Vòng bi cách ly địa chấn hình cầu cho các ứng dụng cầu đường cao tốc (SSIB)

1.1, Định nghĩa
A ổ đỡ hình cầug là một thiết bị kết cấu (ổ trục quay đa{0}}tải trọng cao, tức là HLMB) được thiết kế để truyền tải trọng giữa kết cấu thượng tầng và kết cấu phụ trong khi có khả năng hỗ trợ các chuyển động quay đa hướng và, trong một số thiết kế, hạn chế chuyển động tịnh tiến. Ổ trục bao gồm một bề mặt hình cầu lõm kết hợp với một bề mặt hình cầu lồi, cho phép xoay góc trơn tru quanh bất kỳ trục nằm ngang nào.
Trong kỹ thuật cầu, vòng bi cầu được sử dụng để:
- Truyền tải trọng thẳng đứng, lực ngang và chuyển vị dọc hoặc ngang theo yêu cầu thiết kế.
- Cho phép chuyển động quay do tải trọng giao thông, sự giãn nở và co lại do nhiệt, hoạt động địa chấn, hiện tượng leo và co ngót của kết cấu cầu.
- Cung cấp khả năng chịu tải-cao với ma sát tối thiểu thông qua việc sử dụng-vật liệu trượt ma sát thấp (ví dụ: PTFE) và bề mặt tiếp xúc bằng thép không gỉ-chống ăn mòn.
Các vòng bi này thường được sản xuất tuân thủ các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế có liên quan như GB/T 17955 (Trung Quốc), Thông số kỹ thuật thiết kế cầu AASHTO LRFD (Hoa Kỳ) và EN 1337-7 (Châu Âu), đảm bảo độ tin cậy, an toàn và độ bền về hiệu suất trong các ứng dụng cầu nhịp dài và chịu tải nặng.

1.2, Phạm vi
Bài viết này xác định các thông số kỹ thuật, thông số thiết kế, yêu cầu sản xuất, thử nghiệm, lắp đặt và bảo trì choVòng bi cách ly địa chấn hình cầu (SSIB)dành cho các ứng dụng cầu, tuân thủ cả quy định của Trung Quốc và quốc tế.
1.3, Tiêu chuẩn áp dụng:
Vùng|Mã chuẩn|Tiêu đề|Phạm vi
Trung Quốc|GB/T 17955-2009 |Vòng bi cầucho Cầu|Yêu cầu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm ổ cầu cầu.
Trung Quốc|GB/T 32836-2016 |Vòng bi cầu cho kết cấu thép| Yêu cầu bổ sung cho các ứng dụng kết cấu thép.
Trung Quốc|JTG/T 2231-01-2020|Thông số kỹ thuật cho Vòng bi cầu đường cao tốc|Yêu cầu về hiệu suất và chất lượng của vòng bi cầu đường cao tốc.
Châu Âu|EN 1337-7 |Vòng bi kết cấu– Phần 7: Vòng Bi Cầu|Yêu cầu về vật liệu, hình học, ma sát và thử nghiệm.
Châu Âu|EN 15129:2018 |Thiết bị chống địa chấn| Thiết kế cách ly địa chấn cho các ứng dụng kết cấu.
Mỹ|Thông số kỹ thuật thiết kế cầu AASHTO LRFD (2023) Phần 14|Vòng bi và thiết bị mở rộng|Phương pháp thiết kế chovòng bi hình cầu.
Vương quốc Anh|BS 5400 Phần 9 |Vòng bi cầu| Yêu cầu thiết kế và lắp đặt.

2.1, Chức năng:
Vòng bi cách ly địa chấn hình cầucung cấp một mặt tiếp xúc quay giữa kết cấu thượng tầng và kết cấu phần dưới của cầu đồng thời cho phép trượt có kiểm soát để tiêu tán năng lượng địa chấn.

2.2, Thành phần chính:

• 1. Tấm lõm phía trên – Thép carbon cường độ-cao (Q345 hoặc ASTM A709 Cấp 50) với bề mặt lõm được gia công-chính xác.
• 2. Bộ phận trượt hình cầu – Thép không gỉ (AISI 304/316) với lớp PTFE hoặc UHMWPE được liên kết.
• 3. Tấm lồi dưới – Phù hợp với độ cong, truyền tải trọng thẳng đứng.
• 4. Hệ thống hạn chế – Thanh dẫn hướng hoặc bộ phận hạn chế tùy chọn để kiểm soát chuyển động một chiều.
• 5. Bộ phận tản năng lượng địa chấn – Các lớp giảm chấn cao tùy chọn.

2.3,Các loại và phân loại
Theo các yêu cầu chức năng khác nhau, vòng bi cầu có thể được chia thành các loại sau:

• 1,Vòng bi cầu cố định
• Vòng bi cố định không cho phép dịch chuyển theo phương ngang mà có thể quay tự do. Chúng thích hợp cho các bộ phận kết cấu cần hạn chế chuyển động ngang trong khi cho phép xoay.
• 2,Vòng bi cầu trượt một chiều
• Vòng bi cầu trượt một chiều cho phép trượt dọc theo một hướng. Chúng có thể áp dụng cho các kết cấu có yêu cầu dịch chuyển cụ thể, chẳng hạn như việc điều chỉnh chuyển vị dọc ở một số cây cầu nhất định.
• 3, Vòng bi cầu trượt đa hướng
• Vòng bi cầu trượt đa hướng có thể trượt theo bất kỳ hướng ngang nào. Chúng thích hợp cho những khu vực-dễ xảy ra động đất hoặc những cây cầu có nhịp-dài để đối phó với điều kiện tải trọng phức tạp.
• 4, Vòng bi cầu địa chấn
• Vòng bi cầu địa chấn thường được trang bị các thiết bị giảm chấn, có thể cung cấp thêm khả năng tiêu tán năng lượng trong trận động đất và cải thiện hiệu suất địa chấn của các công trình.

2.4, Lĩnh vực ứng dụng củaVòng bi cầu
Do hiệu suất tuyệt vời của chúng, vòng bi cầu được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sau:

• 1, Cầu dài{1}}
• Trong những cây cầu có nhịp dài-như cầu dây văng, cầu treo và cầu vòm, ổ cầu có thể thích ứng một cách hiệu quả với chuyển vị và chuyển động quay do thay đổi nhiệt độ, tải trọng của xe hoặc tải trọng gió gây ra.
• 2, Tòa nhà-cao tầng
• Các tòa nhà-cao tầng sẽ lắc lư dưới tải trọng gió hoặc các tác động địa chấn. Vòng bi cầu có thể làm giảm ứng suất kết cấu và cải thiện sự ổn định và an toàn của các tòa nhà.
• 3, Sân vận động và các công trình không gian-có nhịp độ lớn
• Trong các cấu trúc không gian có nhịp độ lớn-như phòng tập thể dục và trung tâm hội nghị, vòng bi hình cầu có thể thích ứng với tải trọng phức tạp và đảm bảo độ ổn định cũng như độ bền của cấu trúc.
• 4, Nhà máy điện hạt nhân và cơ sở hạ tầng quan trọng
• Trong các cơ sở hạ tầng quan trọng như nhà máy điện hạt nhân và đập lớn, vòng bi cầu có thể cung cấp sự hỗ trợ đáng tin cậy và khả năng chống địa chấn để đảm bảo an toàn cho kết cấu.

2.5, Ưu điểm và thách thức của Vòng bi cầu
1, Ưu điểm:
• Khả năng chịu tải-cao: Có thể chịu được tải trọng vài nghìn tấn.
• Khả năng thích ứng chuyển vị đa hướng: Có khả năng thích ứng đồng thời với cả chuyển vị xoay và chuyển vị ngang.
• Độ bền cao: Được làm bằng vật liệu-hiệu suất cao, đảm bảo tuổi thọ lâu dài.
• Hiệu suất địa chấn tuyệt vời: Được sử dụng rộng rãi ở những khu vực-có động đất.

2, Thử thách:
• Yêu cầu cao về độ chính xác trong sản xuất: Cần có-các quy trình có độ chính xác cao để xử lý bề mặt hình cầu và khớp các vật liệu trượt.
• Chi phí bảo trì tương đối cao: Vật liệu trượt hoặc thiết bị bịt kín có thể cần được thay thế sau khi sử dụng lâu dài.
• Thiết kế phức tạp: Cần thiết kế tùy chỉnh theo nhu cầu kỹ thuật cụ thể.

3.1 Thông số kỹ thuật
Thông số thiết kế (phạm vi sản xuất điển hình):
Khả năng chịu tải dọc: 1.000 – 50.000 kN
Khả năng dịch chuyển ngang: ±50 đến ±250 mm
Công suất quay: Lớn hơn hoặc bằng 0,03 rad (~1,7 độ)
Hệ số ma sát (μ): 0,03 – 0,06 (tĩnh), 0,02 – 0,05 (động)
Tỷ lệ giảm xóc (loại HDR): 8 – 25%
Phạm vi nhiệt độ dịch vụ: -40 độ đến +60 độ (đặc biệt lên đến +70 độ)
Tuổi thọ sử dụng: Lớn hơn hoặc bằng 50 năm
Hiệu suất địa chấn: Lớn hơn hoặc bằng 0,3g gia tốc thiết kế

3.2, Bằng sáng chế
 

Thành phần|Chất liệu|Tiêu chuẩn
Tấm chịu lực|Q345, Q420, ASTM A709|GB/T 1591, ASTM A709
Phần tử trượt hình cầu|Thép không gỉ AISI 304/316|ASTM A240
Bề Mặt Trượt|PTFE nguyên chất, UHMWPE|ASTM D4894
Dầu bôi trơn|Dựa trên silicone-| Thông số nhà sản xuất
Bu lông neo|Lớp 8,8 / ASTM A325|GB/T 5782, ASTM A325

Độ nhám bề mặt (bề mặt trượt): Ra Nhỏ hơn hoặc bằng 0,2 μm
Dung sai độ phẳng: Nhỏ hơn hoặc bằng 0,5 mm trên 1.000 mm
Độ cứng (tấm trượt): Lớn hơn hoặc bằng HB 220
Độ bền liên kết của PTFE: Lực cắt lớn hơn hoặc bằng 3 MPa
Tất cả vòng bi đều được-kiểm tra 100% tại nhà máy về độ chính xác về kích thước, đường cong biến dạng-tải trọng, hệ số ma sát dưới tải trọng thiết kế và các khuyết tật hình ảnh.

6.1 Yêu cầu chung
Tất cả các vòng bi cách ly địa chấn hình cầu phải trải qua các thử nghiệm điển hình, thử nghiệm thường xuyên và thử nghiệm nghiệm thu theo tiêu chuẩn của Trung Quốc và quốc tế.
6.2 Phân loại thử nghiệm
Kiểm tra loại – Chứng minh sự tuân thủ thiết kế (một lần cho mỗi thiết kế mới)
Kiểm tra định kỳ – Xác minh chất lượng sản xuất (từng lô)
Kiểm tra chấp nhận - Phê duyệt sản phẩm cuối cùng trước khi giao hàng (vòng bi 100%)
6.3 Kiểm tra và yêu cầu cụ thể
Kiểm tra tải dọc - Biến dạng dư Nhỏ hơn hoặc bằng 0,3 mm, không có hư hỏng rõ ràng.
Kiểm tra chuyển vị ngang - Hệ số ma sát μ Nhỏ hơn hoặc bằng 0,06, không có hư hỏng bề mặt sau 50 chu kỳ.
Kiểm tra khả năng quay - Chuyển động mượt mà ở mức quay lớn hơn hoặc bằng 0,03–0,05 rad.
Kiểm tra độ mòn và độ mỏi - Giảm độ dày PTFE nhỏ hơn hoặc bằng 1% sau các chu kỳ.
Thử nghiệm mô phỏng địa chấn – Tỷ lệ giảm chấn trong phạm vi ±2% so với thiết kế, độ dịch chuyển trong khoảng trống.
Kiểm tra nhiệt độ - Biến thiên ma sát Nhỏ hơn hoặc bằng ±15% so với nhiệt độ phòng.
Kiểm tra khả năng chống ăn mòn - Lớp phủ không bị hư hỏng sau 500 giờ phun muối.
6.4 Quy trình kiểm soát chất lượng của nhà máy
Kiểm tra vật liệu đến - Kiểm tra thép siêu âm, mật độ và cường độ PTFE.
Trong-QC quy trình – Dung sai gia công tấm ±0,2 mm, kiểm tra mối hàn.
Kiểm tra lần cuối – Kiểm tra kích thước, xác minh đánh dấu.
6.5 Tài liệu và truy xuất nguồn gốc
Duy trì Giấy chứng nhận kiểm tra vật liệu, hồ sơ kiểm soát sản xuất của nhà máy và Giấy chứng nhận phù hợp.
6.6 Tóm tắt tiêu chí chấp nhận
Biến dạng dọc Nhỏ hơn hoặc bằng 0,3 mm, Ma sát Nhỏ hơn hoặc bằng 0,06, Độ mài mòn của PTFE Nhỏ hơn hoặc bằng 1%, Độ quay Lớn hơn hoặc bằng 0,03 rad.
6.7, Kiểm tra kiểu và báo cáo.

6.7.1, Thiết bị kiểm tra
 

6.7.2, Báo cáo thử nghiệm

Chuẩn bị – Kiểm tra dung sai ổ trục và vị trí bu lông.
Các bước lắp đặt – Nâng hạ kết cấu, định vị ổ trục, cố định, kiểm tra, nhả giắc cắm.
Khoảng trống - Duy trì khoảng cách địa chấn lớn hơn hoặc bằng 50 mm.

6 tháng: Kiểm tra trực quan
2 năm: Kiểm tra chức năng
5 năm: Kiểm tra chi tiết
25 năm: Đại tu

Đóng gói trong bao bì chống ẩm, bảo quản ở nơi thoáng khí, xếp chồng lên nhau tối đa 3 lớp.

10.1, Thông số kỹ thuật gối cầu QZ dùng cho cầu đường cao tốc.
10.2, Thông số kỹ thuật gối cầu LQZ dùng cho cầu đường cao tốc

Với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật,vòng bi hình cầukhông ngừng đổi mới và những xu hướng sau có thể xuất hiện trong tương lai:

• 1, Vòng bi thông minh:
• Được tích hợp với công nghệ cảm biến, chúng có thể theo dõi ứng suất, chuyển vị và độ mòn của vòng bi trong thời gian thực để đưa ra cảnh báo và bảo trì sớm thông minh.
• 2, Ứng dụng vật liệu mới
• Các vật liệu như vật liệu tổng hợp được gia cố bằng graphene và vật liệu tự bôi trơn có thể cải thiện độ bền và hiệu suất trượt của vòng bi hình cầu.
• 3, Thiết kế bảo vệ môi trường và xanh
• Việc sử dụng vật liệu có thể tái chế hoặc lớp phủ bảo vệ môi trường có độ ma sát thấp-có thể làm giảm tác động đến môi trường.
• 4, Công nghệ in 3D
• Việc sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất vòng bi có hình dạng phức tạp có thể nâng cao hiệu quả sản xuất và khả năng tùy biến.

Chú phổ biến: vòng bi cách ly địa chấn hình cầu cho các ứng dụng cầu đường cao tốc (ssib), các nhà sản xuất, nhà cung cấp vòng bi cách ly địa chấn hình cầu Trung Quốc cho các ứng dụng cầu đường cao tốc (ssib)