» » Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей


Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей

25.04.2016

Предварительная регулировка резиновых опорных частей возможна при условии восприятия во время транспортирования и монтажа сил, вызываемых деформациями. Это возможно, например, с помощью фиксирующих приспособлений (рис. 6.34). Необходимые деформации создают на заводе с помощью соответствующих приспособлений, причем в дальнейшем их едва ли можно корректировать. При этом можно удвоить допустимые перемещения в одном направлении при отказе от перемещений в противоположном направлении.
Опорная часть должна быть освобождена от фиксирующих приспособлений до появления деформаций от сооружения. В предварительно напряженных сооружениях следует учитывать, что после удаления фиксирующих приспособлений перед предварительным напряжением конструкции нагрузка на опорные части еще незначительна, поэтому при недостаточном трении они могут резко возвратиться в свое недеформированное состояние. По этим соображениям предварительно регулируемые опорные части из резины следует заанкеривать (против проскальзывания).
Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей

Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей

Резиновые опорные части с шаровым сегментом (рис. 6.35) в ФРГ пока не применяли. Примером успешного применения таких опорных частей является висячий мост через р. Сену у Танкарвиля.
По принципу работы резиновые опорные части с шаровым сегментом соответствуют опорным частям скольжения с шаровым сегментом. Вместо трения скольжения здесь рассматривают сопротивление деформациям сдвига.
Шаровой сегмент может состоять из бетона, как это сделано, например, в мосту № 10 вблизи аэропорта Орли. Резиновые опорные части могут быть армированными или не-армированными. В Англии в качестве неподвижных опорных частей применяют две простые конструкции опорных частей с шаровым сегментом (рис. 6.36). В ФРГ допускается применение податливо поворачивающихся опорных частей, показанных на рис. 6.37. По материалам и способам изготовления они идентичны с обычными армированными эластомерными опорными частями, допущенными к применению, и бывают незаанкеренными (тип 1) или заанкеренными (типы 2, 4 или 5). Различие между этими опорными частями состоит лишь в размерах и структуре слоев.
Каждый второй арматурный лист такой опорной части выполняют более коротким, причем наружные листы всегда доводят до краев. Толщину t и число слоев n относят к середине опорной части. Полезную толщину Т, напротив, определяют для края. Она представляет собой сумму толщин всех слоев эластомера, включая толщину укороченных арматурных листов, в ненагруженном состоянии.
По нормам допускаемый угол поворота податливой к повороту эластомерной опорной части вдвое больше, чем для обычной армированной эластомерной опорной части.
Появляющиеся при углах поворота моменты составляют лишь 25% от величины реактивных моментов обычной армированной эластомерной опорной части, а именно:
Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей

где G = 10 кгс/см2; α — угол поворота на один слой.
Учитывая большую деформируемость податливых к повороту эластомерных опорных частей, для них установлены допускаемые напряжения смятия, составляющие 80% допускаемых напряжений смятия для обычных эластомерных опорных частей:
Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей

Допускаемые деформации сдвига составляют также tanγ=0,7, однако в связи с тем, что полезная толщина этих опорных частей больше, чем обычных армированных эластомерных опорных частей, допускаемое смещение относительно общей высоты несколько больше.
Для исключения проскальзывания при напряжениях смятия менее 50 кгс/см2 опорные части следует заанкеривать.
Деформирующиеся опорные части скольжения представляют собой различные комбинации резиновых опорных частей с опорными частями скольжения. Принципиально для таких опорных частей можно использовать действующие технические условия для резиновых опорных частей и опорных частей скольжения. Кроме того, применяют опорные части, в которых политетрафторэтиленовый слой скольжения уложен с помощью вулканизации непосредственно на армированную или неармированную резиновую опорную часть. Этот тип опорных частей нашел широкое распространение прежде всего во Франции.
Характеристики опорных частей скольжения и резиновых опорных частей были рассмотрены выше, поэтому здесь речь идет только об их взаимодействии.
Резиновые опорные части предназначены почти исключительно для восприятия угла поворота на опоре, поэтому здесь можно применять податливые к повороту опорные части, рассмотренные выше, что часто бывает экономичным.
Деформации сдвига резины наблюдаются всегда, если сопротивление трения больше, чем сопротивление деформациям резиновой опорной части. Это всегда происходит при малых перемещениях. Учитывая, что 95% перемещений незначительны, суммарный путь скольжения резиновой опорной части скольжения доставляет лишь часть суммарного пути скольжения чисто опорной части скольжения. Это преимущество является существенным, так как при большом суммарном пути скольжения наблюдается ухудшение свойств политетрафторэтиленовой опорной части скольжения.
Одно из преимуществ опорных частей с резиновыми элементами состоит в том, что в случае заклинивания по шву (между плитой скольжения и несущей плитой), снижения эффективности смазки или повреждения плиты скольжения коррозией или загрязнением при правильном расчете можно использовать деформируемость резиновой опорной части.
Невозможно точно определить, произойдет ли в опорной части скольжение или деформации сдвига. В соответствующих нормах заданы только верхние предельные значения для трения и жесткости при сдвиге, в то время как здесь необходимо учитывать и нижние предельные значения. Учитывая, однако, что трение скольжения (при безупречном выполнении опорной части скольжения) всегда меньше допускаемых касательных напряжений резиновой опорной части, можно определенно сделать вывод, что реактивная сила не больше трения скольжения, а допускаемые деформации сдвига резины не будут превзойдены.
Очень практичной является комбинация односторонне неподвижной опорной части скольжения с резиновой опорной частью, которая обеспечивает, например, восприятие в поперечном направлении моста ветровых усилий и небольших дополнительных усилий, в то время как в продольном направлении моста допускается любой путь скольжения.
Это относится и к комбинации катковой и резиновой опорных частей, однако при этом следует учитывать увеличение эксцентриситета нагрузки с увеличением пути качения (см. рис. 6.32).
В зданиях все чаще применяют опорные части, элементы скольжения в которых выполнены из полиэтилена, полипропилена или других аналогичных искусственных материалов, преимуществом их является низкая стоимость. Однако коэффициенты трения таких опорных частей так высоки, что в большинстве случаев трение выше сопротивления деформированию опорной части. Тогда работает только резиновая опорная часть и скольжение не наблюдается. С помощью смазки можно значительно снизить сопротивление трения, однако трудно ожидать длительного эффекта, поэтому необходима в дальнейшем повторная смазка. Такие смазанные опорные части целесообразно применять в случае однократных больших перемещений, ожидаемых вскоре после установки опорных частей. При этом дальнейшие небольшие перемещения воспринимаются полностью резиной.
Для плоских кровель применяют опорные части фирмы «Кильхер», в которых резина скользит по резине, причем смазкой служит силикон. Такие опорные части удовлетворительно работают при однократных больших перемещениях, например от ползучести и усадки, и последующих небольших температурных перемещениях.
Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей

Монтажные опорные части представляют собой армированный одним листом резиновый элемент толщиной 10 мм (рис. 6.38, а). Они предназначены для выравнивания отклонений от параллельности плоскостей и небольших неровностей сборных элементов и прежде всего для обеспечения центральной передачи нагрузки.
Для соединения сборных элементов обычно применяют штыри или стержни, поэтому в монтажных опорных частях предусматривают сквозное отверстие в центре. При использовании материала, применяемого в резиновых опорных частях, для монтажных опорных частей можно допустить напряжения смятия 150 кгс/см2. Два слоя резины толщиной по 4 мм допускают деформации сдвига величиной 5,6 мм. Часть касательных напряжений от деформаций сжатия резиновых слоев передается на поверхность сооружения. Однако многолетний опыт показал, что они не представляют опасности для слабоармированного верхнего слоя бетона, пока толщина слоев резины не более 4 мм.
С помощью ранее полученных уравнений можно показать, что равнодействующая нагрузки остается в пределах ядра площади опорной части, пока угол наклона поверхности конструкции
Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей

При большем угле наклона появляется раскрытый шов (рис. 6.38, б), причем остающаяся рабочая ширина определяется по формуле
Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей

Катковые резиновые опорные части сильно деформируются под нагрузкой. Допускаемые нагрузки можно оценить по наблюдаемым деформациям. Для катка диаметром 20 мм они составляют 2,4-5,0 тс/пог.м. Зависимость между нагрузкой и деформациями для одного из типов резиновых катконых опорных частей показана на рис. 6.39.
С увеличением диаметра опорной части несущая способность ее повышается примерно линейно, в то время как расход материалов возрастает в квадрате. Большая деформируемость катковых резиновых опорных частей позволяет применять их для нагруженных швов с непараллельными поверхностями, например, для оболочек HP. Они пригодны также для нагруженных швов, которые должны быть плотными, но допускать перемещения.
Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей

При монтаже сборных конструкций применяют перфорированные резиновые плиты толщиной 4—5 мм (рис. 6.40). Отверстия в плитах несколько уменьшают сжатую (недеформированную) поверхность и значительно увеличивают свободную (деформирующуюся) поверхность.
Диаметр отверстий соответствует примерно толщине плиты, а расстояние между ними составляет примерно двойную толщину плиты. Такие резиновые плиты имеют диаграмму напряжения — деформации сжатия, которая прежде всего соответствует коэффициенту формы
Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей

где r — радиус отверстий; n — число отверстий; t — толщина плиты.
С возрастанием деформаций сжатия отверстия очень быстро уменьшаются и коэффициент формы S возрастает до наибольшего значения
S2 = ab/2t(a+b).

При обычных размерах перфорированных плит этот переход происходит уже при небольших напряжениях смятия и деформациях. Объема отверстий плиты размером 300X400X5 мм было бы достаточно, например, для получения деформаций сжатия величиной 0,9 мм. По Зассе и Шорну такие деформации достигаются уже при напряжениях около 40 кгс/см2. После этих деформаций опорная часть становится незначительно податливее, чем раствор (рис. 6.41).
Можно считать, что неровности величиной около 1 мм поглощаются этой опорной частью за счет разницы напряжений смятия. При сжимающих нагрузках боковое расширение резины происходит прежде всего в направлении отверстий. До напряжений около 40 кгс/см2 на поверхность сооружения передаются незначительные растягивающие усилия (в противоположность неармированным опорным частям из резины). При увеличении напряжений различий между обычными неармированными и перфорированными резиновыми опорными частями нет.
Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей
Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей

Неподвижные резиновые опорные части допускают повороты, но исключают горизонтальные перемещения (всесторонне неподвижные) или в крайнем случае допускают горизонтальные перемещения в одном направлении (односторонне неподвижные опорные части). В неподвижных резиновых опорных частях повороты возможны благодаря деформациям резины.
Неподвижные резиновые опорные части могут быть стаканообразными, с удерживающими конструкциями, со штырями, с внутренними цапфами.
В стаканообразных опорных частях для исключения чрезмерных и нежелательных деформаций резины материал помещают в плоский стакан. Деформации возможны только аналогично показанным на рис. 6.1, в, г. Поэтому стаканообразные резиновые опорные части обычно комбинируют с опорными частями скольжения (раньше их применяли также в сочетании с катковыми опорными частями). Опорные части этого типа впервые описаны Францем.
В соответствии с техническими условиями допускается применение круглых стаканообразных опорных частей, хотя работоспособными были бы и другие формы. Допускаются твердость по Шору 50±5° и модуль сдвига G = 8±1 кгс/см2.
Деформативные свойства этих опорных частей принципиально отличаются от деформативных свойств других эластомерных опорных частей. В плитообразных резиновых опорных частях при угле поворота на опоре материал выдавливается у сжатого края. Несжатый край опорной части в зависимости от нагрузки может быть прямым, выпуклым или вогнутым (рис. 6.42, а). Наблюдаются только деформации сдвига резины без проскальзывания между резиной и примыкающей поверхностью (исключение составляют высоконагруженные неармированные опорные части).
Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей

У сжатого края стаканообразной опорной части наблюдаются деформации сжатия, а у менее загруженного края может быть выдавливание резины кверху (рис. 6.42,б). Характер деформаций зависит практически только от свойств скольжения ограничивающих поверхностей. Перемещение резины менее нагруженного края кверху обеспечивается при использовании смазывающих средств. Эффективность смазки при длительной работе опорных частей и низкой температуре не нормирована.
Следует принимать во внимание, что с течением времени смазочный материал диффундирует в сеть молекул резины. Теоретическая характеристика напряженно-деформационных свойств едва ли возможна вследствие одновременного действия трения скольжения и деформаций. Можно лишь рассмотреть предельные условия.
Зависимость между реактивным моментом и углом поворота и опоре по техническим условиям
м = 1,3 (kα + o,oo5σ) d3,

где к — коэффициент, кгс/см2; σ — средние напряжения смяти для резины, кгс/см2; d — диаметр резиновой плиты.
Коэффициент к принимают по рис. 6.43. Речь идет о чисто эмпирической зависимости, как это видно уже из М≠0 при α=0.
Испытания, выполненные в институте «Отто Граф» технической высшей школы в Штутгарте, показали, что на реактивный момент влияют также горизонтальные силы, которые передаются на стаканообразную опорную часть. При передаче горизонтальных сил у краев перекрывающей плиты появляются значительные напряжения смятия, что вызывает трение при поворотах плиты, перекрывающей стакан. Приведенное уравнение для определения реактивного момента это трение не учитывает.
Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей

Для резиновых опорных частей наибольший допускаемый поворот на опоре может быть задан не углом, а косвенно эксцентриситетом нагрузки
e≤d/8.

Простой пересчет дает наибольший допускаемый угол поворота (рис. 6.44)
zul α = σ/14,2k ≤ 0,02.

Угол поворота zulα = 0,005 при к = 500 и zulα≤0,02 при 170 (см. рис. 6.44).
Ограничение угла поворота величиной 0,02 связано не с допусками, а с технологическими условиями.
Минимальные напряжения смятия
mino = s 14,2ak.

Для опорных частей с относительной полезной толщиной 15≤d/t≤20 угол поворота дополнительно ограничен α≤0,005.
Для α=0 эксцентриситет e=const =d/120.
При загружении опорной части в резине возникает напряженное состояние, которое технически достаточно точно можно назвать гидростатическим:
σx=σy=σz=σm.

Стаканообразные опорные части часто рассматривают как несжимаемые. Это свойство имеет значение, например, при необходимости восприятия больших пульсирующих нагрузок. При сжатии опорной части расходуется кинетическая энергия, которая затем при «торможении» превращается в силы. Эти «тормозные силы» могут превзойти статическую нагрузку в несколько раз.
Фактически стаканообразные опорные части сжимаемы. Их деформации сжатия определяются четырьмя факторами; допусками при изготовлении резиновых плит; упругими деформациями стакана; сжимаемостью репины; разностью температур при установке резиновой плиты и при нагружении. Если принять допускаемые значения этих факторов, то получим деформации сжатия s опорной части толщиной резины t и диаметром D:
s = t (0,004 + 0,004 + 0,008 + 0,030) = 0,046.

Здесь приняты: допуски при изготовлении 0,0020 при +20°С; растягивающие напряжения для стакана 2100 кгс/см2; модуль сжатия резины 3,1*10в4 кгс/см2; средние напряжения в резине 250 кгс/см2; температура при нагружении опорной части -30°С (ΔT=50°С).
Таким образом, деформации сжатия резины величиной 4% ее толщины не являются нереальными.
Всесторонне подвижные резиновые опорные части плитообразной формы можно превратить в односторонне или всесторонне неподвижные с помощью стальных конструкций, воспринимающих горизонтальные силы. Эти стальные конструкции можно принципиально располагать в любом месте сооружения, так как они не связаны с передачей верти кальной нагрузки. Удерживающие конструкции обычно проектируют вместе с резиновой опорной частью, что, однако, является не технической необходимостью, а скорее привычкой.
В настоящее время применяют три варианта конструкций удерживающих приспособлений (рис. 6.45). Существенных различий между ними нет как по несущей способности так и по стоимости. Удерживающие конструкции, как правило, вое принимают горизонтальные силы величиной 15—30% от нагрузки на соответствующую резиновую опорную часть.
Удерживающие приспособления имеют обычно простую сварную конструкцию. Учитывая допуски для сварных конструкций равномерное и одновременное нагружение обоих упоров удерживающей конструкции невозможно (см. рис. 6.45), хотя в расчета это учитывают. Этот недостаток относится ко всем другим «неподвижным» опорным частям, включая тангенциальные и стаканообразные, так как обычно имеется зазор величиной 1—5 мм.
Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей

Если неподвижные опорные части должны воспринимать большую постоянную нагрузку, то целесообразно экспериментально исследовать действительные условия. По крайней мере необходимо установить последствия возможного выхода из строя опорной части. Удерживающие конструкции обычно выполняют односторонне неподвижными.
При больших постоянно действующих горизонтальных силах с одновременными перемещениями также необходима контрольная проверка действительных условий.
Передача сил от стальных плит удерживающих конструкций на сооружение производится обычно с помощью сварных швов (на стальные конструкции) или штырей или болтов (на бетонные конструкции). Штыри всегда рассчитывают на срез. Случаи повреждения их неизвестны, хотя обычно они работают и на изгиб.
Расчет штырей по Баслеру и Витту показывает, что обычно применяемые диаметры штырей неприемлемы. Этот способ расчета, очевидно, не совместим с принятым нагружением (рис. 6.46).
Болтовые штыри (рис. 6.47) рассчитывают по Заттлеру или указаниям БMB (7/1969). Некоторые допускаемые значения представлены в табл. 6.8.
Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей

Допускаемые сдвигающие усилия для штыревых болтов определяют по формулам:
- без проволочной спирали Dzul = 40d2 √W28;
- с проволочной спиралью Dzul = 50d2 √W28,
где W28 — марка бетона.
В резиновых опорных частях для качающихся стоек рекомендуют предусматривать штырь, проходящий сквозь опорную часть (рис. 6.48). Для исключения непосредственной передачи нагрузки штырем по крайней мере на концах его предусматривают резиновый или пластиковый шланг. Это одновременно уменьшает изгибающие напряжения в штыре от угла поворота на опоре, однако увеличивает изгибающие напряжения от горизонтальных сил. На головке штыря в шланге предусматривают пробку из сжимаемого материала (только не резины) для исключения непосредственной передачи нагрузки. Расчет штырей на изгиб всегда производят из условия полного защемления их в бетоне.
Учитывая знакопеременные изгибные деформации от углов поворота на опоре, для штырей нельзя применять сталь с малой усталостной прочностью.
Резиновые опорные части с заделанными в них внутренними цапфами представляют собой всесторонне неподвижные шарнирные опорные части. Защемление цапфы в верхней (или нижней) стальной плите значительно улучшает параболическое распределение напряжений под резиновой опорной частью.
Специальные типы неармированных и армированных резиновых опорных частей