Способ определения коэффициента трения в опорных частях зданий и сооружений Российский патент 2023 года по МПК E01D19/04 G01N19/02 G01M5/00 

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации зданий и сооружений, в том числе мостов, мостовых кранов.

Известен способ определения коэффициента трения в опорных частях зданий и сооружений, включающий визуальный осмотр опираемой конструкции и опоры, элементов опорных частей, измерение их расположения друг относительно друга, оценку технического состояния поверхностей контакта и опирания на соответствие требованиям норм и регламентов монтажа и эксплуатации опорных частей, вывод о степени соответствия коэффициента трения нормативным значениям и требуемых мероприятиях по приведению опорной части в нормативное состояние (см. кн. Осипов В.О. и др. Содержание и реконструкция мостов. М.: Транспорт, 1986, с.58-60).

Недостаток известного способа заключается в применяемости доступными к осмотру открытыми конструкциями, преимущественно тангенциальными и катковыми типами опорных частей и ограниченной применяемостью к закрытым конструкциям опорных частей скольжения - стаканообразным и с шаровыми сегментами (см. кн. Эггерт Х. и др. Опорные части в строительстве. Проектирование, расчет, нормы. М.: Транспорт, 1978, с.100, рис.4.4), а также недостаточная точность ввиду неучета таких факторов, как величина нагрузки, скорость скольжения (качения), свойств антифрикционного материала, смазки, приработки и выдержки поверхностей контакта, влияние засорений, изнашивания поверхностей трения (см. кн. Подвижные опорные части трубопроводов и других сооружений. Киев, Вища школа, 1976, с.31-68).

Известен также способ определения коэффициента трения в опорных частях мостов, имеющих подвижный и неподвижный относительно опоры элементы (Еремеев В.П. и др. сборник: Дороги и мосты, вып.46/2, М., ФАУ РосДорНИИ, 2021, с.232-233), включающий обжатие опорной части вертикальной временной нагрузкой при выполнении статических испытаний моста, измерение величины сдвигающей нагрузки опосредованно с использованием деформометров, установленных на опоре, вычислением значений реактивных усилий в теле опоры и соответствующей им горизонтальной силы, приложенной к неподвижному относительно опоры элементу опорной части.

Недостаток известного способа заключается в недостаточной точности из-за изменения величины коэффициента трения в процессе перемещения подвижного элемента опорной части относительно неподвижного элемента от коэффициента трения покоя до коэффициента трения движения, а также приближенного учета величины обжатия опорной части, поскольку перемещение подвижного элемента опорной части начинается еще до заезда временной нагрузки на испытуемый пролет моста из-за влияния трения в опорных частях соседних пролетов.

Прототипом изобретения является способ определения коэффициента трения в опорных частях, имеющих подвижный и неподвижный относительно опоры элементы зданий и сооружений, включающий обжатие опорной части вертикальной нагрузкой, приложение к ней сдвигающей нагрузки, определение силы обжатия H опорной части и горизонтальной сдвигающей нагрузки V, вычисление значения коэффициента трения μ=V/H (см. кн. Эггерт Х. и др. Опорные части в строительстве. Проектирование, расчет, нормы. М.: Транспорт, 1978, с.326-329, рис.9.7 и 9.8).

Недостатки прототипа заключаются в ограниченности применения искусственными условиями испытательной лаборатории и невозможности одновременного учета эксплуатационных факторов: одновременного изменения величины вертикальной нагрузки, скорости скольжения (качения) подвижного относительно опоры элемента опорной части над неподвижным элементом, наличия смазки и засорений, изнашивания поверхностей трения, приработки и выдержки поверхностей контакта в конструкциях эксплуатируемых опорных частей.

Техническим результатом изобретения является расширение применимости способа определения коэффициента трения в опорных частях для одновременного учета эксплуатационных факторов: одновременного изменения величины вертикальной нагрузки, скорости скольжения (качения) подвижного относительно опоры элемента опорной части над неподвижным элементом, наличия смазки и засорений, изнашивания поверхностей трения, приработки и выдержки поверхностей контакта в конструкциях эксплуатируемых опорных частей.

Результат достигается тем, что обжатие опорной части вертикальной нагрузкой ΔH, приложение к неподвижному относительно опоры элементу опорной части горизонтальной нагрузки V производится загружением опорной части временной подвижной нагрузкой, вызывающей дополнительную силу обжатия ΔH, схемой приложения, скоростью и величиной максимально приближенной к реальным эксплуатационным временным нагрузкам, дополнительно к постоянной вертикальной нагрузке, а измерение вертикальной силы обжатия H=H₀+ΔH, где H₀ - постоянная сила обжатия опорной части, ΔH - приращение силы обжатия от действия временной подвижной нагрузки и горизонтальной сдвигающей силы V выполняют непрерывно во время приложения временной нагрузки с соответствующей ей приращением силы обжатия ΔH измерением деформаций a,b,c на конструктивных элементах опоры на направлениях, соответствующих им координатных осей OXYZ с началом координат, расположенным преимущественно в центре неподвижного относительно опоры элемента опорной части с координатами точек x₀, y₀, расположенных на боковой поверхности конструктивного элемента опоры в сечении с координатой z₀>0, вычислением соответствующих деформациям a, b, c напряжений σ_x, σ_y, σ_z, путем интегрирования по площади поперечного сечения s, вычисляют значения вертикальной ΔH и горизонтальных V_x, V_y сил:

определяющим множество значений коэффициентов трения μ соответствующих положению временной подвижной нагрузки, из которых выбирают максимальное μ_max и вычисляют среднее значение .

В качестве временной подвижной нагрузки для определения коэффициента трения в опорных частях мостовых сооружений используют преимущественно грузовые автомобили, статическое воздействие которых на мостовую конструкцию сопоставимо с воздействием реально действующей временной нагрузки, например, эталонной.

В основу предлагаемого способа положено применение известного закона Гука о наличии детерминированной зависимости между силой, механическими напряжениями, перемещениями, геометрическими характеристиками и упругими свойствами в исследуемой точке конструкции, что позволяет в способе определения коэффициента трения в опорных частях зданий и сооружений переходить от деформаций к напряжениям и силам обжатия и сдвига, действующим на опорную часть.

Другой особенностью предлагаемого способа является использование оборудования для тензометрии, электродеформометров, а также цифровых интеллектуальных акселерометров - виброметров.

Измерительные приборы, например, тензорезисторы размещают преимущественно на боковых гранях подферменников, а если таковой элемент отсутствует - на боковых гранях опоры.

В качестве примера одного из вариантов реализации предлагаемого способа измерения коэффициента трения в опорных частях приведена схема испытания автодорожного моста.

На фиг. 1 показана схема балочного разрезного пролетного строения, загруженного временной подвижной нагрузкой ΔH, а сплошной тонкой линией показано его деформированное состояние; на фиг. 2 показана схема перемещений верха опоры и приложенные к ней силы, на фиг. 3 - виброграмма горизонтальных перемещений верха опоры, 1 - подвижный относительно опоры 2 элемент опорной части, 2 - опора, 3 - неподвижный относительно опоры 2 элемент опорной части, 4 - измерительные приборы (тензорезисторы), 5 - пролетное строение (сплошной тонкой линией показано деформированное состояние); ΔH - временная подвижная нагрузка, H - вертикальная сила обжатия опорной части, V - горизонтальная сила, H₀ - сила обжатия опорной части от собственного веса пролетного строения, a - горизонтальное смещение верха опоры 2, с - вертикальное перемещение верха опоры 2, σ - эпюра нормальных напряжений в сечении z=z₀ конструктивного элемента опоры. Вследствие трения в опорной части между подвижным 1 и неподвижным 3 элементами возникает горизонтальная сила V, приложенная к неподвижному элементу опорной части 3, меняющаяся по мере движения временной подвижной нагрузки ΔH ввиду изменения силы обжатия H=H₀+ΔH, меняется и значение перемещения верха опоры и коэффициента трения μ. В расчетном сечении z=h₀ измеряются относительные деформации ε_с на поверхности конструктивного элемента 2 опоры. В соответствии с известным законом Гука вычисляют величины нормальных напряжений σ (фиг. 2) и перемещения а верха опоры, из полученных значений на основе пространственной модели опоры, преимущественно методом конечных элементов, вычисляют вертикальную H=H₀+ΔH и горизонтальную силу V, коэффициенты трения μ_max и .

Полученные значения максимального μ_max коэффициента трения сравниваются с нормативными значениями, и делается вывод о техническом состоянии опорной части.

Применение представленного способа измерения коэффициента трения в опорных частях позволяет расширить его применение для одновременного учета эксплуатационных факторов: одновременного изменения величины вертикальной нагрузки, скорости скольжения (качения) подвижного относительно опоры элемента опорной части над неподвижным элементом, наличия смазки и засорений, изнашивания поверхностей трения, приработки и выдержки поверхностей контакта в конструкциях эксплуатируемых опорных частей, что особенно важно для принятия обоснованных решений о возможности дальнейшей эксплуатации опорной части или замене при проектировании ремонта.

Накопление статистических данных по значениям среднего значения коэффициента трения позволяет формировать реальную оценку качества типа опорной части.

Среднее значение коэффициента трения соотносится с нормативным значением и техническими параметрами изготовителя опорной части для оценки типа опорной части.

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Технический результат - упрощение определения коэффициента трения, учета одновременного изменения величины вертикальной нагрузки, скорости скольжения (качения), наличия смазки и засорений, изнашивания поверхностей трения, приработки и выдержки поверхностей контакта в условиях реальных конструкций опорных частей и условий эксплуатации. Результат достигается тем, что обжатие опорной части вертикальной нагрузкой ΔH, приложение к неподвижному относительно опоры элементу опорной части горизонтальной нагрузки V производится загружением опорной части временной подвижной нагрузкой, вызывающей дополнительную силу обжатия ΔH, схемой приложения, скоростью и величиной, максимально приближенной к реальным эксплуатационным временным нагрузкам, дополнительно к постоянной вертикальной нагрузке, а измерение вертикальной силы обжатия H=H₀+ΔH, где H₀ - постоянная сила обжатия опорной части, ΔH - приращение силы обжатия от действия временной подвижной нагрузки и горизонтальной сдвигающей силы V выполняют непрерывно во время приложения временной нагрузки с соответствующей ей приращением силы обжатия ΔH измерением деформаций a, b, c на конструктивных элементах опоры на направлениях соответствующих им координатных осей OXYZ с началом координат, расположенным преимущественно в центре неподвижного относительно опоры элемента опорной части с координатами точек x₀, y₀, расположенных на боковой поверхности конструктивного элемента опоры в сечении с координатой z₀>0, вычислением соответствующих деформациям a, b, c напряжений σ_x, σ_y, σ_z, путем интегрирования по площади поперечного сечения s, вычисляют значения вертикальной ΔH и горизонтальных V_x, V_y сил:

определяющим множество значений коэффициентов трения μ, соответствующих положению временной подвижной нагрузки, из которых выбирают максимальное μ_max и вычисляют среднее значение . Среднее значение коэффициента трения соотносится с нормативным значением и техническими параметрами изготовителя опорной части для оценки типа опорной части. 3 ил.

Способ определения коэффициента трения в опорных частях, имеющих подвижный и неподвижный относительно опоры элементы зданий и сооружений, включающий обжатие опорной части вертикальной нагрузкой, приложение к ней сдвигающей нагрузки, определение силы обжатия H опорной части и горизонтальной сдвигающей нагрузки V, вычисление значения коэффициента трения μ=V/H, отличающийся тем, что обжатие опорной части вертикальной нагрузкой ΔH, приложение к неподвижному относительно опоры элементу опорной части горизонтальной нагрузки V производится загружением опорной части временной подвижной нагрузкой, вызывающей дополнительную силу обжатия ΔH, схемой приложения, скоростью и величиной, максимально приближенной к реальным эксплуатационным временным нагрузкам, дополнительно к постоянной вертикальной нагрузке, а измерение вертикальной силы обжатия H=H₀+ΔH, где H₀ – постоянная сила обжатия опорной части, ΔH – приращение силы обжатия от действия временной подвижной нагрузки и горизонтальной сдвигающей силы V выполняют непрерывно во время приложения временной нагрузки с соответствующей ей приращением силы обжатия ΔH измерением деформаций a, b, c на конструктивных элементах опоры на направлениях соответствующих им координатных осей OXYZ с началом координат, расположенным преимущественно в центре неподвижного относительно опоры элемента опорной части с координатами точек x₀, y₀, расположенных на боковой поверхности конструктивного элемента опоры в сечении с координатой z₀>0, вычислением соответствующих деформациям a, b, c напряжений σ_x, σ_y, σ_z, путём интегрирования по площади поперечного сечения s, вычисляют значения вертикальной ΔH и горизонтальных V_x, V_y сил:

определяют множество значений коэффициента трения μ, соответствующих положению временной подвижной нагрузки, из которых выбирают максимальное μ_max и вычисляют среднее значение .