» » Влияние свойств опорных частей на прочность

Влияние свойств опорных частей на прочность

23.04.2016

Co свойствами и особенностями опорных частей связана зависимость противодействующих сил от деформаций (характеристика упругости) или от нагрузки (коэффициент трения).
Катковые опорные части. В катковых опорных частях коэффициент трения возрастает с увеличением нагрузки. Коэффициент трения для обычных опорных частей, которые в течение более чем 10 лет изготовляют из материалов по нормам ДИН 1050, при использовании допускаемых напряжений смятия в неблагоприятнейших случаях уже в эксплуатационном состоянии превышает 3%. По ДИН 1072 коэффициент трения принимают равным 3%. Это несоответствие следует учесть при переработке норм.
Наиболее распространены катковые опорные части из высококачественной стали. При установлении для них допускаемых напряжений смятия и коэффициента трения в основу положили неблагоприятнейшую экспериментальную кривую зависимости коэффициента трения качения от напряжений смятия по Герцу (рис. 2.4). При этом соответствующий коэффициент трения (например, 1,5%) для учета факторов, непосредственно влияющих на коэффициент трения (например, загрязнения), уменьшали с помощью паушального коэффициента 0,8 (т. е. до μ = 1,25%). Соответствующие уменьшенному коэффициенту трения напряжения смятия по Герцу p(μ1) этой невыгоднейшей кривой принимали в качестве напряжений от расчетной предельной нагрузки сооружения. Из этой предельной нагрузки получают полезную нагрузку уменьшением в соответствии с коэффициентом запаса v. Для напряжений смятия по Герцу это означает уменьшение с учетом √v вследствие соотношения
Влияние свойств опорных частей на прочность

При этом в основу был положен коэффициент запаса v = 2,1. Здесь N — вертикальная нагрузка на единицу длины. Дополнительно проверяют, остаются ли пластические деформации при статически допустимой нагрузке меньше 0,3‰.
Если коэффициент запаса для сооружения меньше 2,1, например, 1,75, то во многих случаях можно теоретически принимать коэффициент трения, меньший допускаемого. Однако этого следует избегать, так как трудноучитываемые факторы, например, перекосы, могут быть причиной значительных коэффициентов трения.
Влияние свойств опорных частей на прочность

В таких случаях должны обеспечить особенно тщательные изготовление и условия содержания опорных частей. Допускаемый техническими условиями коэффициент трения менее чем 1,5% поэтому ограничен уровнями нагрузки, которая не играет решающей роли при расчетах катков. При большой нагрузке на катки и неиспользовании допускаемых напряжений смятия следует исследовать конструкцию при коэффициенте трения, равном 1,5%.
С увеличением напряжений смятия кривая коэффициента трения более или менее круто в зависимости от материала поднимается кверху. Практически это означает, что при высоких напряжениях смятия в контактной поверхности может наблюдаться значительное пластицирование, исключающее дальнейшее качение катков, поскольку материал их обладает способностью пластицироваться. Таким образом, при определенных напряжениях смятия такие катковые опорные части в отношении своей подвижности могут работать аналогично неподвижным опорным частям. Реактивная сила в этом случае больше не зависит от нагрузки, а только от упругости конструкции. Между сопротивлением трения HR катящейся опорной части и упругим сопротивлением He конструкции вследствие блокировки опорной части при пластицировании имеется переходный участок (рис. 2.5).
Существуют еще две другие верхние границы реактивной силы, которые, если они ниже, могут быть вместо первых, — это сопротивление трения скольжения HG и сопротивление Hk (рис. 2.6) повороту деформированного катка.
Сопротивление трения скольжения определяется формулой
Влияние свойств опорных частей на прочность

где V — нагрузка; — коэффициент трения скольжения для стальных поверхностей.
Следует учитывать, что в рассматриваемом случае, являющемся катастрофическим нагружением, пластицируются не только контактные поверхности катков, но и опорные плиты, вследствие чего повышается сопротивление — сопротивление повороту деформированного катка (см. рис. 2.6):
Влияние свойств опорных частей на прочность

где r — радиус катка и b — половина ширины пластицированной поверхности.
Если расчет показывает, что конструкция может без повреждений воспринимать усилия He, HG и Hk, то следует проверить, как действует на конструкцию скатывание катка с поверхности качения или другой выход его из строя, например разрушение вследствие неправильной термической обработки.
В гибких сооружениях всегда следует учитывать, что расчетной горизонтальной силе HR от трения качения соответствует упругое перемещение Ve между пролетным строением и основанием, которое в мостах можно легко определить по изгибной жесткости опор. Перемещения от усадки, ползучести, температуры и предварительного напряжения очень часто происходят как один процесс в различных направлениях. Максимально возможные в одном направлении деформации Vd приближенно определяются перемещением, которое соответствует наибольшей разности температур днем и ночью (в ФРГ ~20°С). Если Vd≤Ve, то каток не будет катиться, так как упругое сопротивление меньше сопротивления трения качения.
При частичных разгружениях наблюдается обратное перемещение опорных частей. Это связано с опасностью схода катков с опорных плит, если опора не возвращается в исходное состояние вследствие ползучести.
Опорные части скольжения. В политетрафторэтиленовых опорных частях скольжения коэффициент трения уменьшается с возрастанием напряжений смятия. Если известен коэффициент трения для напряжений смятия от υ-кратной нагрузки (υ-коэффициент запаса по отношению к предельной нагрузке сооружения), то его следует учитывать при исследованиях величины предельной нагрузки.
Необходимо также принимать во внимание, что допускаемые коэффициенты трения установлены лабораторными исследованиями при температуре -35°С. Если наименьшая температура, действующая на опорные части, значительно выше, чем -35°С, то это выгодно учитывать, так как коэффициент трения составляет, например, при комнатной температуре лишь около 25% величины, соответствующей температуре -35°С.
Кроме того, допускаемые значения учитывают определенный качественный износ как результат частичного скольжения всухую. Этот фактор естественно исключается или значение его уменьшается при повторной смазке опорных частей, для выполнения которой необходим, как правило, их подъем.
Если бы смогли обеспечить постоянную комнатную температуру опорных частей и их регулярную смазку, то можно было бы легко получить при высоких напряжениях смятия коэффициенты трения, значительно меньшие 1%, т. е. меньше, чем для высоконагруженных катковых опорных частей.
Рассмотрение предельных условий здесь более благоприятное, чем для катковых опорных частей, поэтому в сомнительных случаях лучше применять опорные части скольжения.
Условия, при которых получено выражение Vd≤Ve, справедливы и для опорных частей скольжения. Несмотря на меньшие напряжения смятия, здесь также наибольшей нагрузке соответствует наибольшая горизонтальная сила. За деформации можно принять максимально возможные перемещения за 24 ч, разгрузка (обратное скольжение) также наблюдается при повышении температуры. Соответствующие выводы справедливы для учета эксцентриситета опорных частей с шаровым сегментом, зависящего от трения.
Далее показано, что коэффициент трения уменьшается при увеличении напряжений смятия, снижении скорости и повышении температуры. Это качественно не зависит от того, смазана опорная часть или нет.
Установленные в технических условиях коэффициенты трения были получены в лаборатории при соответствующих напряжениях смятия, температуре -35°С и скорости скольжения 0,4 мм/с. Испытуемые опорные части смазывали. Пока смазка была достаточной, можно было исходить из того, что коэффициенты трения очень редко достигают заданных величин, а именно при редко наблюдающейся температуре -35°С, максимальной нагрузке и перемещениях.
Более тщательно требуется изучить вопрос, что произойдет, если, несмотря на наличие смазочных гнезд, запас смазки будет израсходован и коэффициент трения заметно возрастет. Идеальным является повторное смазывание опорной части, которое, вероятно, следует производить через каждые 5 лет. Эта операция затруднительна, так как связана с необходимостью подъема конструкций моста. Затраты на эти работы, как правило, превышают стоимость опорных частей.
После постройки сооружения перемещения опорных частей обычно связаны с колебаниями температуры (в балочных мостах — в основном продольные перемещения), деформациями от подвижной нагрузки (например, вследствие вращения пролетных строений балочных мостов), с усадкой и расширением бетона, деформациями грунта.
Усадкой и расширением бетона в общем можно пренебречь. Деформации грунта происходят очень медленно, поэтому оцениваются как более благоприятные, чем температурные перемещения. В связи с этим более детально рассмотрим перемещения от колебаний температуры и подвижной нагрузки для массивных балочных мостов, строящихся наиболее часто.
Наибольшие колебания температуры в течение суток в ФРГ не превышают 24°С. Принятие изменения температуры массивного моста в течение 24 ч на 24°С поэтому не соответствует реальным условиям и едва ли возможно для обычно применяемых поперечных сечений балочных мостов.
В длинных мостах неподвижная точка обычно находится в их середине. Для моста без деформационных швов длиной 720 м величина секции, для которой рассчитывают перемещения, составит 360 м. Более длинные сооружения без деформационных швов строят редко. Максимальная скорость скольжения наиболее удаленной от неподвижной точки опорной части скольжения в этом случае составит
Влияние свойств опорных частей на прочность

Эта скорость скольжения составляет примерно сотую часть скорости скольжения, положенной в основу лабораторных исследований (путь скольжения за сутки в данном случае составляет 8,6 см). Маловероятно, что температура будет находиться вблизи -35°С. Можно предполагать, что такие очень медленные перемещения опорных частей не вызовут опасно высоких коэффициентов трения, в том числе в опорной части с недостаточно эффективной смазкой вследствие износа и скольжения всухую.
Для исключения возможных повреждений необходимы более точные исследования. Тогда можно было бы не опасаться, что в массивных мостах при температурных перемещениях в течение срока службы сооружения могут появиться повреждения вследствие высоких сил трения при скольжении всухую. В литературе имеется мало данных о коэффициентах трения при экстремально низких скоростях скольжения. В связи с этим также полезны систематические исследования.
При определении перемещений от подвижной нагрузки можно принять угол поворота равным 0,005. При расстоянии между опорной частью и нейтральным волокном 1 м перемещение от подвижной нагрузки mах е = ±0,005*1000= ±5 мм.
Кроме того, следует учесть дополнительное смещение вследствие вращения над неподвижной опорной частью. Однако в большинстве случаев оно настолько мало, что при расчете плит скольжения им часто пренебрегают.
Скорость скольжения при воздействии подвижной нагрузки можно оценить лишь приближенно. Наибольшие повороты соответствуют очень медленному движению. Можно принять, что полный поворот происходит за несколько секунд. Если считать продолжительность деформации равной 5 с, то скорость скольжения составит 1 мм/с, что соответствует экспериментальной величине при температуре -35°С. Можно считать, что при деформациях от подвижной нагрузки принятая величина коэффициента трения гарантируется лишь при нормальной смазке, причем даже при высокой скорости следует предполагать, что температура несколько благоприятнее, чем -35°С.
Если смазка становится менее эффективной вследствие скольжения всухую, то коэффициент трения увеличивается. Однако даже в неблагоприятнейших случаях он должен быть ниже примерно 0,1. Альтернативой повторной смазке являлись бы исследования, касающиеся устойчивости опор при коэффициенте трения 0,1, и, если это не обеспечивается, возможности восприятия ими перемещений mах е на уровне опорной части без повреждений.
Условиям устойчивости при коэффициенте трения 0,1 удовлетворяют компактные устои и речные опоры, а перемещения mах е обеспечиваются при высоких опорах мостов через долины.
В случае неудовлетворительных результатов исследований безусловно необходимы обследования и соответствующий уход за опорными частями. Другое возможное решение в таких случаях — применение эластомерных опорных частей скольжения. В такой опорной части высотой T при смещении е и площади опорной поверхности F появляется, как известно, реактивная сила
Влияние свойств опорных частей на прочность

что соответствует эффективному коэффициенту трения при напряжениях смятия σ:
Влияние свойств опорных частей на прочность

Если при воздействии подвижной нагрузки этот эффективный коэффициент трения должен быть не более 0,02, то при напряжениях смятия о=150 кгс/см2 и G=10 кгс/см2 отношение е/Т должно быть ≤0,3. Следовательно, для приведенного выше примера (перемещение 5 мм) T≥17 мм, т. е. можно применять эластомерные опорные части с небольшой полезной высотой.
Стаканообразные опорные части. Рассмотрение предельных условий для стаканообразных опорных частей особенно просто.
В неблагоприятнейшем случае (недостаточность зазора для вращения, хрупкость эластомера при предельном охлаждении, выдавливание эластомера при перегрузке или выходе из строя уплотнения) эксцентриситет может определяться величиной радиуса стакана, с учетом того, что поворот пролетного строения больше упругого поворота верха опоры от такого эксцентриситета. Порядок анализа здесь такой же, что и для катковых опорных частей и опорных частей скольжения.
Если стаканообразная опорная часть является шарнирным элементом под опорной частью скольжения, то при предельных эксцентриситетах зазор скольжения закрывается. При этом трение стали по стали фактически блокирует элемент скольжения. Верхний предел коэффициента трения 0,10 в таком случае естественно будет превышен.
Деформирующиеся опорные части. Проблемы точного расчета эластомерных опорных частей изложены в пп. 5 и 6. Статические выводы при рассмотрении предельных условий для деформирующихся опорных частей следующие.
Распределение внешних горизонтальных усилий от пролетного строения на опоры зависит от истории загружения, скорости загружения и температуры. Так как при прочих одинаковых условиях сопротивление возрастает с увеличением деформаций, величину деформаций от внешней нагрузки иногда переоценивают. Напротив, величина нагрузки на основе полученных деформаций отражается реально, так что в общем это идет в запас прочности. Опорная часть, опора и основание представляют собой три последовательных упругих элемента, работу которых необходимо исследовать в общей системе. Повышение нагрузки до исчерпывания запаса прочности связано не только с вертикальными и горизонтальными силами, но логически и с перемещениями и кручением, так что в общем касательные напряжения в опорных частях также возрастают в v раз.
Гипотезы разрушения деформирующихся опорных частей пока неизвестны. Если такие опорные части подвержены небольшому циклу нагружений или деформаций вращения и сдвига значительно меньше допустимых величин, то коэффициент запаса прочности армированных эластомерных опорных частей против вертикальной нагрузки больше ~8. С точки зрения запаса прочности допустимую нагрузку, которая при больших опорных частях ограничивается допускаемыми напряжениями смятия 150 кгс/см2, можно удвоить или утроить. В критических случаях вместо расчета допустимых нагрузок, перемещений и поворотов можно вернуться к расчету сравнительных касательных напряжений по формуле ORE.
При расчете опорных частей учитывают, что характер загружения их зависит от опирания всего сооружения. После назначения схемы опирания в плане и выбора типа опорных частей можно производить расчет отдельных опорных частей. При непосредственном расчете опорных частей необходимо учитывать следующие данные:
1) систему моста в плане с указанием типа опорных частей и поперечного сечения моста (необходимые чертежи);
2) качество бетона (допускаемые напряжения смятия), ширину нижнего пояса, данные о повышении жесткости;
3) необходимые чертежи пролетного строения, опор, устоев с указанием осей опорных частей;
4) нагрузки и деформации:
а) основные нагрузки (вертикальные и соответствующие горизонтальные усилия);
б) основные и дополнительные нагрузки (вертикальные — максимальные и минимальные — и соответствующие горизонтальные усилия);
в) постоянную нагрузку (вертикальные и соответствующие горизонтальные усилия);
г) другие опорные усилия;
д) перемещения пролетного строения в продольном направлении моста ех (±мм) с учетом регулировочного размера ev (мм), в поперечном направлении моста еу (±мм), прочие перемещения пролетного строения);
е) повороты пролетного строения в продольном направлении tanφx (однократный и повторные) и в поперечном направлении tanφy (однократный и повторные).
Так как для резиновых опорных частей нет различия между основными и дополнительными нагрузками, достаточно учитывать данные об экстремальных значениях нагрузок и деформаций.
Большинство мостов в настоящее время строят из железобетона и предварительно напряженного бетона. Опорные части тем экономичнее, чем высококачественнее бетон, воспринимающий опорные давления. Может быть достаточным, например, выполнить из высококачественного бетона только верх опоры.
В неразрезных мостах с большим числом одинаковых пролетов можно применять одинаковые экономичные опорные части. В мостах, расположенных на уклоне, неподвижные опорные части следует располагать у низкого конца моста, чтобы при движении под уклон тормозные силы передавались устоем на грунтовое основание.
Для стальных и сталежелезобетонных мостов принципиально справедливы те же соображения, что и для бетонных мостов, однако напряжения смятия представляют интерес только по нижнему шву между опорной частью и бетонной опорой. Важным является вопрос о передаче усилий от пролетного строения на опорные части. Следует уделять внимание обеспечению достаточной жесткости пролетного строения в области опорной части и устойчивости против выпучивания при перемещениях пролетного строения.
Относительно низкий собственный вес стальных пролетных строений приводит часто к неблагоприятным условиям опирания. Так в случае загружения минимальным вертикальным усилием и соответствующим максимальным горизонтальным усилием может потребоваться анкеровка опорных частей на опоре для исключения их смещения. Это усложняет конструкцию опорных частей и увеличивает их стоимость. Разгрузка опорных частей от воздействия горизонтальных сил благодаря применению направляющих опорных частей позволяет использовать стандартные опорные части меньшей стоимости.