其安装方法。
背景技术：
桥梁转体技术起始于跨越山谷的拱桥的施工，其可分为竖向转体和平面转体，或为二者的结合。由于转体施工可以避免对桥下交通的干扰和影响，平面转体工艺很快就推广应用于铁路立交桥和公路立交桥的施工中。
球铰是桥梁转体时所采用的专用装置，是转体过程中上部结构的支撑体系和转动体系。以往的桥梁转体大多数采用墩底转体方式，将球铰安装在墩底与承台基础之间，转体完成后，二次浇筑混凝土实现桥墩与基础之间的固结。
墩顶转体是近年来发展起来的一项新技术、新工艺。采用墩顶转体工艺，由于充分利用了墩顶与梁体之间的支座空间位置布置转体球铰，可以减少由于墩底转体所增加的上转盘圬工和二次浇注的混凝土数量，转体重量得到较大幅度的减小，在取得较好的经济效益的同时可有效缩短施工工期。特别值得关注的是，由于墩顶转体降低了转体时结构的重心，减小了转体时的倾覆力矩，可显著提高转体作业的安全性，故近年来得到工程界的关注和青睐。
目前国内已采用的墩顶转体工艺做法是：将转体球铰设置在墩顶中心与箱梁中心处，待连续梁上部结构施工完成，按照传统的转体方法进行桥梁转体。转体结束后，用千斤顶将连续梁顶起，拆除中心的转体球铰，之后安装永久支座，千斤顶卸载使连续梁重量转移至永久支座承受，完成结构体系的转换。
由于墩顶转体完成后，必须采用千斤顶将连续梁顶起，方可使转体球铰卸载移出，在安装永久支座过程中，数千吨的上部结构重量始终由千斤顶所承受，存在一定的施工安全风险，而这种顾虑正是制约和影响墩顶转体技术进一步推广的主要因素。
因此，如何设计一种能够在承重状态下方便卸载更换的可更换转体球铰是本发明人潜心研究的课题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种可更换转体球铰及其安装方法，其能够在承重状态下方便卸载更换，其平面尺寸减小，结构刚度提高，生产成本大幅降低。
为了实现上述目的，本发明提供一种可更换转体球铰，其中由上向下包括球铰上盘、球铰下盘、滑块组及滑块底座，所述球铰下盘、滑块组及滑块底座通过可拆卸连接件箍紧为一体，并固定于下座板上，所述滑块组是由多个可侧向移出球铰下盘与滑块底座之间的滑块组成的环状体，所述球铰上盘滑动安装于连接件内腔上部，所述球铰上盘固定于上座板下面。
优选地，所述滑块为楔形块，多个所述滑块组成内缘薄外缘厚的回转体。
优选地，所述滑块与球铰下盘的配合面斜度、所述滑块与滑块底座的配合面斜度均为1：8～1：12。
优选地，所述球铰上盘下表面为凸球面，所述球铰下盘上表面为与所述凸球面匹配的凹球面。
优选地，所述球铰上盘与球铰下盘之间、所述球铰下盘与滑块组之间、所述滑块组与滑块底座之间分别设置有摩擦副。
优选地，所述摩擦副是由镀铬层和超高分子量聚乙烯滑板组成。
优选地，所述镀铬层厚度不小于100微米，所述超高分子量聚乙烯滑板的分子量大于600万。
优选地，所述连接件包括两个形状对称的半环状箍体，所述箍体的两侧端分别设有连接部，两个所述箍体的连接部之间通过螺栓连接在一起。
优选地，两个所述箍体的外侧面分别设置有多个半环状的横向加强肋及多个竖向加强肋，位于所述箍体下端的横向加强肋通过螺栓固定于所述下座板的上表面。
优选地，所述上座板下方连接中心具有通孔的定位板，所述定位板与所述箍体上端横向加强肋之间留有间隙，所述球铰上盘被定位板中心通孔予以约束和定位。
优选地，所述球铰上盘与两个箍体之间为间隙配合。
优选地，所述上座板和下座板均由壳体内填充rpc材料制成。
一种可更换转体球体安装方法，其包括如下步骤：
（1）球铰下部安装步骤：将下座板固定于基础建筑上；
（2）球铰组装步骤：将滑块底座、滑块组、球铰下盘及球铰上盘由下向上依序安装于下座板上面，且上下对中；
（3）球铰固定步骤：通过连接件将滑块底座、滑块组及球铰下盘箍紧整体固定于下座板上，将球铰上盘固定于上座板上。
优选地，所述步骤（1）中将球铰下部的下座板采用角钢支架支撑，使下座板顶面标高与待浇筑的基础建筑顶面齐平，并加以固定，然后浇筑基础建筑混凝土，利用下座板的预留孔进行辅助振捣和排气，使得下座板固定于基础建筑上。
采用上述方案后，本发明可更换转体球铰及其安装方法具有以下有益效果：
（1）本发明通过设置可侧向移出球铰下盘与滑块底座之间的楔形滑块，并且通过将滑块与球铰下盘、滑块底座接触的面均设置为斜率1：8～1：12的斜面，保证转体球铰在承压状态下不致发生自锁，便于更换时将滑块侧向移出，从而实现转体球铰在承压状态下的卸载和移出，完全避免了传统工艺中采用千斤顶顶梁作业工序，极大地提高了施工安全性和工作效率；
（2）本发明可更换转体球铰的承载力由球铰上盘与球铰下盘之间、球铰下盘与滑块组之间、滑块组与滑块底座之间设置的摩擦副的超高分子量聚乙烯滑板容许应力控制，而现有的球铰是由球面钢板下的混凝土容许应力控制，由于本发明容许应力控制为现有球铰的三倍左右，因此本发明转体球铰与现有球铰相比，平面尺寸可减小40%，结构刚度有大幅度提高，更有利于工厂加工、构件运输和现场安装精度控制和质量保证，同时，球铰的生产成本得到较大幅度降低；
（3）本发明可更换转体球铰通过位于上方的上座板和下方的下座板实现传力扩散，以减小集中荷载在混凝土中的分布应力，实现了转体球铰结构尺寸小型化的目的；
（4）本发明可更换转体球铰取消了现有球铰的中心定位钢筒和定位销轴，采用由环状连接件与球铰上盘组成的定位系统，不仅使转体球铰结构受力更合理，并避免了转体球铰拆除时抽取中心销轴所带来的困难；通过环状连接件对球铰下盘进行限位约束，保证球铰上、下盘转动中心的重合，与现有球铰相比，本发明受力更为合理；
（5）本发明可更换转体球铰通过在上座板下面连接定位板对球铰上盘、滑道撑脚以及转体驱动系统实施安装定位，与传统的球铰安装方式相比，具有安装误差小、工作效率高等突出优点。
附图说明
图1为本发明可更换转体球铰实施例一的结构示意图；
图2为图1的i-i向剖视结构示意图；
图3为本发明可更换转体球铰实施例二的结构示意图。
具体实施方式
下面根据附图所示实施方式阐述本发明。此次公开的实施方式可以认为在所有方面均为例示，不具限制性。本发明的范围不受以下实施方式的说明所限，仅由权利要求书的范围所示，而且包括与权利要求范围具有同样意思及权利要求范围内的所有变形。
下面结合说明书附图具体的阐述本发明所涉及的可更换转体球铰及其安装过程。
如图1所示本发明可更换转体球铰实施例一结构示意图，其由上向下依次包括球铰上盘1、球铰下盘2、滑块组及滑块底座3，球铰上盘1、球铰下盘2、滑块组及滑块底座3均由铸钢材料制成，本实施例采用的铸钢材料为zg270-500。球铰上盘1和球铰下盘2均为圆柱形，其中球铰上盘1的下表面为凸球面，球铰下盘2的上表面为与凸球面匹配的凹球面。
滑块组是由多个可侧向移出球铰下盘2与滑块底座3之间的滑块4组成的环状体，本实施例滑块4为楔形块，多个滑块4组成内缘薄外缘厚的回转体。滑块4与球铰下盘2的配合面斜度、滑块4与滑块底座3的配合面斜度均为1：8～1：12，本实施例斜度为1：10，以保证转体球铰在承压状态下不致发生自锁，便于更换时将滑块组侧向移出。球铰下盘2的下表面为与滑块组上表面贴合的上端大下端小的圆台面。滑块底座3的上表面为与滑块组下表面贴合的上端小下端大的圆台面。
球铰下盘2、滑块组及滑块底座3通过可拆卸连接件5箍紧在一起，连接件5是由q345钢材制成。结合图2所示，连接件5包括两个形状对称的半环状箍体6，箍体6的两侧端分别设有连接部7，两个箍体6的连接部7之间通过高强螺栓连接在一起。两个箍体6的外侧面分别设置有多个半环状的横向加强肋8及多个竖向加强肋9，多个横向加强肋8和多个竖向加强肋9交叉连接。位于箍体6下端的横向加强肋8通过地脚螺栓固定于下座板10的上表面，下座板10是由钢壳体内填充rpc（活性粉末混凝土）材料制成。下座板10埋设于混凝土桥墩的顶面。
球铰上盘1滑动安装于两个箍体6组成的内腔上部，球铰上盘1与两个箍体6之间为间隙配合，使转体球铰可顺利转动的同时，又能保证球铰上盘1与球铰下盘2的转动中心重合。球铰上盘1固定于上座板11的下面,上座板11是由钢壳体内填充rpc（活性粉末混凝土）材料制成。上座板11与待转动的桥梁上部结构的底部混凝土浇筑为一体。
本实施例可更换转体球铰的安装方法，包括如下步骤：
（1）球铰下部安装步骤：将下座板10采用角钢支架支撑，使其顶面标高与待浇筑的桥墩顶面齐平，仔细调整下座板10的水平度后加以固定，然后浇筑墩顶混凝土，利用下座板10的预留孔进行辅助振捣和排气，以保证下座板10下方混凝土的密实，使下座板10固定于桥墩顶面上；
（2）球铰组装步骤：依序将滑块底座3、滑块组、球铰下盘2及球铰上盘1吊装就位，利用定位销使滑块底座3、滑块组、球铰下盘2及球铰上盘1整体保持对中；
（3）球铰固定步骤：吊装连接件5，通过高强螺栓将两个箍体6拧紧将滑块底座3、滑块组、球铰下盘2整体箍紧，抽出定位销，用地脚螺栓将连接件5固定在下座板10上；将球铰上盘1上端固定于上座板11上，使球铰上盘1的下部伸入两个箍体6组成的内腔上部。
本实施例可更换转体球铰安装完毕，便可进行上部结构梁体的混凝土施工及后续的桥梁转体作业程序。待桥梁转体到预定位置后，进行墩顶支承垫石施工，安装桥梁永久支座，之后即可进行球铰的卸载和移出工作。该工具具体操作步骤为：
首先松开安装于连接件5上的高强螺栓和地脚螺栓，将连接件5移出墩顶；用钢楔打入滑块4间的空隙，使多个滑块4从侧向移出转体球铰，使转体球铰实现卸载，球铰上盘1、球铰下盘2下落，按照先滑块组，后滑块底座3、球铰下盘2、球铰上盘1的顺序将各部件从墩顶横向移出，墩顶转体后的体系转换工作即完成。
如图3所示本发明可更换转体球铰实施例二的结构示意图，其由上向下依次包括球铰上盘1、球铰下盘2、滑块组及滑块底座3，球铰上盘1、球铰下盘2、滑块组及滑块底座3均由铸钢材料制成，本实施例采用的铸钢材料为zg270-500。球铰上盘1和球铰下盘2均为圆柱形，其中球铰上盘1的下表面为凸球面，球铰下盘2的上表面为与凸球面匹配的凹球面。
滑块组是由多个可侧向移出球铰下盘2与滑块底座3之间的滑块4组成的环状体，本实施例滑块4为楔形块，多个滑块4组成内缘薄外缘厚的回转体。滑块4与球铰下盘2的配合面斜度、滑块4与滑块底座3的配合面斜度均为1：8～1：12，本实施例斜度为1：10，以保证转体球铰在承压状态下不致发生自锁，便于更换时将滑块组侧向移出。球铰下盘2的下表面为与滑块组上表面贴合的上端大下端小的圆台面。滑块底座3的上表面为与滑块组下表面贴合的上端小下端大的圆台面。
球铰上盘1与球铰下盘2之间设置有球面第一摩擦副14，第一摩擦副14是由设置于球铰上盘1下表面的镀铬层和设置于球铰下盘2上表面的超高分子量聚乙烯滑板组成。转体球铰的平面转动和少量的竖向转动由该第一摩擦副14实现。
球铰下盘2与滑块组之间设置有圆台面第二摩擦副15，第二摩擦副15是由设置于球铰下盘2下表面的超高分子量聚乙烯滑板与设置于滑块组上表面的镀铬层组成。
滑块组与滑块底座3之间设置有圆台面第三摩擦副16，第三摩擦副16是由设置于滑块组下表面的镀铬层和设置于滑块底座3上表面的超高分子量聚乙烯滑板组成。
上述第一摩擦副14、第二摩擦副15及第三摩擦副16的镀铬层厚度均为不小于100微米，超高分子量聚乙烯滑板的分子量均为大于600万。
球铰下盘2、滑块组及滑块底座3通过可拆卸连接件5箍紧在一起，连接件5是由q345钢材制成。参考图2所示，连接件5包括两个形状对称的半环状箍体6，箍体6的两侧端分别设有连接部7，两个箍体6的连接部7之间通过高强螺栓连接在一起。两个箍体6的外侧面分别设置有多个半环状的横向加强肋8及多个竖向加强肋9，多个横向加强肋8和多个竖向加强肋9交叉连接。位于箍体6下端的横向加强肋8通过地脚螺栓固定于下座板10的上表面，下座板10是由钢壳体内填充rpc（活性粉末混凝土）材料制成。下座板10埋设于混凝土桥墩的顶面。
球铰上盘1滑动安装于两个箍体6组成的内腔上部，球铰上盘1与两个箍体6之间为间隙配合，使转体球铰可顺利转动的同时，又能保证球铰上盘1与球铰下盘2的转动中心重合。球铰上盘1固定于上座板11的下面,上座板11是由钢壳体内填充rpc（活性粉末混凝土）材料制成。上座板11的下表面通过地脚螺栓连接中心具有通孔12的定位板13，定位板13与箍体6上端的横向加强肋8之间留有间隙，球铰上盘1被定位板13的通孔12予以约束和定位，当球铰上盘1置于定位板13的通孔12后，由于定位板13与上方埋置于梁体混凝土的上座板11连接，可以约束球铰上盘1不发生水平位移，因此无须特意采取夹持固定措施。定位板13是由q345钢材制成。上座板11与待转动的桥梁上部结构的底部混凝土浇筑为一体。
本实施例可更换转体球铰的安装方法，包括如下步骤：
（1）球铰下部安装步骤：将下座板10采用角钢支架支撑，使其顶面标高与待浇筑的桥墩顶面齐平，仔细调整下座板10的水平度后加以固定，然后浇筑墩顶混凝土，利用下座板10的预留孔进行辅助振捣和排气，以保证下座板10下方混凝土的密实，使下座板10固定于桥墩顶面上；
（2）球铰组装步骤：依序将滑块底座3、滑块组、球铰下盘2及球铰上盘1吊装就位，利用定位销使滑块底座3、滑块组、球铰下盘2及球铰上盘1整体保持对中；
（3）球铰固定步骤：吊装连接件5，通过高强螺栓将两个箍体6拧紧将滑块底座3、滑块组、球铰下盘2整体箍紧，抽出定位销，用地脚螺栓将连接件5固定在下座板10上；吊装定位板13和上座板11就位，调整位置准确无误后，用地脚螺栓将定位板13固定在上座板11上，并利用定位板13定位安装球铰撑脚和转体驱动体系就位，使球铰上盘1的下部伸入两个箍体6组成的内腔上部。
本实施例可更换转体球铰安装完毕，便可进行上部结构梁体的混凝土施工及后续的桥梁转体作业程序。待桥梁转体到预定位置后，进行墩顶支承垫石施工，安装桥梁永久支座，之后即可进行球铰的卸载和移出工作。该工具具体操作步骤为：
首先松开安装于连接件5上的高强螺栓和地脚螺栓，将连接件5移出桥墩墩顶；用钢楔打入滑块4间的空隙，使多个滑块4从侧向移出转体球铰，使转体球铰实现卸载，球铰上盘1、球铰下盘2下落，按照先滑块组，后滑块底座3、球铰下盘2、球铰上盘1的顺序将各部件从墩顶横向移出，最后松开定位板13与上座板11间的地脚螺栓，拆除定位板13，至此，墩顶转体后的体系转换工作即完成。
本发明可更换转体球铰通过设置可侧向移出球铰下盘2与滑块底座3之间的楔形滑块4，并且通过将滑块4与球铰下盘2、滑块底座3接触的面均设置为斜率为1：10的斜面，保证了转体球铰在承压状态下不致发生自锁，便于更换时将滑块4侧向移出，从而实现转体球铰在承压状态下的卸载和移出，完全避免了传统工艺中采用千斤顶顶梁作业工序，极大地提高了施工安全性和工作效率；本发明可更换转体球铰的承载力由球铰上盘1与球铰下盘2之间设置的第一摩擦副14、球铰下盘2与滑块组之间设置的第二摩擦副15、滑块组与滑块底座3之间设置的第三摩擦副16的超高分子量聚乙烯滑板容许应力控制，该容许应力控制为现有球铰的三倍左右，因此本发明转体球铰与现有球铰相比，平面尺寸可减小40%，结构刚度有大幅度提高，更有利于工厂加工、构件运输和现场安装精度控制和质量保证，同时，转体球铰的生产成本得到较大幅度降低；通过位于上方的上座板11和位于下方的下座板10实现传力扩散，以减小集中荷载在混凝土中的分布应力，实现了转体球铰结构尺寸小型化的目的；本发明可更换转体球铰取消了现有球铰的中心定位钢筒和定位销轴，采用由环状连接件5与球铰上盘1组成的定位系统，不仅使转体球铰结构受力更合理，并避免了转体球铰拆除时抽取中心销轴所带来的困难；通过环状连接件5对球铰下盘2进行限位约束，保证球铰上盘1、球铰下盘2转动中心的重合，与现有球铰相比，本发明受力更为合理；通过在上座板11下面连接定位板13对球铰上盘1、滑道撑脚以及转体驱动系统实施安装定位，与传统的球铰安装方式相比，具有安装误差小、工作效率高等突出优点。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。