Vòng bi cầu: Loại, chức năng, lắp đặt và bảo trì

Đặc điểm kỹ thuật khớp nối và ổ trục của cầu là những khía cạnh thiết yếu của kỹ thuật cầu, đảm bảo tuổi thọ và chức năng của cầu. Hướng dẫn toàn diện này đi sâu vào tầm quan trọng của các thành phần này, các loại khác nhau, tiêu chí lựa chọn và các biện pháp thực hành tốt nhất để bảo trì và lắp đặt.

Tìm hiểu khớp nối cầu và vòng bi cầu

Khớp nối trong kỹ thuật cầu đề cập đến thiết kế chiến lược và vị trí của các giá đỡ và vòng bi cho phép chuyển động và quay cần thiết. Điều này ngăn cản sự căng thẳng quá mức lên cả kết cấu thượng tầng và kết cấu bên dưới, đảm bảo rằng các cây cầu có thể thích ứng với các lực và chuyển động khác nhau mà không bị hư hại.

Vòng bi cầu hoạt động như thế nào?

Vòng bi cầu hoạt động bằng cách truyền tải trọng từ kết cấu phần trên của cầu sang kết cấu phần dưới đồng thời hỗ trợ hoặc hạn chế chuyển động tương đối. Những chuyển động này có thể bao gồm sự giãn nở và co lại vì nhiệt, cũng như các chuyển động do tải trọng giao thông và lực gió gây ra. Vòng bi cho phép cầu uốn cong và di chuyển mà không gây hư hỏng kết cấu, duy trì tính nguyên vẹn và tuổi thọ của cầu.

Cầu chịu lực miễn phí là gì?

Cầu chịu lực tự do là loại cầu trong đó vòng bi cho phép chuyển động theo nhiều hướng mà không bị hạn chế đáng kể. Những ổ trục này, thường là ổ trục đàn hồi hoặc ổ trượt, cho phép cấu trúc thượng tầng của cầu giãn nở, co lại và xoay tự do để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt, thay đổi tải trọng và các lực khác. Thiết kế này thường được sử dụng khi cấu trúc cần đáp ứng các chuyển động và góc quay lớn mà không áp đặt các hạn chế đáng kể.

Vật liệu nào được sử dụng cho vòng bi cầu?

Gối cầu được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, được lựa chọn dựa trên loại gối đỡ và yêu cầu cụ thể của cầu. Các vật liệu phổ biến bao gồm:

• Cao su và thép: Được sử dụng trong vòng bi đàn hồi, kết hợp tính linh hoạt và sức mạnh.
• Polytetrafluoroetylen (PTFE): Vật liệu có độ ma sát thấp được sử dụng trong bề mặt trượt của vòng bi hình trụ và hình cầu.
• Thép không gỉ: Thường được sử dụng trong vòng bi hình cầu vì độ bền và khả năng chống ăn mòn.
• Vật liệu đồng và composite: Đôi khi được sử dụng trong các vòng bi chuyên dụng do đặc tính độc đáo của chúng.

Các loại và chức năng của vòng bi cầu

Vòng bi rất quan trọng trong việc truyền tải trọng từ cấu trúc thượng tầng của cầu sang cấu trúc phụ trong khi hỗ trợ hoặc hạn chế các chuyển động tương đối. Có một số loại vòng bi, mỗi loại phù hợp với các yêu cầu và cấu hình cầu khác nhau:

• Vòng bi đàn hồi: Chúng bao gồm các lớp cao su được ngăn cách bởi các tấm thép, thường được sử dụng trong các kết cấu nhỏ. Chúng xử lý các chuyển động thông qua biến dạng cắt và có hiệu quả kinh tế đối với các ứng dụng có chuyển động dọc, ngang và quay nhỏ.
• Vòng bi nồi: Chúng bao gồm một đĩa đàn hồi giới hạn trong một xi lanh thép, cho phép chuyển động quay đáng kể. Chúng cũng có thể điều chỉnh các chuyển động tịnh tiến khi có bề mặt trượt.
• Vòng bi cầu: Được sử dụng cho các vòng quay lớn, những vòng bi này sử dụng bề mặt hình cầu, thường được lót bằng PTFE và khớp với bề mặt thép không gỉ. Chúng đắt hơn do yêu cầu gia công và thường được sử dụng trong các kết cấu chính.
• Vòng bi Rocker: Cho phép xoay quanh một trục duy nhất, vòng bi bập bênh cung cấp khả năng hạn chế xoắn quanh trục trực giao với đường tiếp xúc. Chúng thường được sử dụng trong các cầu đường sắt nơi có tải trọng va đập cao.
• Vòng bi dẫn hướng: Những điều này đảm bảo cấu trúc duy trì đường giãn nở/co lại chính xác mà không chịu tải trọng thẳng đứng, hữu ích trong các cấu trúc có độ lệch lớn hoặc nhiều nhịp.

Những cân nhắc chính cho thiết kế vòng bi cầu và khớp nối

Các yếu tố môi trường và tải trọng

1. Thay đổi nhiệt độ: Cả sự thay đổi nhiệt độ đồng đều và chênh lệch đều có thể gây ra chuyển động và ứng suất đáng kể trong kết cấu cầu.
2. Co ngót bê tông: Độ co ngót của các thành phần bê tông, chẳng hạn như tấm sàn, phải được điều chỉnh để tránh ứng suất quá mức.
3. Hành động vĩnh viễn: Tĩnh tải và tĩnh tải chồng lên nhau tạo ra các lực liên tục cần được quản lý.
4. Hành động thay đổi: Tải trọng giao thông là một hành động biến đổi chính mà vòng bi phải đáp ứng.
5. Tải dọc và ngang: Cả hai loại tải trọng đều ảnh hưởng đến việc lựa chọn và thiết kế vòng bi.
6. Hỗ trợ giải quyết: Bất kỳ chuyển động hoặc độ lún nào của các giá đỡ đều có thể tạo ra các lực và chuyển động bổ sung mà vòng bi cần xử lý.
7. Hành động ngẫu nhiên: Tác động từ va chạm xe cộ hoặc các tai nạn khác cần được xem xét trong thiết kế vòng bi.

Chỗ ở di chuyển trong vòng bi cầu

Vòng bi phải chịu được cả chuyển động vĩnh viễn (không thể đảo ngược) và chuyển động tạm thời (có thể đảo ngược). Điều này đảm bảo rằng cây cầu có thể thích ứng với nhiều điều kiện khác nhau mà không tích tụ ứng suất có thể dẫn đến hư hỏng.

Quản lý xoay trong vòng bi cầu

Phải tính đến các phép quay quanh trục dọc và trục ngang tại các gối đỡ. Những chuyển động quay này có thể được chứa trong ổ trục hoặc bị chúng cản lại. Trong một số trường hợp, việc xoay quanh một trục thẳng đứng, liên quan đến sự uốn cong của mặt bằng, cũng phải được xem xét, mặc dù điều này thường là tối thiểu.

Chuyển vị ngang trong vòng bi cầu

Chuyển vị ngang phát sinh từ những thay đổi tổng thể về chiều dài kết cấu và độ uốn. Vị trí ổ trục thích hợp là rất quan trọng để quản lý các chuyển vị này, ngăn ngừa ứng suất quá mức và đảm bảo tính toàn vẹn của cấu trúc.

Tối ưu hóa việc sắp xếp khớp nối với vòng bi cầu

Vòng bi hạn chế và khe co giãn

Việc giảm số lượng vòng bi và giảm thiểu chuyển động do các khe co giãn tạo ra sẽ làm giảm trách nhiệm bảo trì. Cách tiếp cận này đơn giản hóa cấu trúc và tăng cường tuổi thọ của nó.

Tránh nâng lên trong vòng bi cầu

Việc ngăn chặn lực nâng tại các vị trí chịu lực, đặc biệt là ở các kết cấu bị lệch, là điều cần thiết. Uplift có thể làm phức tạp việc thiết kế và tăng chi phí, vì vậy nên tránh bất cứ khi nào có thể.

Các hạn chế cơ học trong vòng bi cầu

Các hạn chế cơ học là cần thiết để quản lý các lực ngang và đảm bảo rằng sự giãn nở và co lại nhiệt xảy ra một cách chính xác. Những hạn chế này nên được đặt một cách chiến lược để kiểm soát chuyển động một cách hiệu quả.

Tính linh hoạt trong cầu nhiều nhịp với vòng bi cầu

Việc sử dụng các trụ mảnh cho phép chia sẻ tải trọng và tính linh hoạt sẽ ngăn chặn các hạn chế về chuyển động trong các kết cấu nhiều nhịp. Việc xem xét thiết kế này giúp nâng cao khả năng thích ứng của cấu trúc với các lực và chuyển động khác nhau.

Sơ đồ khớp nối chi tiết cho vòng bi cầu

Cầu nhịp đơn

1. Phát âm nổi: Ở những cây cầu nhỏ có lực ngang nhỏ, mặt cầu có thể “nổi” trên các gối đàn hồi. Những vòng bi này đáp ứng mọi chuyển động thông qua biến dạng cắt.
2. Khớp nối điểm cố định: Hầu hết các cây cầu đều yêu cầu các lực cản cơ học để quản lý lực ngang. Vòng bi chậu và vòng bi dẫn hướng (một chiều) được sử dụng để điều khiển chuyển động, với vòng bi cố định xử lý lực dọc.

Bộ bài nhiều nhịp liên tục

Đối với nhịp dài hơn, cường độ chuyển động tăng lên. Việc đặt ổ trục cố định vào giữa cầu đảm bảo sự giãn nở nhiệt được phân bố đều, giảm ứng suất lên kết cấu. Thiết kế trụ phải tính đến lực ngang do tác động phanh và tăng tốc.

Mặt cầu cong có ổ cầu

Sàn cong có thể được dẫn hướng theo hướng xuyên tâm từ một điểm cố định hoặc tiếp tuyến với bán kính cong. Dẫn hướng xuyên tâm yêu cầu hình học chính xác cho ổ trục, trong khi căn chỉnh tiếp tuyến dẫn hướng mặt cầu quanh các đường cong một cách hiệu quả, hỗ trợ lực ngang bằng các ổ trục dẫn hướng cụ thể.

Khe co giãn trong vòng bi cầu và khớp nối

Những cây cầu hiện đại sử dụng khe co giãn để quản lý chuyển động, ngăn ngừa nứt cục bộ và duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc. Thông số kỹ thuật phù hợp của các khớp này là rất quan trọng, tương tự như vòng bi, để đảm bảo khả năng di chuyển hiệu quả và giảm thiểu việc bảo trì.

Thông số kỹ thuật và lắp đặt vòng bi cầu

Chuẩn bị lịch trình vòng bi cho vòng bi cầu

Người thiết kế cầu phải chuẩn bị một kế hoạch chịu lực chi tiết, liệt kê các lực, chuyển động và các đặc tính làm việc. Thông tin này giúp nhà thiết kế ổ trục xác định các giá trị thiết kế và thông số kỹ thuật đầy đủ.

Những cân nhắc lắp đặt cho vòng bi cầu

Vòng bi phải được lắp đặt với các cài đặt định hướng và nhiệt độ chính xác để phù hợp với các chuyển động giãn nở và co lại hoàn toàn. Các tấm côn có thể được yêu cầu để căn chỉnh các bề mặt chịu lực với hình dạng cuối cùng của cầu.

Bảo trì và kiểm tra vòng bi cầu

Thiết kế cho khả năng tiếp cận trong vòng bi cầu

Vòng bi phải được thiết kế để dễ dàng kiểm tra, bảo trì và thay thế. Điều này bao gồm việc cung cấp khả năng tiếp cận, phương tiện để giảm tải và không gian vật lý để tháo và lắp vòng bi mới.

Phòng trưng bày mố cầu cho vòng bi cầu

Tại mố, các phòng trưng bày tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm tra và bảo trì vòng bi. Những phòng trưng bày này cung cấp khả năng tiếp cận và không gian cần thiết để làm việc trên vòng bi mà không cần sửa đổi cấu trúc đáng kể.

Phần kết luận

Đặc điểm kỹ thuật khớp nối và ổ trục của cầu là nền tảng cho chức năng và tuổi thọ của cầu. Bằng cách hiểu và thực hiện các thiết kế và phương pháp bảo trì tối ưu, các kỹ sư có thể đảm bảo rằng các cây cầu vẫn an toàn, bền bỉ và hiệu quả trong nhiều năm tới. Khớp nối thích hợp cho phép các cây cầu thích ứng với các lực và chuyển động khác nhau, trong khi các vòng bi được lựa chọn tốt sẽ truyền tải hiệu quả và đáp ứng các chuyển vị và chuyển động quay cần thiết. Thông qua thiết kế, lắp đặt và bảo trì tỉ mỉ, tính toàn vẹn và hiệu suất của kết cấu cầu có thể được nâng cao đáng kể.