» » Конструкция стальных опорных частей с шаровым шарниром

Конструкция стальных опорных частей с шаровым шарниром

23.04.2016

Применение стальных неподвижных опорных частей с шаровым шарниром (рис. 3.2, а), допускающих всестороннее вращение, оправдало себя, например, в железнодорожных мостах. Горизонтальные деформации пролетного строения или опор при соблюдении норм проектирования и точном изготовлении опорных частей воспринимаются с силовым замыканием.
Эти опорные части изготовляют преимущественно из стали St 52—3 по нормам ДИН 17100 или из стального литья GS 52 по нормам ДИН 1681. Стальное литье, давно применяемое как материал для мостовых опорных частей, вытесняется конструкционной сталью лишь из-за стоимости. Однако от него полностью не отказываются, например, для опорных элементов большой толщины, которые нельзя изготовить из строительной стали.
Конструкция стальных опорных частей с шаровым шарниром

Конструкция опорных частей определяется минимально возможным соотношением между нагрузкой и горизонтальной силой — так называемым коэффициентом сдвига R=V/H.
Простейшую конструкцию получают при коэффициенте сдвига R ≥ v/μст так как в этом случае горизонтальные силы воспринимаются и передаются благодаря силам трения по поверхностям шарнира (сталь—сталь). При этом коэффициент запаса v должен составлять минимум 1,5, коэффициент трения μст (сталь по стали) принимают по нормам, причем следует учитывать, что окраска может его значительно уменьшить. При таком коэффициенте сдвига опорные части должны рассчитывать в основном только на вертикальные силы.
При коэффициенте сдвига R ≤ v/μст, но R ≥ v/μб — необходимо обеспечить восприятие горизонтальной силы между стальными поверхностями, в то время как в шве сталь — бетон сила трения еще в состоянии передавать горизонтальные силы. При применении полимерного раствора коэффициент трения может быть значительно меньше, чем при использовании обычного раствора.
Наиболее сложные конструкции получаются при коэффициенте сдвига R ≤ v/μб, когда сопротивление трения в шве сталь — бетон становится недостаточным, чтобы воспринять внешние горизонтальные силы. В этом случае действующие горизонтальные силы должны передаваться от опорных частей на бетон полностью с помощью дополнительных конструктивных мероприятии. Здесь начинаются, собственно, проблемы конструирования неподвижных опорных частей;
Стальные шарнирные опорные части, как правило, устраивают с круглыми опорными плитами. Обычная конструкция для восприятия относительно больших горизонтальных сил представлена на рис. 3.2,б. Опорные плиты можно соединять сваркой с крестообразными элементами, препятствующими сдвигу (рис. 3.2, в).
Конструкция стальных опорных частей с шаровым шарниром

Конструкция работоспособна только в том случае, если крестообразные элементы надежно забетонированы и связаны с арматурой железобетонной конструкции, что обеспечивает надежное силовое соединение опорной части с сооружением.
На неподвижную опорную часть всегда должны действовать сжимающие силы для исключения ударов (подъемов) при динамическом воздействии подвижной нагрузки и надежной передачи горизонтальных сил от пролетного строения на опоры.
Для выполнения этого требования при коэффициенте сдвига R ≤ v/μб эксцентриситет нагрузки не должен превышать величины е = M/V, где M — момент в шве.
Эксцентриситет нагрузки е в опорных частях с крестообразными элементами (см. рис. 3,2, в) должен всегда оставаться внутри ядра, т. е. M/V ≤ V/F, где W — момент сопротивления; F — площадь основания, если не должно быть раскрытия шва. Обычная поверхность ядра — круглая (рис. 3.2, г). Распределение напряжений для предельного случая
e = W/F = D/8

показано на рис. 3.2, г.
Если нагрузка не находится в пределах указанного так называемого «первого» ядра, то раскрытия шва можно избежать только применением конструкции, воспринимающей растягивающие напряжения. В этом случае в опорных частях с крестообразной анкеровкой необходимо предусматривать специальные анкеры для восприятия растягивающих напряжений.
Более проста конструкция с анкерными листами (рис. 3.3, а), пересечение осей которых находится на поверхности касания шарнира. Горизонтальную силу тогда можно разложить на сжимающую и растягивающую без появления момента.
Восприятие усилий можно улучшить приваркой к анкерным листам болтовых штырей (рис. 3.3, в). Необходимым условием работоспособности опорной части является надежная анкеровка и соединение с арматурой железобетонных конструкций. При предельном эксцентриситете l, соответствующем величине «второго» ядра (рис. 3.3, б), теоретически всегда еще минимум половина опорной поверхности находится в сжатой зоне, если выходят из строя воспринимающие растяжение элементы. Распределение сжимающих напряжений у края ядра показано на рис. 3.3, б.
Конструкция стальных опорных частей с шаровым шарниром

Другой важной проблемой является обеспечение расположения нескольких опорных частей на одной оси. Как было оказано выше, на одной опорной оси может находиться только одна неподвижная опорная часть, а остальные должны быть всесторонне подвижными (рис. 3.4, а). Перемещения опорных частей должны обеспечиваться поверхностями скольжения, для которых применяют политетрафторэтилен, избегая скольжения стали по стали, так как точно неизвестны коэффициенты трения сцепления в области стальных контактных поверхностей (контактное смятие). Катковые и тангенциальные опорные части в поперечном направлении предусматривают прежде всего неподвижными.
Расположение односторонне поперечно-подвижных опорных частей на одной оси с неподвижной (рис. 3.4,б) не является благоприятным решением, что видно из следующего.
В неподвижной опорной части, состоящей из верхней и нижней подушек (см. рис. 3.2,а), горизонтальная сила передается от пролетного строения на верхнюю подушку и затем через шов сталь—сталь на нижнюю подушку и опору. При коэффициенте сдвига R≥v/μст проскальзывания в этом шве не будет.
Конструкция стальных опорных частей с шаровым шарниром

В поперечно-подвижной опорной части (рис. 3.5) имеется шов между элементами скольжения, сопротивление трения по которому значительно меньше, чем в шве сталь—сталь. Такая опорная часть начинает воспринимать горизонтальные силы только после преодоления более или менее большого зазора х (допуск при изготовлении). Пролетное строение при этих перемещениях работает как жесткий диск, поэтому зазор х преодолевается только при одновременном проскальзывании на эту величину по шву сталь—сталь в неподвижной опорной части. Однако до этого проскальзывания вся горизонтальная сила воспримется неподвижной опорной частью. Перенапряжения этой опорной части часто бывают неизбежными, так как фактический коэффициент трения вследствие высоких удельных напряжений смятия может быть выше расчетной величины (например, ≥0,4). Поэтому поперечноподвижная опорная часть в действительности едва ли воспринимает горизонтальные силы.
Таким образом, практически целесообразно на опорной оси располагать одну неподвижную опорную часть, рассчитывая ее на восприятие всех горизонтальных сил, а остальные опорные части на этой оси предусматривать в виде относительно дешевых всесторонне подвижных опорных частей.