АНТИСЕЙСМИЧЕСКИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ ОПОРНОЙ ЧАСТИ СООРУЖЕНИЯ

Полезная модель относится к строительству и может быть использована для протяженных сооружений, например мостов, транспортных галерей, трубопроводных переходов и др., возводимых преимущественно в сейсмических районах.
Известно, что при землетрясениях горизонтальные сейсмические воздействия являются более разрушительными, чем вертикальные. Поэтому наряду со специальными антисейсмическими устройствами, предохраняющими сооружения от вертикальных воздействий (дополнительные связи между пролетными строениями и опорами, пролетными строениями и грунтом, опорами и грунтом, специальные опорные части на отрывную нагрузку и др.), широкое внимание уделяется и защитным конструкциям опорных частей, позволяющим воспринимать горизонтальную сейсмическую нагрузку произвольного направления.
Известны антисейсмический предохранитель резиновой опорной части сооружения, выполненный в виде вмонтированного в эту опорную часть свинцового стержня /1/ и антисейсмический предохранитель шарнирной опорной части сооружения, выполненный в виде опорного столика на гибких вертикальных стальных стержнях /2/. Их недостатком является то, что они основаны на принципе податливости и могут работать при слабых и частично умеренных землетрясениях, а при сильных землетрясениях необратимо деформируются и не предохраняют пролетное строение от сброса с опоры. Кроме того, они предназначены для опорных частей только указанных типов и являются непосредственно их деталями.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является антисейсмический предохранитель опорной части сооружения, содержащий фрикционно-подвижное соединение, обеспечивающее с нормативным усилием сопротивления трению взаимное смещение его элементов относительно друг друга при горизонтальных сейсмических воздействиях сильных землетрясений /3/. За счет этого происходит гашение энергии толчка и существенное снижение горизонтального сейсмического воздействия на пролетное строение.
Основной недостаток этого предохранителя обусловлен тем, что и он является элементом непосредственно опорной части одного типа с присущими такому решению отрицательными свойствами. Кроме того, его недостатком является также и то, что он выполнен в виде фрикционного пакета горизонтальных листов, в котором каждый лист соединен посредством высокопрочных болтов с другим листом, причем листы выполнены с овальными отверстиями под болты, ориентированными большей осью в наиболее вероятном направлении опасного сейсмического воздействия. В результате рассматриваемый предохранитель не всегда обеспечит полноценную защиту опорной части от произвольных горизонтальных сейсмических воздействий, так как их направление может и не совпасть с ориентированностью овальных отверстий и запроектированного направления перемещения листов в пакете при сейсмике. Указанные недостатки существенно снижают эксплуатационную надежность подобного конструктивного исполнения и ограничивают возможность его широкого применения в сооружениях.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи эксплуатационной сохранности при землетрясениях сооружений с большинством известных типов и видов опорных частей путем обеспечения их защитой от сильных произвольных горизонтальных воздействий.
Для решения поставленной задачи антисейсмический предохранитель опорной части сооружения также содержит фрикционно-подвижное соединение, в котором обеспечено взаимодействие его элементов с нормативным усилием сопротивления трению при взаимном горизонтальном смещении относительно друг друга от сейсмических воздействий. При этом он снабжен прикрепляемым к опоре сооружения, например, с помощью анкеров, расположенных на его одной стороне, основанием, на другой стороне которого жестко укреплены, в частности, у торцов по крайней мере две силовые скобы, а на плоскости размещены с возможностью горизонтального смещения в произвольном направлении две поджимаемые нажимными башмаками фрикционно-подвижные пластины, между которыми на этой же плоскости так же расположена взаимодействующая и совместно смещаемая с ними опорная пластина. Контактирующие плоскости основания, фрикционно-подвижных пластин и башмаков, обработаны нормативным способом под контактные поверхности фрикционного соединения, а контакт друг с другом участков поверхностей основания и опорной пластины осуществлен через антифрикцинную пару слоев скольжения, один из которых выполнен металлическим с полированной поверхностью, а другой из антифрикционного материала, в частности, из политетрафторэтилена. На противоположной стороне этой опорной пластины предусмотрено размещение и крепление, например, резьбовым соединением, опорной части, присоединяемой к пролетному строению сооружения. В силовых скобах выполнены отверстия, в которые вкручены до упора в башмаки с нормативным усилием высокопрочные болты, обеспечивающие фрикционное взаимодействие элементов всех указанных фрикционно-подвижных соединений.
Соответственно обеспечивающие фрикционное взаимодействие контактирующие друг с другом поверхности элементов обработаны одним из способов, указанных в действующих нормативных документах, предопределяющим в фрикционно-подвижном соединении соответствующий нормативный коэффициент трения, в зависимости от которого и расчетного горизонтального сейсмического усилия назначены диаметр и количество высокопрочных болтов.
В нажимных башмаках выполнены выемки, в которые упираются высокопрочные болты, при этом в донных поверхностях этих выемок размещены смазочные каналы, а в выполненных под высокопрочные болты отверстиях силовой скобы установлены и закреплены соответствующие этим болтам высокопрочные шайбы и гайки.
В ряде случаев, когда направление горизонтального сейсмического воздействия известно с большой долей вероятности, фрикционные соединения предохранителя могут быть размещены с обеспечением взаимного смещения их элементов вдоль этого вероятного смещения опоры сооружения.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан вид А сечения антисейсмического предохранителя опорной части сооружения.
На фиг. 2 показан вид сверху на антисейсмический предохранитель опорной части сооружения.
На фиг. 3 показан вид Б сечения антисейсмического предохранителя опорной части сооружения.
Предлагаемая полезная модель антисейсмического предохранителя опорной части 1 сооружения, установленная между его пролетным строением 2 и опорой 3 (эти первые три позиции показаны пунктиром) содержит основание 4, к одной стороне которого, обращенной к опоре 3, крепятся анкера, в частности, анкерные болты 5, заделываемые в эту опору 3, а на другой стороне основания 4 у торцов жестко укреплены силовые скобы 6, между которыми расположены опорная пластина 7 и две фрикционно-подвижные пластины 8. Силовые скобы могут быть любой конструкции: рамные замкнутые, с ребрами жесткости, кронштейнами и т.д., и могут крепиться к основанию любыми средствами: резьбовыми соединениями, сваркой, отливаться совместно с основанием единой деталью и т.д.
Опорная пластина 7 и фрикционно-подвижные пластины 8 взаимодействуют друг с другом с возможностью совместного фрикционного смещения относительно основания 4 при расчетных горизонтальных сейсмических нагрузках. Для этого основание 4 и опорная пластина 7 контактируют между собой через ответные поверхности антифрикционной пары 9 слоев скольжения, один из которых выполнен полированным металлическим, например, твердохромированным или нержавеющим, а другой из антифрикционного материала (место контакта этих слоев скольжения показано утолщенной бесцветной линией 9). Таким антифрикционным материалом могут известные из современного уровня техники полимеры: чистый, наполненный или радиационно модифицированный тетраполифторэтилен (так называемый фторопласт-4), сверхвысокомолекулярный полиэтилен и др. Это позволяет обеспечить в антифрикционной паре слоев скольжения минимальный коэффициент трения не более 0,06. В то же время, пластины 8 выполнены с двумя напротив лежащими поверхностями, подвергнутыми специальной обработке, позволяющей получить большие коэффициенты трения в диапазоне 0,35 - 0,58 (СП 35.13330.2011 МОСТЫ ТРУБЫ. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84* табл. 8.12). Эти поверхности контактируют (место этого контакта показано утолщенной темной линией 10) и взаимодействуют с фрикционной подвижностью при расчетных сейсмических нагрузках с так же обработанными соответствующими участками плоскости основания 4 и с ответными поверхностями нажимных башмаков 11.
В соответствии со значениями нормируемого коэффициента трения, обусловленного обработкой поверхности, исходя из расчетного горизонтального сейсмического усилия, назначается диаметр и количество высокопрочных болтов. Для обеспечения смещений от горизонтальных сейсмических сил элементов антисейсмического предохранителя при их размещении должны быть предусмотрены размеры Δпрод и Δпоп, позволяющие перемещаться опорной пластине 7 совместно с фрикционно-подвижными пластинами 8 в произвольных направлениях под действием горизонтального сейсмического воздействия, превышающего усилие сопротивления нормируемому трению.
Создание требуемого для фрикционного взаимодействия указанного нормативного усилия обеспечивается давлением на нажимные башмаки 11, вкручиваемых с заданным крутящим моментом широко используемых в мостостроении высокопрочных болтов 12 в отверстия силовых скоб 6. В этом случае возможно использование гаек и шайб, специально предназначенных для высокопрочных болтов, установленных в отверстиях силовых скоб 6. Но могут быть использованы болты и отверстия со специальной резьбой, в том числе, упорной, известной из современного уровня техники. Кроме того, использование еще одного комплекта гаек возможно для осуществления законтривания высокопрочных болтов от раскручивания и ослабления их натяжения может быть использован дополнительный комплект гаек. Во избежание выскальзывания нажимных башмаков 11 при закручивании высокопрочных болтов 12 в этих башмаках целесообразно подготовить выемки, в которые будут упираться указанные болты. Для облегчения закручивания последних до нормативного осевого усилия в донных поверхностях могут быть сделаны смазочные каналы, например, по толщине башмаков 11.
При обычной (не сейсмической) эксплуатационной нагрузке опорная часть надежно удерживается на опоре 3 с помощью ее закрепления, например, болтами в резьбовых отверстиях 13 на опорной пластине 7, в свою очередь зафиксированной фрикционно-подвижными пластинами 8. Крепление опорной части 1 на опорной пластине 7 возможно и другими способами, известными из современного уровня техники. Размеры пластины 7 и расположение отверстий 13 предопределяются габаритами устанавливаемой в предохранитель опорной части любого из известных типов и видов, применяемых в строительстве. От этого собственно, наряду с другими факторами зависит размер предлагаемого предохранителя.
Как уже упоминалось, при сейсмических воздействиях наиболее опасными являются горизонтальные сдвижки относительно статически инерционного пролетного строения 2 сдвижки опоры 3, вызванные сейсмическим движением грунта. В обычных условиях эксплуатации работа предлагаемой полезной модели сводится к удержанию опорной части 1 с пролетным строением 2 на опоре 3. При этом все фрикционные соединения надежно воспринимают эксплуатационные нагрузки и удерживают опорную часть в проектном положении.
В то же время работа предлагаемой полезной модели при горизонтальных сейсмических воздействиях недопустимой расчетной бальности заключается и в обусловленной движением опоры 3 сдвижке основания 4 с силовой скобой 6 и башмаками 11 относительно пролетного строения 2 с прикрепленной к нему и к опорной пластине 7 опорной частью 1. При этом сейсмическое горизонтальное усилие, превышающее расчетное сопротивление трению, предопределенное выбранным способом обработки поверхности и соответствующим коэффициентом трения фрикционных соединений предохранителя, вызывает эти сдвижки и горизонтальные смещения элементов фрикционных соединений. Смещения могут происходить в пределах величин Δпрод и Δпоп в произвольных направлениях. При известности наиболее вероятного направления сейсмического горизонтального смещения опоры вдоль этого направления в конструкции предохранителя может быть предусмотрен, и только один из размеров Δпрод или Δпоп, в котором может происходить фрикционное смещение.
За счет показанных смещений при имеющемся фрикционном контакте деталей антисейсмического предохранителя опорной части гасится сейсмическая энергия толчка и значительно снижается горизонтальное сейсмическое воздействие на пролетное строение 2.
Наличие под опорной пластиной 7 антифрикционной пары 9 слоев скольжения позволяет при расчете вертикального усилия фрикционного контакта, создаваемого высокопрочными болтами, не учитывать влияние других вертикальных факторов, действующих на опорную часть, так как создаваемое ими горизонтальное усилие будет достаточно мало из-за низкого коэффициента трения указанной пары скольжения.
Естественно, что выбирая соответствующие размеры антисейсмического предохранителя в нем на антифрикционной пластине можно разместить практически любую известную опорную часть и тем самым расширить ее функциональные возможности для использования в сооружениях, строящихся в сейсмических районах.
Таким образом, предлагаемая полезная модель антисейсмического предохранителя опорной части сооружения позволяет обеспечить его эксплуатационную сохранность при землетрясениях с значительными горизонтальными сейсмическими воздействиями, действующими в произвольных направлениях.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Kelly J.M. Earthquake resistant design with rubber. Springer. 1997. 243 p.
2. A.C. СССР, №1162886, M. кл. E 01D 19/04, 23. 12, 1982.
3. А.С. СССР, №1106868, М.кл. E01D 19/04, 12.07.1982.