Sphärische seismische Isolationslager für Autobahnbrückenanwendungen

I, Definition, Geltungsbereich und Standards

1.1, Definition
A sphärisches Lagerg ist eine strukturelle Vorrichtung (Hochlast-Mehrfachrotationslager, d. h. HLMB), die dazu dient, Lasten zwischen einem Brückenüberbau und einem Unterbau zu übertragen und gleichzeitig Drehungen in mehrere Richtungen und, in einigen Konstruktionen, begrenzte Translationsbewegungen zu ermöglichen. Das Lager besteht aus einer konkaven Kugeloberfläche, die mit einer konvexen Kugeloberfläche gepaart ist, was eine sanfte Winkeldrehung um jede horizontale Achse ermöglicht.
Im Brückenbau werden Gelenklager eingesetzt für:
- Übertragen Sie vertikale Lasten, horizontale Kräfte sowie Längs- oder Querverschiebungen gemäß den Konstruktionsanforderungen.
- Berücksichtigen Sie Drehungen, die durch Verkehrslasten, thermische Ausdehnung und Kontraktion, seismische Einwirkungen, Kriechen und Schrumpfen der Brückenstruktur verursacht werden.
- Bieten eine hohe Tragfähigkeit-bei minimaler Reibung durch die Verwendung reibungsarmer Gleitmaterialien (z. B. PTFE) und korrosionsbeständiger Passflächen aus Edelstahl.
Diese Lager werden in der Regel in Übereinstimmung mit relevanten nationalen und internationalen Standards wie GB/T 17955 (China), AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (USA) und EN 1337-7 (Europa) hergestellt und gewährleisten Leistungszuverlässigkeit, Sicherheit und Haltbarkeit bei Brückenanwendungen mit großer Spannweite und hoher Last.

1.2, Geltungsbereich
Dieser Artikel definiert die Spezifikationen, Designparameter, Herstellungsanforderungen, Tests, Installation und Wartung fürSphärische seismische Isolationslager (SSIB)für Brückenanwendungen vorgesehen und entspricht sowohl chinesischen als auch internationalen Vorschriften.
1.3, Anwendbare Standards:
Region|Standardcode|Titel|Umfang
China|GB/T 17955-2009 |Sphärische Lagerfür Brücken|Konstruktions-, Herstellungs- und Prüfanforderungen für Brückengelenklager.
China|GB/T 32836-2016 |Gelenklager für Stahlkonstruktionen| Zusätzliche Anforderungen für Anwendungen im Stahlbau.
China|JTG/T 2231-01-2020|Spezifikationen für Autobahnbrückenlager|Leistungs- und Qualitätsanforderungen für Autobahnbrückenlager.
Europa|EN 1337-7 |Strukturlager– Teil 7: Gelenklager|Material, Geometrie, Reibung und Testanforderungen.
Europa|EN 15129:2018 |Anti--Erdbebengeräte| Seismischer Isolationsentwurf für strukturelle Anwendungen.
USA|AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (2023) Abschnitt 14|Lager und Expansionsgeräte|Entwurfsmethodik fürsphärische lager.
Großbritannien|BS 5400 Teil 9 |Brückenlager| Design- und Installationsanforderungen.

II. Produktbeschreibung

2.1, Funktion:
Sphärische seismische Isolationslagerstellen eine rotierende Schnittstelle zwischen dem Brückenüberbau und dem Unterbau dar und ermöglichen gleichzeitig ein kontrolliertes Gleiten, um seismische Energie abzuleiten.

2.2, Hauptkomponenten:

1. Obere konkave Platte – hochfester Kohlenstoffstahl (Q345 oder ASTM A709 Grade 50) mit präzisionsbearbeiteter konkaver Oberfläche.
2. Sphärisches Gleitelement – Edelstahl (AISI 304/316) mit gebundener PTFE- oder UHMWPE-Schicht.
3. Untere konvexe Platte – passt sich der Krümmung an und überträgt vertikale Lasten.
4. Rückhaltesystem – Optionale Führungsstangen oder Rückhaltesysteme zur unidirektionalen Bewegungssteuerung.
5. Element zur Dissipation seismischer Energie – optionale Schichten mit hoher Dämpfung.

2.3,Typen und Klassifizierungen
Je nach Funktionsanforderungen lassen sich Gelenklager in folgende Typen einteilen:

1,Feste sphärische Lager
Feste Gelenklager erlauben keine horizontale Verschiebung, können sich aber frei drehen. Sie eignen sich für Strukturteile, die die horizontale Bewegung einschränken und gleichzeitig eine Drehung ermöglichen müssen.
2,Unidirektional gleitende sphärische Lager
Unidirektional gleitende Gelenklager ermöglichen das Gleiten entlang einer Richtung. Sie sind auf Bauwerke mit spezifischen Verschiebungsanforderungen anwendbar, wie beispielsweise die Anpassung der Längsverschiebung bei bestimmten Brücken.
3, Multidirektional gleitende sphärische Lager
Multidirektional gleitende Gelenklager können in jede horizontale Richtung gleiten. Sie eignen sich für erdbebengefährdete Gebiete oder Brücken mit großer Spannweite, um komplexe Belastungsbedingungen zu bewältigen.
4, Seismische sphärische Lager
Seismische Gelenklager sind in der Regel mit Dämpfungsvorrichtungen ausgestattet, die bei Erdbeben eine zusätzliche Energiedissipationskapazität bieten und die seismische Leistung von Bauwerken verbessern können.

2.4, Anwendungsbereiche vonSphärische Lager
Aufgrund ihrer hervorragenden Leistung werden Gelenklager häufig in den folgenden Bereichen eingesetzt:

1, Brücken mit großer-Spannweite
Bei Brücken mit großer Spannweite wie Schrägseilbrücken, Hängebrücken und Bogenbrücken können sich Gelenklager effektiv an Verschiebungen und Drehungen anpassen, die durch Temperaturänderungen, Fahrzeuglasten oder Windlasten verursacht werden.
2, Hochhäuser
Hohe-Gebäude schwanken unter Windlasten oder seismischen Einwirkungen. Gelenklager können strukturelle Spannungen reduzieren und die Stabilität und Sicherheit der Gebäude verbessern.
3, Stadien und großspannige Raumstrukturen
In großspannigen Raumkonstruktionen wie Turnhallen und Kongresszentren können sich Gelenklager an komplexe Belastungen anpassen und die Stabilität und Haltbarkeit der Konstruktionen gewährleisten.
4, Kernkraftwerke und Schlüsselinfrastruktur
In wichtigen Infrastrukturen wie Kernkraftwerken und großen Staudämmen können sphärische Lager eine zuverlässige Unterstützung und Erdbebensicherheit bieten, um die strukturelle Sicherheit zu gewährleisten.

2.5, Vorteile und Herausforderungen von sphärischen Lagern
1, Vorteile:
• Hohe Belastbarkeit: Hält Belastungen von mehreren tausend Tonnen stand.
• Multidirektionale Verschiebungsanpassungsfähigkeit: Kann sich gleichzeitig an Rotation und horizontale Verschiebung anpassen.
• Starke Haltbarkeit: Hergestellt aus Hochleistungsmaterialien, die eine lange Lebensdauer gewährleisten.
• Hervorragende seismische Leistung: Weit verbreitet in erdbebengefährdeten Gebieten.

2, Herausforderungen:
• Hohe Anforderungen an die Fertigungspräzision: Für die Bearbeitung sphärischer Oberflächen und die Abstimmung von Gleitmaterialien sind hochpräzise Prozesse erforderlich.
• Relativ hohe Wartungskosten: Gleitmaterialien oder Dichtungsvorrichtungen müssen möglicherweise nach längerem -Zeitgebrauch ausgetauscht werden.
• Komplexes Design: Je nach den spezifischen technischen Anforderungen ist ein maßgeschneidertes Design erforderlich.

III. Forschung und Entwicklung

3.1 Technische Spezifikationen
Designparameter (typischer Produktionsbereich):
Vertikale Tragfähigkeit: 1.000 – 50.000 kN
Horizontale Verschiebungskapazität: ±50 bis ±250 mm
Rotationskapazität: Größer oder gleich 0,03 rad (~1,7 Grad)
Reibungskoeffizient (μ): 0,03 – 0,06 (statisch), 0,02 – 0,05 (dynamisch)
Dämpfungsverhältnis (HDR-Typ): 8 – 25 %
Betriebstemperaturbereich: -40 Grad bis +60 Grad (bis zu +70 Grad speziell)
Lebensdauer: Mindestens 50 Jahre
Seismische Leistung: Größer oder gleich 0,3 g Auslegungsbeschleunigung

3.2, Patent

IV. Materialien

V. Herstellung und Qualitätskontrolle

Oberflächenrauheit (Gleitfläche): Ra Kleiner oder gleich 0,2 μm
Ebenheitstoleranz: Kleiner oder gleich 0,5 mm pro 1.000 mm
Härte (Gleitplatte): Größer oder gleich HB 220
PTFE-Bindungsfestigkeit: Größer oder gleich 3 MPa Scherung
Alle Lager werden im Werk zu 100 % auf Maßhaltigkeit, Belastungsverformungskurve, Reibungskoeffizient unter Konstruktionslast und optische Mängel getestet.

VI. Leistungsüberprüfung, Tests und Qualitätssicherung

6.1 Allgemeine Anforderungen
Alle sphärischen seismischen Isolationslager müssen Typprüfungen, Routineprüfungen und Abnahmeprüfungen gemäß chinesischen und internationalen Standards unterzogen werden.
6.2 Klassifizierung der Tests
Typprüfungen – Nachweis der Designkonformität (einmal pro neuem Design)
Routinetests – Überprüfung der Produktionsqualität (jede Charge)
Abnahmetests – Endgültige Produktfreigabe vor Auslieferung (100 % Lager)
6.3 Spezifische Tests und Anforderungen
Vertikaler Belastungstest – Restverformung kleiner oder gleich 0,3 mm, keine sichtbaren Schäden.
Horizontaler Verschiebungstest – Reibungskoeffizient μ Kleiner oder gleich 0,06, keine Oberflächenbeschädigung nach 50 Zyklen.
Rotationskapazitätstest – Sanfte Bewegung bei einer Rotation von mehr als oder gleich 0,03–0,05 rad.
Verschleiß- und Ermüdungstest – Weniger als oder gleich 1 % PTFE-Dickenverlust nach Zyklen.
Seismischer Simulationstest – Dämpfungsverhältnis innerhalb von ±2 % der Auslegung, Verschiebung innerhalb des Spielraums.
Temperaturtests – Reibungsschwankung kleiner oder gleich ±15 % gegenüber Raumtemperatur.
Korrosionsbeständigkeitstest – Kein Beschichtungsfehler nach 500 Stunden Salzsprühnebel.
6.4 Verfahren zur werkseigenen Qualitätskontrolle
Wareneingangsprüfung – Ultraschall-Stahlprüfung, PTFE-Dichte und -Festigkeit.
In-QC im Prozess – Blechbearbeitungstoleranz ±0,2 mm, Schweißnahtprüfung.
Endkontrolle – Maßkontrolle, Markierungsüberprüfung.
6.5 Dokumentation und Rückverfolgbarkeit
Pflegen Sie Materialtestzertifikate, Aufzeichnungen zur werkseigenen Produktionskontrolle und Konformitätszertifikate.
6.6 Zusammenfassung der Akzeptanzkriterien
Vertikale Verformung kleiner oder gleich 0,3 mm, Reibung kleiner oder gleich 0,06, PTFE-Verschleiß kleiner oder gleich 1 %, Rotation größer oder gleich 0,03 rad.
6.7, Typprüfung und Berichte.

6.7.1, Prüfgeräte

6.7.2, Testberichte

VII. Installationsrichtlinien

Vorbereitung – Lagersitztoleranz und Schraubenpositionen prüfen.
Installationsschritte – Aufbau anheben, Lager positionieren, sichern, prüfen, Stützen lösen.
Abstand – Halten Sie einen seismischen Spalt von mindestens 50 mm ein.

VIII. Wartungsplan

6 Monate: Sichtprüfung
2 Jahre: Funktionsprüfung
5 Jahre: Detaillierte Inspektion
25 Jahre: Überholung

IX. Verpackung und Lagerung

In feuchtigkeitsbeständiger Verpackung verpacken, an einem belüfteten Ort lagern, maximal 3 Lagen übereinander stapeln.

X. Tabelle mit typischen Abmessungen

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10.1, Spezifikationen für QZ-Gelenklager für Autobahnbrücken.
10.2, Spezifikationen für LQZ-Gelenklager für Autobahnbrücken

XI. Anwendungsfälle

XII, Zukünftige Entwicklungstrends von sphärischen Lagern

Mit der Entwicklung der Ingenieurstechnik,sphärische lagersind ständig innovativ und die folgenden Trends könnten sich in Zukunft abzeichnen:

1, Intelligente Lager:
Integriert in die Sensortechnologie können sie die Belastung, Verschiebung und den Verschleiß von Lagern in Echtzeit überwachen, um eine intelligente Frühwarnung und Wartung zu realisieren.
2, Anwendung neuer Materialien
Materialien wie graphenverstärkte Verbundwerkstoffe und selbstschmierende Materialien können die Haltbarkeit und Gleitleistung von Gelenklagern verbessern.
3, Grün- und Umweltschutzdesign
Durch die Verwendung recycelbarer Materialien oder reibungsarmer Umweltschutzbeschichtungen können die Auswirkungen auf die Umwelt verringert werden.
4, 3D-Drucktechnologie
Der Einsatz der 3D-Drucktechnologie zur Herstellung von Lagern mit komplexen Formen kann die Produktionseffizienz und die Anpassungsmöglichkeiten verbessern.