Принцип работы стаканообразной опорной части — передача вертикальных сил через заполненный аморфным материалом стаканообразный элемент, который допускает почти свободные небольшие и медленные повороты. Такие опорные части применяют давно. К ним относятся, например, песочные опорные части, имеющие заполненный песком стакан. С помощью песочных опорных частей можно легко опускать подмости.
Современные стаканообразные опорные части имеют заполнение из упруго-резинового материала (эластомера). Такая неподвижная опорная часть (рис. 3.17, а) обладает всесторонней шарнирностью. Вращение обеспечивается благодаря деформациям эластомера, который работает при этом как вязкая жидкость.
В данном случае речь идет о всесторонне неподвижных опорных частях, важнейшая функция которых — восприятие горизонтальных сил, поэтому здесь справедливы конструктивные предпосылки, приведенные ранее.
Опорная часть состоит, как правило, из круглого сварного или литого стального стакана, в который уложена эластомерная плита. Реже применяют опорные части прямоугольной формы в плане. В качестве материалов для опорных частей используют сталь St 52—3 и литую сталь GS 52 (по нормам ДИН 17100 и ДИН 1681).
Особое внимание следует уделять опиранию эластомера (резины) в стакане, так как при сдвиге его по стали может наблюдаться большое сопротивление трения (в обычных эластомерных опорных частях оно даже необходимо, чтобы исключить смещение их относительно элементов сооружения).
В рассматриваемых стаканообразных опорных частях трение нежелательно, так как оно препятствует поворотам. Относительно свободное вращение возможно в том случае, если по всему периметру обеспечивается минимальное трение. Для этого применяют различные способы, например, смазку или прокладки из политетрафторэтилена.
Другой важной конструктивной деталью опорных частей, создающей большие проблемы для проектирования, является уплотнение (рис. 3.17,б). Уплотнение нельзя рассчитывать, поэтому для оценки его качества необходимы экспериментальные исследования при различном количестве, величине и скорости поворотов.
Реактивный момент опорной части в настоящее время определяют по формулам, выведенным на основе испытаний моделей. Однако полностью этот вопрос еще не изучен. Систематические исследования влияния низких температур не проводятся, очевидно, из-за отсутствия специального оборудования для испытаний. Кроме того, считают, что при очень медленных деформациях противодействующий момент сильно уменьшается из-за влияния ползучести.
В ФРГ действуют различные технические условия на резиновые стаканообразные опорные части различных поставщиков, однако все расчеты таких опорных частей принципиально одинаковые. Ниже рассматриваются основные положения расчета на примере неотопфовой опорной части (см. рис. 3.17).
Для неотопфовых опорных частей определяют напряжения в эластомере, реактивные моменты, производят расчеты стального кольца, бетона на смятие в опорном шве, опорных плит, проверку на восприятие горизонтальных сил.
В расчетах приняты следующие обозначения (кроме приведенных выше):
max V и min V — наибольшая и наименьшая горизонтальные силы в продольном и поперечном направлениях моста;
H = √H2х + H2у — равнодействующая горизонтальная сила;
Mex и Mey — реактивные моменты в продольном и поперечном направлениях моста;
Me — равнодействующая реактивных моментов;
φх и φу — углы поворота опорной части в продольном и поперечном направлениях моста;
φ = √φ2x+φ2y — результирующий угол поворота;
σe — средние напряжения смятия в эластомере;
σz — растягивающие напряжения в кольце стакана;
σсв, τсв — изгибающие и касательные напряжения в сварном шве кольца стакана;
σh — главные напряжения в сварном шве кольца стакана;
D — диаметр эластомерной плиты;
TN — сдвигающее усилие на единицу длины от напряжений в эластомере;
Th — сдвигающее усилие на единицу длины от внешних горизонтальных сил;
h — толщина эластомерной плиты;
S — высота упора для восприятия внешних горизонтальных сил;
b — толщина кольца стакана;
ai — толщина внутреннего сварного шва;
аа — толщина наружного сварного шва:
tr — высота кольца стакана;
A0 и hu — плечи внешней горизонтальной силы относительно опорных швов;
D0 и Du — диаметры опорных поверхностей для определения напряжений смятия в опорных швах;
X — дополнительная конструктивная высота для восприятия горизонтальных сил при поворотах.
Напряжения смятия в эластомере
При расчете стального кольца принимают, что эластомерная плита опорной части ведет себя как жидкость, т. е. передает давление во все стороны одинаково. Из гидростатического внутреннего давления от смятия эластомера (без учета взаимодействия с основанием стакана) и равнодействующей горизонтальных сил получим растягивающие напряжения в кольце:
Напряжения в сварных швах между кольцом и основанием стакана определяют из сил и моментов. Влиянием кольца при этом пренебрегают. В расчете на 1 см длины кольца по периметру
TN = σeh.
В соответствии с техническими условиями принимают, что горизонтальная сила распределяется параболически на половине периметра кольца стакана:
При одинаковой толщине внутреннего и наружного сварных швов определяют напряжения только во внутреннем шве, который работает на растяжение при изгибе (плечо b):
Касательные напряжения рассчитывают для обоих швов:
Главные напряжения получают по формуле
Поворот верхнего элемента опорной части (стального стакана) относительно нижнего элемента вызывает дополнительные напряжения. Согласно техническим условиям это влияние учитывают реактивным моментом Me, который следует ограничивать так, чтобы эксцентриситет нагрузки всегда находился внутри ядра:
Кроме момента по этому уравнению учитывают момент, который вызывается трением по внутренней стенке стакана при воздействии одновременно с поворотом горизонтальной силы. Этот момент определяют по формуле
Этот дополнительный момент не следует переоценивать. Он действует практически только во время деформаций (в противоположность моменту Me) и исчезает сразу же после изменения направления горизонтальной силы. Однако всегда следует проверять, насколько велик момент MR, и учитывать его по аналогии с дополнительными нагрузками, если величина его превышает 20% Me:
при МR≥0,2Мe вместо изгибающего момента Me в расчете следует учитывать
Напряжения смятия в бетоне по верхнему опорному шву определяют исходя из наружного диаметра основания стакана, который служит передающей давление поверхностью. Распределение напряжений принимают равномерным. Для центральной составляющей
Максимальные и минимальные напряжения смятия рассчитывают по формулам:
Аналогично определяют напряжения смятия по нижней опорной поверхности, принимая ее в виде круга диаметром Du и подставляя Du и hu вместо D0 и h0.
По техническим условиям толщина плиты в основании стакана должна составлять минимум 1/50 ее диаметра, но не менее 12 мм. При расчете нижней плиты распределение нагрузки принимают под углом 45° до опорного шва. Плита воспринимает только напряжения сжатия, поэтому расчет на изгиб не нужен.
При расчете на горизонтальные силы прежде всего определяют коэффициент сдвига
R = V/H
и рассматривают только случаи
так как восприятие горизонтальных сил внутри опорной части обеспечивается всегда.
При расчете напряжений смятия по поверхности между кольцом стакана и выступом нижней плиты в соответствии с нормами принимают, что равнодействующая горизонтальная сила H распределяется параболически на половине периметра кольца:
Чтобы при больших углах поворота опорной части внешние горизонтальные силы передавались надежно, толщину нижней плиты, входящей в стакан, увеличивают минимум на 10 мм:
Если R≥v/μб, то действующие внешние горизонтальные силы воспринимаются трением стали по бетону. При R≤v/μб применяют анкеровку, аналогичную описанной выше для опорных частей с шаровым шарниром и тангенциальных опорных частей. При устройстве такой анкеровки особое внимание следует уделять местным напряжениям в области присоединения тонких анкерных листов.
Неподвижные опорные части с шаровым сегментом требуют большой точности при изготовлении, поэтому дороги. Такие опорные части рассмотрены при описании опорных частей скольжения.
- Бетонные и свинцовые опорные части
- Расчет стальных тангенциальных опорных частей
- Конструкция стальных тангенциальных опорных частей
- Расчет стальных опорных частей с шаровым шарниром
- Конструкция стальных опорных частей с шаровым шарниром
- Общие сведения о неподвижных опорных частях
- Влияние опорных частей на устойчивость сооружения
- Влияние свойств опорных частей на прочность
- Перемещения опорных частей
- Зависимость усилий от типа опорных частей