Опорные части — «сердце» мостового сооружения. Они принимают и перераспределяют нагрузки от мостового пролета, внешние сейсмические, ветровые и температурные воздействия на опору. Основные их элементы — полимерные антифрикционные прослойки, в которых находятся углубления со смазочным материалом. За счет скольжения опора балансирует и уравновешивает конструкцию. Если изучить поведение прослойки в динамике при различных нагрузках, то можно подобрать материалы под условия работы конкретного моста, которые также будут учитывать природные особенности окружающей среды. Ученые ПНИПУ разработали модель для прогнозирования работы слоя скольжения прослойки при штатных и внештатных ситуациях. Этот важный этап проектирования мостов позволит сделать конструкцию опорных частей надежнее, увеличить их несущую способность и безремонтные сроки работы.
Исследование опубликовано в журнале «Designs» №6 за 2023 год и выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, проект № ФСНМ-2023-0007.
Высокие темпы урбанизации территорий, увеличение транспортного потока и нагрузок на мостовые сооружения ставят новые задачи перед строителями. Существует потребность в технологиях, которые смогут прогнозировать поведение конструкций при широком диапазоне эксплуатационных нагрузок (в том числе критических). Например, при сейсмических воздействиях, экстремальных температурах или превышении допустимой нагрузки из-за проезда большого количества многотоннажных машин, на которые мост изначально не был рассчитан.
Еще одна проблема — исчерпание смазочных материалов в антифрикционных прослойках, оно приводит к трению стальных частей друг о друга и заклиниванию опоры. Все это негативно сказывается на работе опорной части моста и может привезти к разрушению раньше срока эксплуатации.
Ученые Пермского Политеха разработали модель для оценки деформаций полимерных прослоек. Недостаток информации о свойствах этих материалов существенно сдерживает их применение. Модель учитывает характеристики смазки и полимеров, из которых изготавливают прослойки. А также влияние геометрии углублений под смазочный материал на конструкцию.
В результате расчетов политехники выяснили, какие исследованные варианты обладают наилучшими свойствами. Для производства прослоек высокие результаты показали модифицированный фторопласт и СВМПЭ (Германия) — они отличаются особой износостойкостью, трением и деформационными характеристиками, выдерживают температуры от -200 до +125 градусов Цельсия. Среди смазок ученые отмечают ТОМФЛОН СБС 240 FM с хорошими вязкоупругими характеристиками.
Особое внимание ученые ПНИПУ уделили нештатной ситуации, когда смазка в углублениях «заканчивается» и со временем прослойка начинает истираться.
— Антифрикционные прослойки значительно деформируются под нагрузкой от мостового пролета при отсутствии смазки в углублениях, так как полимерный материал стремится заполнить пустоты. Это может привести к потере балансировки и впоследствии к разрушению конструкции раньше срока эксплуатации. Полимерный и смазочный материалы находятся в состоянии всестороннего сжатия при работе опорной части в мостовом пролете. При этом трение неметаллических материалов при контакте со стальными элементами конструкции должно быть минимальным для улучшения характеристик скольжения балансира, — поясняет заместитель директора Передовой инженерной школы ПНИПУ, кандидат технических наук Анна Каменских.
— Трение полимера особенно влияет на поведение и износ конструкции. Его свойства позволили оценить характер деформирования прослойки для случая отсутствия смазки и показали, что, несмотря на сильное изменение геометрии, материал слоя скольжения может в полной мере выполнять необходимые функции и не допускает сцепления металлических элементов опорной части, — комментирует полученные результаты ассистент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Анастасия Богданова.
— Это позволило получить практические рекомендации для производителей опорных частей мостов. Данные уже нашли свое применение в научно-исследовательских разработках производственной компании ООО «АльфаТех» Пермь – одного из крупнейших производителей опорных частей мостов в России, — дополняет старший преподаватель кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Юрий Носов.
Модель ученых ПНИПУ позволит прогнозировать работу слоя скольжения опорных частей мостов при штатных и внештатных ситуациях. Полученные результаты необходимы для проектирования надежных и долговечных конструкций. Исследование планируют расширить на случай сейсмического воздействия для создания отечественных сейсмостойких опорных частей, дефицит которых сильно заметен.