Co to jest łożysko mostowe?

Definicja i funkcje łożysk mostowych

Łożysko mostowe to urządzenie konstrukcyjne instalowane na styku ustroju nośnego mostu (dźwigary, kratownice, skrzynki lub pomost) z podporą (przyczółki i filary). Jego cel jest pozornie prosty, przenosić obciążenia i umożliwiać ruch, jednak wymagania mechaniczne są surowe. Łożyska mostowe muszą jednocześnie wytrzymywać wysokie siły ściskające od obciążenia stałego i ruchomego, umożliwiając subtelne, ale ciągłe ruchy wynikające z dobowych i sezonowych cykli temperaturowych.

Trzy podstawowe funkcje łożyska mostowego to przenoszenie obciążenia, umożliwianie obrotu i umożliwianie przesunięcia. Przenoszenie obciążenia oznacza, że łożysko musi przenosić wszystkie siły pionowe (ciężar własny konstrukcji plus obciążenia ruchem) i siły poziome (wiatr, siły hamowania i przyspieszania pojazdów, siły odśrodkowe na łukach, obciążenia sejsmiczne i tarcie od ruchów termicznych) z ustroju nośnego na podporę bez nadmiernego obciążania któregokolwiek z elementów. Typowe łożysko na moście średniej rozpiętości przenosi kilkaset ton obciążenia pionowego, opierając się siłom poziomym, które mogą przekraczać 10% obciążenia pionowego.

Umożliwianie obrotu dotyczy faktu, że dźwigary mostowe uginają się pod obciążeniem. Gdy ciężarówka przejeżdża przez przęsło, końce dźwigarów obracają się, górny pas ulega ściskaniu, a dolny rozciąganiu, powodując mierzalną zmianę kąta na podporze. Nawet pod samym obciążeniem stałym, sprężone dźwigary betonowe ulegają długotrwałemu obrotowi z powodu pełzania i skurczu. Łożysko stałe musi umożliwiać ten obrót poprzez wewnętrzne odkształcenie lub artykulację. Łożysko podatne musi umożliwiać zarówno obrót, jak i poziome przesunięcie.

Umożliwianie przesunięcia jest najbardziej widoczną funkcją łożyska podatnego. 40-metrowe stalowe przęsło mostu poddane zmianie temperatury o 50°C rozszerza się lub kurczy o około 24 mm (obliczone jako α × ΔT × L, gdzie α = 12 × 10⁻⁶/°C dla stali, ΔT = 50°C, a L = 40 000 mm). W przypadku wieloprzęsłowego mostu ciągłego ruchy te kumulują się na przyczółkach, często przekraczając 100 mm całkowitego przemieszczenia. Mosty betonowe doświadczają dodatkowych długoterminowych ruchów od pełzania i skurczu, które mogą dorównywać ruchom termicznym lub je przewyższać. Bez prawidłowo działających łożysk podatnych ruchy te generują naprężenia szczątkowe, które pękają pomosty, odkształcają dźwigary i uszkadzają podpory.

Łożyska mostowe dzielą się na dwie podstawowe kategorie: łożyska stałe i łożyska podatne. Łożyska stałe ograniczają przesunięcie poziome, umożliwiając obrót. Stosuje się je zazwyczaj na pośrednich filarach mostów ciągłych, gdzie potrzebne jest ograniczenie poziome w celu rozłożenia sił hamowania i sejsmicznych. Łożyska podatne umożliwiają zarówno obrót, jak i poziome przesunięcie. Instaluje się je na przyczółkach i w wybranych lokalizacjach filarów, aby umożliwić ruchy termiczne i pełzanie. Rozmieszczenie łożysk stałych i podatnych wzdłuż mostu jest określane na podstawie analizy konstrukcyjnej, aby osiągnąć pożądaną ścieżkę obciążenia dla sił podłużnych.

Wszystkie łożyska mostowe, niezależnie od typu, mają cztery podstawowe elementy: (1) płytę górną przymocowaną do ustroju nośnego (dolny pas dźwigara), (2) płytę oporową spoczywającą na podporze (głowica filara lub przyczółka), (3) sam element łożyska (elastomer, rolka stalowa, wahacz, garnek, tarcza lub powierzchnia ślizgowa) oraz (4) śruby kotwiące lub osadzone mocowania, które zabezpieczają zespół łożyska zarówno do ustroju nośnego, jak i podpory.

Typy łożysk mostowych

Różnorodność typów łożysk mostowych odzwierciedla szeroki zakres obciążeń, ruchów i warunków eksploatacyjnych spotykanych w różnych konfiguracjach mostów. Wybór łożyska zależy od rozpiętości przęsła, wielkości obciążenia, wymaganego ruchu, wymagań dotyczących obrotu, warunków narażenia (sól, wilgotność, skrajne temperatury), zagrożenia sejsmicznego i dostępu do konserwacji. Każdy typ ma odrębne zachowanie mechaniczne, tryby awarii i kwestie inspekcyjne.

Łożyska elastomerowe

Łożyska elastomerowe są najczęściej stosowanym typem we współczesnym budownictwie mostów drogowych, szczególnie w przypadku przęseł do 50 metrów. Składają się z podkładek z gumy naturalnej lub neoprenu (polichloroprenu), które umożliwiają ruch poprzez odkształcenie ścinające. Podstawowa zasada polega na tym, że elastomer odkształca się elastycznie przy ścinaniu pod obciążeniem poziomym, umożliwiając przesunięcie ustroju nośnego, podczas gdy łożysko utrzymuje pełne przenoszenie obciążenia ściskającego.

Istnieją dwa podtypy: zwykłe podkładki elastomerowe (niezbrojone) i laminowane łożyska elastomerowe (wzmocnione stalą). Zwykłe podkładki są stosowane tylko do lekkich obciążeń i małych ruchów, zazwyczaj na mostach o krótkich przęsłach, mostach dla pieszych lub jako drugorzędne elementy łożysk. Są one ograniczone maksymalnym naprężeniem ściskającym wynoszącym około 5 do 7 MPa i są podatne na nadmierne wybrzuszenie i wyciskanie w przypadku przeciążenia.

Laminowane łożyska elastomerowe składają się z naprzemiennych warstw elastomeru i cienkich wkładek stalowych (zazwyczaj o grubości od 1,5 do 3 mm) wulkanizowanych razem podczas produkcji. Wkładki stalowe ograniczają boczne wybrzuszenie elastomeru pod ściskaniem, drastycznie zwiększając sztywność pionową łożyska, przy jednoczesnym utrzymaniu niskiej sztywności ścinania potrzebnej do umożliwienia ruchu. Typowe laminowane łożysko dla mostu drogowego może mieć od 5 do 20 warstw elastomeru, każda o grubości od 8 do 12 mm, oddzielonych wkładkami stalowymi. Łożysko jest łączone z górnymi i dolnymi stalowymi płytami obciążeniowymi, które są przykręcone lub przyspawane do ustroju nośnego i podpory.

Zachowanie mechaniczne łożysk elastomerowych podlega przewidywalnym zasadom inżynieryjnym. Pod obciążeniem pionowym łożysko ulega ściskaniu, wkładki stalowe zapobiegają rozszerzaniu bocznemu, więc sztywność pionowa jest od 50 do 100 razy wyższa niż sztywność ścinania. Pod obciążeniem poziomym łożysko odkształca się przy ścinaniu z modułem ścinania G zazwyczaj w zakresie od 0,6 do 1,2 MPa dla gumy naturalnej i od 0,7 do 1,4 MPa dla neoprenu. Sztywność poziomą oblicza się jako K_h = (G × A) / h_rt, gdzie A to pole powierzchni w planie, a h_rt to całkowita grubość elastomeru. Odkształcenie przy ścinaniu jest ograniczone do około 50% przy połączonym obciążeniu stałym i ruchu termicznym oraz do 100% przy obciążeniu sejsmicznym.

Łożyska garnkowe

Łożyska garnkowe są przeznaczone do zastosowań o wysokim obciążeniu i umiarkowanym ruchu, w których łożyska elastomerowe nie mogą osiągnąć wymaganej nośności lub obrotu. Składają się ze stalowego cylindra (garnka) zawierającego krążek elastomerowy (zazwyczaj guma naturalna lub neopren), który jest ściskany przez stalowy tłok ściśle dopasowany wewnątrz cylindra. Pierścień uszczelniający, często z brązu lub mosiądzu, zapobiega wyciskaniu elastomeru pod wysokim ciśnieniem.

Łożysko garnkowe działa na zasadzie zamknięcia hydrostatycznego. Krążek elastomerowy jest ściskany wewnątrz uszczelnionego cylindra, generując wysokie wewnętrzne ciśnienie hydrostatyczne, które pozwala łożysku wytrzymywać bardzo duże obciążenia pionowe, do 10 000 kN lub więcej na łożysko. Obrót jest umożliwiany przez odkształcenie zamkniętego elastomeru, a ruch poziomy jest osiągany poprzez powierzchnię ślizgową (zazwyczaj PTFE przeciwko stali nierdzewnej) wbudowaną w zespół łożyska.

Łożyska garnkowe są dostępne w dwóch konfiguracjach: stałe łożyska garnkowe (umożliwiające tylko obrót) oraz prowadzone lub nieprowadzone ślizgowe łożyska garnkowe (umożliwiające zarówno obrót, jak i przesunięcie). Łożyska prowadzone umożliwiają ruch tylko w jednym kierunku (zazwyczaj wzdłużnym), podczas gdy łożyska nieprowadzone umożliwiają ruch wielokierunkowy. Powierzchnia ślizgowa to zazwyczaj arkusz PTFE (politetrafluoroetylenu) przyklejony do tłoka, opierający się o polerowaną przeciwpłytę ze stali nierdzewnej.

Inspekcja łożysk garnkowych koncentruje się na integralności uszczelnienia. Jeśli pierścień uszczelniający ulegnie zniszczeniu lub cylinder ulegnie korozji, krążek elastomerowy może zostać wyciśnięty pod ciśnieniem, prowadząc do utraty zamknięcia i nagłej utraty nośności pionowej. Sekcja 9 Podręcznika Inspektora Mostów FHWA podkreśla, że łożyska garnkowe należy sprawdzać pod kątem oznak wycieku wokół uszczelnienia tłoka, wżerów korozyjnych na ściance cylindra oraz stanu powierzchni ślizgowej PTFE.

Łożyska sferyczne

Łożyska sferyczne są preferowanym rozwiązaniem w zastosowaniach wymagających dużych obrotów w wielu kierunkach pod wysokimi obciążeniami. Nie zawierają elementów elastomerowych, obrót jest umożliwiany przez wypukłą powierzchnię sferyczną (zazwyczaj polerowana stal nierdzewna) ślizgającą się po dopasowanej wklęsłej powierzchni wyłożonej PTFE. Geometria umożliwia obrót wokół dowolnej osi przechodzącej przez środek kuli, zapewniając prawdziwą wielokierunkową zdolność obrotu.

Łożyska sferyczne mogą być zaprojektowane jako stałe (tylko obrót) lub ślizgowe (obrót plus przesunięcie). W stałym łożysku sferycznym obrót jest umożliwiany przez powierzchnię sferyczną, a łożysko jest sztywno przykręcone u góry i u dołu. W ślizgowym łożysku sferycznym wbudowana jest druga płaska powierzchnia ślizgowa PTFE/stal nierdzewna, zazwyczaj powyżej lub poniżej elementu sferycznego, aby zapewnić przesunięcie poziome. Daje to łożysku zarówno wielokierunkową zdolność obrotu, jak i wielokierunkową zdolność przesunięcia.

Kątowa zdolność obrotu łożysk sferycznych może przekraczać ±0,05 radiana (około ±3 stopni), co jest znacznie więcej niż w przypadku większości innych typów łożysk. To czyni je idealnymi do mostów zakrzywionych i skośnych, konstrukcji o dużych rozpiętościach oraz mostów o znacznym potencjale różnicowego osiadania. Nośność pionowa waha się od 1 000 kN do ponad 30 000 kN, w zależności od średnicy kuli i specyfikacji materiałowych.

Inspekcja łożysk sferycznych wymaga zwrócenia uwagi na stan wykładziny PTFE, zużycie, zanieczyszczenie lub przemieszczenie zmniejsza wydajność ślizgu i może zablokować obrót. Wypukła powierzchnia ze stali nierdzewnej powinna być sprawdzona pod kątem rys, wżerów lub korozji, które mogłyby uszkodzić interfejs PTFE. Należy zweryfikować integralność systemów uszczelniających chroniących powierzchnie ślizgowe przed zanieczyszczeniami i wilgocią.

Łożyska tarczowe

Łożyska tarczowe są nowoczesną alternatywą dla łożysk garnkowych, wykorzystującą tarczę z polieterouretanu (poliuretanu) zamiast zamkniętej podkładki elastomerowej. Tarcza uretanowa nie jest zamknięta w cylindrze, jest zaprojektowana tak, aby ściskać się i odkształcać w kontrolowany sposób pod obciążeniem, zapewniając doskonałą zdolność obrotu poprzez elastyczne odkształcenie materiału tarczy.

W przeciwieństwie do łożysk garnkowych, łożyska tarczowe nie wymagają pierścienia uszczelniającego, ponieważ materiał uretanowy jest z natury odporny na wyciskanie i nie wymaga zamknięcia hydrostatycznego. Eliminuje to najczęstszy tryb awarii łożysk garnkowych (nieszczelność uszczelnienia i wyciskanie elastomeru). Tarcza uretanowa jest zamknięta między górną i dolną płytą stalową z centralnym pierścieniem ograniczającym, który ogranicza odkształcenie boczne.

Łożyska tarczowe umożliwiają przesunięcie poprzez oddzielną powierzchnię ślizgową PTFE/stal nierdzewna, podobnie jak łożyska garnkowe i sferyczne. Oferują zdolność obrotu porównywalną z łożyskami garnkowymi (±0,02 do ±0,03 radiana) z lepszą wydajnością zmęczeniową i zmniejszonymi wymaganiami konserwacyjnymi. Materiał uretanowy zapewnia również nieodłączne właściwości tłumienia, które mogą być korzystne dla wydajności sejsmicznej.

Porównanie typów łożysk o wysokim obciążeniu:

Łożyska wahaczowe

Łożyska wahaczowe składają się ze stalowego elementu wahaczowego z zakrzywioną (cylindryczną) dolną powierzchnią, która kołysze się na płaskiej lub zakrzywionej płycie oporowej. Obrót jest umożliwiany przez kontakt toczny na zakrzywionym interfejsie, a przesunięcie jest umożliwiane przez ślizganie się górnej płyty względem wahacza lub przez samo przechylanie się wahacza. Łożyska wahaczowe są tradycyjnym typem łożyska stalowego stosowanym na starszych mostach, szczególnie tych zbudowanych w pierwszej połowie XX wieku.

Istnieje kilka konfiguracji: pojedyncze łożyska wahaczowe (jeden zakrzywiony element wahaczowy), segmentowe łożyska wahaczowe (wiele zakrzywionych segmentów), gniazdowe łożyska wahaczowe (klastry elementów wahaczowych) i łożyska wahaczowe sworzniowe (połączenie sworzniowe w środku obrotu wahacza). Pojedynczy wahacz jest najczęstszy, zazwyczaj składa się z odlewanego lub spawanego stalowego wahacza o promieniu krzywizny od 150 do 600 mm.

Podstawowe zachowanie łożyska wahaczowego jest określone przez promień krzywizny i współczynnik tarcia. Gdy wahacz się przechyla, punkt kontaktu przesuwa się wzdłuż zakrzywionej powierzchni, a siła pozioma wymagana do dalszego przechylania jest równa obciążeniu pionowemu pomnożonemu przez przemieszczenie poziome podzielone przez wysokość pionową wahacza. Ta nieodłączna siła przywracająca musi być opierana przez podporę lub przez dodatkowe mechanizmy ograniczające.

Łożyska wahaczowe są bardzo podatne na korozję, ponieważ są odsłoniętymi elementami stalowymi z ograniczoną lub żadną ochroną antykorozyjną. Zakrzywione powierzchnie kontaktu są szczególnie narażone, wżery korozyjne na promieniu wahacza lub płycie oporowej niszczą gładki interfejs toczny i prowadzą do zablokowania ruchu lub nieregularnego zachowania. Wytyczne FHWA zauważają, że łożyska wahaczowe mogą stać się niestabilne pod obciążeniem sejsmicznym, ponieważ wahacz może przechylić się poza swój zaprojektowany zakres i spaść.

Łożyska rolkowe

Łożyska rolkowe wykorzystują cylindryczne stalowe rolki między płaskimi płytami łożyskowymi do umożliwienia ruchu przesuwnego poprzez toczenie. Dzielą się na pojedyncze łożyska rolkowe (jedna duża rolka) i gniazdowe łożyska rolkowe (wiele mniejszych rolek między równoległymi płytami). Rolki są zazwyczaj wykonane ze stali o wysokiej wytrzymałości z utwardzonymi powierzchniami i są prowadzone przez płyty boczne lub klatki w celu utrzymania wyrównania.

Łożyska rolkowe mają nieodłącznie niskie tarcie, współczynnik tarcia tocznego wynosi zazwyczaj od 0,01 do 0,03, znacznie niższy niż tarcie ślizgowe, co oznacza, że do zainicjowania ruchu wymagane są bardzo niskie siły poziome. To czyni je skutecznymi do umożliwiania dużych ruchów przesuwnych na mostach o długich przęsłach. Zdolność obrotowa łożysk rolkowych jest ograniczona, umożliwiają one obrót poprzez nierównomierny rozkład nacisku kontaktowego, a nie poprzez artykułowany interfejs obrotowy.

Główną podatnością łożysk rolkowych jest to, że wymagają one, aby rolki pozostały równoległe i prawidłowo wyrównane. Jeśli korozja, zanieczyszczenia lub nierównomierne obciążenie spowodują skrzywienie lub zablokowanie rolek, łożysko ulega zatarciu. Łożyska rolkowe wymagają również niezawodnego bocznego ograniczenia, aby zapobiec bocznemu przemieszczaniu się rolek. Współczesna praktyka faworyzuje inne typy łożysk (elastomerowe, garnkowe, sferyczne lub tarczowe) nad łożyskami rolkowymi w większości nowych konstrukcji, ale wiele historycznych mostów wciąż będących w eksploatacji opiera się na łożyskach rolkowych lub wahaczowych.

Łożyska ślizgowe (łożyska PTFE)

Łożyska ślizgowe umożliwiają ruch poprzez względne ślizganie się dwóch powierzchni o niskim tarciu, zazwyczaj PTFE (lub wypełnionego kompozytu PTFE) ślizgającego się po polerowanej stali nierdzewnej. Współczynnik tarcia dla PTFE na stali nierdzewnej jest bardzo niski w warunkach dynamicznych (0,03 do 0,08), ale wyższy w warunkach statycznych (0,05 do 0,12), co oznacza, że siła wymagana do zainicjowania ruchu przekracza siłę wymaganą do jego utrzymania.

Zwykłe łożyska ślizgowe (bez elastomerowych lub mechanicznych elementów obrotowych) opierają się na oddzielnym mechanizmie artykulacyjnym, albo garnku, tarczy, elemencie sferycznym lub wahaczu powyżej lub poniżej powierzchni ślizgowej, aby umożliwić obrót. We współczesnej praktyce łożyska ślizgowe są prawie zawsze łączone z innym typem łożyska, aby stworzyć kompletny zespół łożyska, który obsługuje zarówno obrót, jak i przesunięcie.

Powierzchnia ślizgowa PTFE może być zaprojektowana do ruchu jednokierunkowego (prowadzone łożysko ślizgowe) lub wielokierunkowego (nieprowadzone lub garnkowo-sferyczne łożysko ślizgowe). Przeciwpłyta ze stali nierdzewnej musi mieć wykończenie powierzchni od 0,1 do 0,2 μm Ra, aby zminimalizować tarcie i zużycie. Obszary koncentracji inspekcji obejmują zużycie PTFE (zmniejszenie grubości powyżej 50% wskazuje na potrzebę wymiany), zanieczyszczenie powierzchni ślizgowej piaskiem lub zanieczyszczeniami oraz korozję przeciwpłyty ze stali nierdzewnej.

Sejsmiczne łożyska izolacyjne

Sejsmiczne łożyska izolacyjne to wyspecjalizowana kategoria zaprojektowana w celu ochrony mostów przed uszkodzeniami sejsmicznymi poprzez przesunięcie podstawowego okresu konstrukcji z dala od dominujących częstotliwości ruchu gruntu podczas trzęsienia ziemi. Działają one poprzez zapewnienie elastycznego interfejsu między ustrojem nośnym a podporą, który odsprzęga most od ruchu gruntu, zmniejszając siły sejsmiczne przenoszone na konstrukcję od 3 do 6 razy w porównaniu z mostem nieizolowanym.

Dwa typy są wstępnie kwalifikowane przez Caltrans do sejsmicznej izolacji mostów: łożyska gumowo-ołowiowe (LRB) i łożyska wahadłowe cierne (FPSB) .

Łożyska gumowo-ołowiowe (LRB) to łożyska elastomerowe z cylindrycznym wkładem ołowianym umieszczonym w środku. Wkład ołowiany zapewnia rozpraszanie energii poprzez plastyczne odkształcenie podczas wzbudzenia sejsmicznego, ołów odkształca się plastycznie przy niskim naprężeniu (około 10 MPa), tłumiąc odpowiedź sejsmiczną. Przy obciążeniach niskiego poziomu (wiatr, ruch termiczny) wkład ołowiany zapewnia sztywność i zapobiega niepożądanemu ruchowi. Pod obciążeniem sejsmicznym ołów ulega odkształceniu, łożysko staje się elastyczne, a okres własny konstrukcji ulega przesunięciu. LRB łączą funkcje podparcia pionowego, elastyczności bocznej i rozpraszania energii w jednej kompaktowej jednostce.

Łożyska wahadłowe cierne (FPSB) składają się z wklęsłej powierzchni ślizgowej ze stali nierdzewnej i artykułowanego elementu ślizgowego pokrytego kompozytem PTFE. Okres izolacji jest określony przez promień krzywizny wklęsłej powierzchni, dłuższy promień daje dłuższy okres. Tarcie na powierzchni ślizgowej zapewnia rozpraszanie energii. FPSB mają tę zaletę, że są samocentrujące, po trzęsieniu ziemi ciężar konstrukcji naturalnie przywraca element ślizgowy do najniższego punktu wklęsłej powierzchni. Mogą one umożliwiać bardzo duże przemieszczenia (do ±500 mm lub więcej) i nadają się zarówno do nowych konstrukcji, jak i do modernizacji.

Sejsmiczne łożyska izolacyjne wymagają specjalistycznej inspekcji wykraczającej poza konwencjonalną inspekcję łożysk. Kluczowe elementy inspekcji obejmują stan wkładu ołowianego (dla LRB), przemieszczenie szczątkowe po zdarzeniu (wskazujące, czy łożysko powróciło do środka), stan powierzchni ślizgowej (dla FPSB), oznaki odkształcenia lub zmęczenia oraz weryfikację, że zdolność ruchu nie została zmniejszona przez korozję lub zanieczyszczenia.

Mechanizmy ruchu łożysk mostowych

Łożyska mostowe umożliwiają ruch ustroju nośnego poprzez trzy podstawowe mechanizmy: odkształcenie ścinające, ślizganie i toczenie. Każdy mechanizm obejmuje inną fizykę, powoduje inne zachowanie siła-przemieszczenie i nakłada różne wymagania inspekcyjne.

Odkształcenie ścinające jest mechanizmem ruchu łożysk elastomerowych. Gdy ustrój nośny porusza się poziomo względem podpory, warstwy elastomeru odkształcają się przy ścinaniu, górna i dolna powierzchnia każdej warstwy elastomeru pozostaje połączona z wkładkami stalowymi, a sam elastomer ulega odkształceniu ścinającemu proporcjonalnemu do przemieszczenia poziomego podzielonego przez całkowitą grubość elastomeru. Siła przywracająca generowana przez odkształcenie ścinające jest proporcjonalna do przemieszczenia (liniowe zachowanie sprężyste), regulowana przez moduł ścinania G i pole powierzchni łożyska w planie. Ta liniowa siła przywracająca jest korzystna dla ruchów eksploatacyjnych, ponieważ zapewnia przewidywalną, samocentrującą odpowiedź.

Ślizganie jest mechanizmem ruchu powierzchni ślizgowych PTFE/stal nierdzewna w łożyskach garnkowych, sferycznych, tarczowych i ślizgowych. Współczynnik tarcia reguluje siłę wymaganą do zainicjowania i utrzymania ruchu. Ślizganie charakteryzuje się zachowaniem stick-slip, tarcie statyczne przekracza tarcie dynamiczne, więc siła wymagana do rozpoczęcia ruchu jest wyższa niż siła wymagana do jego utrzymania. Z czasem zużycie PTFE, zanieczyszczenie i pogorszenie stanu powierzchni mogą drastycznie zwiększyć tarcie, prowadząc do zablokowania łożyska.

Toczenie jest mechanizmem ruchu łożysk wahaczowych i rolkowych. Tarcie toczne jest bardzo niskie (współczynnik tarcia tocznego 0,01 do 0,03), ale interfejs toczny wymaga precyzyjnej geometrii i czystości. Jakiekolwiek wżery korozyjne, zanieczyszczenia lub uszkodzenia powierzchni przekształcają kontakt toczny w kontakt ślizgowy lub przywierający.

Typowe uszkodzenia i tryby awarii łożysk

Uszkodzenia łożysk mostowych można podzielić na kilka kategorii, z których każda ma odrębne przyczyny, obserwowalne wskaźniki i konsekwencje. Podręcznik Inspektora Mostów FHWA (Sekcja 9) zawiera szczegółowe wytyczne dotyczące identyfikacji i oceny uszkodzeń łożysk podczas rutynowych i dogłębnych inspekcji.

Pękanie i rozszczepianie łożysk elastomerowych występuje, gdy elastomer jest poddawany nadmiernym odkształceniom rozciągającym, ekspozycji na ozon lub cyklom termicznym. W łożyskach laminowanych pękanie inicjuje się zazwyczaj na krawędziach łożyska (gdzie odkształcenia ścinające są największe) i propaguje do wewnątrz. Pęknięcia, które przenikają przez wiele warstw elastomeru lub docierają do wkładek stalowych, wskazują na zaawansowane pogorszenie. Specyfikacje projektowe AASHTO LRFD ograniczają maksymalne odkształcenie ścinające w łożyskach elastomerowych, aby zapewnić, że naprężenia rozciągające na krawędziach pozostają w dopuszczalnych granicach.

Wybrzuszenie łożysk elastomerowych, czyli boczne rozszerzanie się wolnych krawędzi pod ściskaniem pionowym, jest w pewnym stopniu normalne. W łożyskach laminowanych każda warstwa elastomeru wybrzusza się niezależnie między wkładkami stalowymi. Nadmierne wybrzuszenie wskazuje, że łożysko jest przeciążone, odstęp między wkładkami jest zbyt duży lub elastomer utracił sztywność z powodu starzenia. Zwykłe podkładki elastomerowe (niezbrojone) wybrzuszają się bardziej dramatycznie i mogą ulec bocznemu wyciśnięciu, jeśli łożysko jest zbyt cienkie w stosunku do swoich wymiarów w planie.

Korozja jest dominującym trybem awarii dla łożysk stalowych, łożysk wahaczowych, łożysk rolkowych, cylindrów łożysk garnkowych, płyt górnych, płyt oporowych i śrub kotwiących. Woda z solą z nieszczelnych złączy pomostu jest głównym czynnikiem korozyjnym. Korozja powierzchni kontaktu przenoszących obciążenie (promień wahacza, powierzchnia rolki, przeciwpłyta PTFE) jest szczególnie szkodliwa, ponieważ blokuje ruch. Korozja śrub kotwiących zmniejsza zdolność łożyska do opierania się siłom poziomym. Utrata przekroju o 20% lub więcej na stalowym elemencie przenoszącym obciążenie jest zazwyczaj uważana za krytyczną.

Niewspółosiowość występuje, gdy łożysko nie jest prawidłowo ustawione lub zorientowane względem ustroju nośnego i podpory. Przyczyny obejmują błędy instalacyjne, różnicowe osiadanie filarów lub przyczółków, przemieszczenie termiczne przekraczające założenia projektowe oraz przemieszczenie sejsmiczne. Oznaki niewspółosiowości to nierówne szczeliny łożyska, mimośrodowe wzory kontaktu, ślady kontaktu na sąsiednim betonie oraz widoczny obrót zespołu łożyska względem jego fundamentu.

Zablokowanie ruchu, czyli niemożność przesunięcia lub obrotu łożyska podatnego, jest jedną z najbardziej konsekwentnych awarii łożysk. Może być wynikiem zablokowania przez korozję, nagromadzenia zanieczyszczeń, przetarcia PTFE lub nadmiernego tarcia. Konsekwencje obejmują wywołane siły w elementach konstrukcyjnych, uszkodzenie dylatacji, pękanie pomostów mostowych i przeciążenie elementów podpory. Zablokowanie ruchu jest często wykrywane podczas inspekcji poprzez pomiar względnego położenia łożyska i porównanie go z oczekiwanym położeniem na podstawie temperatury otoczenia w momencie inspekcji.

Uszkodzenie śrub kotwiących (pęknięcie, wyrwanie lub utrata przekroju z powodu korozji) zagraża zdolności łożyska do opierania się siłom poziomym. Jest to szczególnie niebezpieczne w przypadku łożysk stałych, na których polega się przy rozkładaniu sił hamowania i sejsmicznych na podporę. Uszkodzenie śrub kotwiących może pozwolić na przesunięcie całego łożyska, prowadząc do utraty powierzchni łożyska i potencjalnego zawalenia się podpartego dźwigara.

Starzenie i twardnienie elastomeru, z czasem guma naturalna i neopren ulegają zmianom chemicznym pod wpływem ozonu, promieniowania UV i cykli termicznych. Elastomer twardnieje, traci elastyczność i może wykazywać pękanie powierzchniowe. Stwardniałe łożyska elastomerowe mają zmniejszoną zdolność do umożliwiania odkształcenia ścinającego, zwiększając siły poziome przenoszone na podporę.

Ocena stanu łożysk według FHWA SNBI (B.C.07)

Zgodnie z Specyfikacjami Krajowego Inwentarza Mostów (SNBI) FHWA, obowiązującymi przy zbieraniu danych od stycznia 2025 r. z pełną zgodnością do marca 2028 r., łożyska mostowe otrzymały dedykowane pole oceny stanu, B.C.07 Ocena stanu łożysk mostowych. Jest to znacząca zmiana w stosunku do poprzedniego Przewodnika Kodowania NBI, gdzie stan łożysk był zawarty w ocenie ustroju nośnego lub podpory, często czyniąc specyficzne pogorszenie stanu łożysk niewidocznym dla systemów zarządzania majątkiem.

Ocena B.C.07 wykorzystuje standardową skalę oceny stanu ogólnego FHWA od 0 do 9:

Most sklasyfikowany jako Słaby (którykolwiek element oceniony na 4 lub poniżej) w ramach federalnego systemu Dobry/Dostateczny/Słaby uruchamia rozważania dotyczące kwalifikowalności do finansowania z Programu Mostów Autostradowych. Ocena 3 lub poniżej w B.C.07 stanowi Krytyczne ustalenie zgodnie z przepisami NBIS, wymagające natychmiastowych działań następczych, w tym szczegółowej dokumentacji, oceny ograniczeń obciążenia i zaplanowania działań naprawczych.

W przypadku mostów na Krajowym Systemie Autostrad (NHS) SNBI nakazuje również zbieranie danych na poziomie elementów zgodnie z Podręcznikiem Inspekcji Elementów Mostów AASHTO (MBEI). Element łożyska jest określany ilościowo w czterech stanach (CS1 do CS4), przy czym suma ilości we wszystkich czterech stanach równa się całkowitej ilości łożysk na moście. Umożliwia to inżynierom mostów obliczanie wskaźników pogorszenia, modelowanie pozostałego okresu eksploatacji i planowanie ukierunkowanych napraw.

Procedury inspekcji łożysk

Inspekcja łożysk mostowych wymaga systematycznej obserwacji całego zespołu łożyska, płyty górnej, elementu łożyska, płyty oporowej, śrub kotwiących, otaczającego betonu i wskaźników ruchu. Podręcznik Inspektora Mostów FHWA poświęca Sekcję 9 specjalnie inspekcji i ocenie łożysk.

Rutynowa inspekcja łożysk obejmuje wizualną obserwację wszystkich dostępnych powierzchni. Inspektor powinien zweryfikować, że łożysko jest prawidłowo ustawione i wyrównane, że śruby kotwiące są nienaruszone i nie są skorodowane, że element łożyska nie wykazuje oznak pogorszenia lub przeciążenia oraz że ruch odbywa się zgodnie z projektem. W przypadku łożysk podatnych inspektor powinien zmierzyć szczelinę między elementami łożyska i skorelować zmierzone położenie z temperaturą otoczenia w momencie inspekcji.

Inspekcja określonych typów łożysk:

W przypadku łożysk elastomerowych inspektor ocenia stan widocznych powierzchni elastomeru, w tym wolnych krawędzi między laminacjami. Łożysko jest badane pod kątem pęknięć, rozszczepień, wybrzuszeń, delaminacji elastomeru od wkładek stalowych i oznak wyciskania. Delaminacja jest identyfikowana przez oddzielenie elastomeru od wkładki stalowej na krawędziach.

W przypadku łożysk garnkowych krytycznym elementem inspekcji jest uszczelnienie. Inspektor sprawdza oznaki wyciskania elastomeru poza pierścień uszczelniający, które pojawiają się jako cienka warstwa lub wybrzuszenie gumy na styku tłok-cylinder. Wżery korozyjne na odsłoniętej ściance cylindra powinny być mierzone pod kątem głębokości w celu oceny utraty przekroju.

W przypadku łożysk sferycznych inspektor sprawdza, czy powierzchnia sferyczna może się swobodnie obracać i czy wykładzina PTFE nie przetarła się ani nie przemieszcza. Powierzchnie ze stali nierdzewnej są sprawdzane pod kątem rys, wżerów lub plam korozyjnych, które mogłyby zwiększyć tarcie.

W przypadku łożysk wahaczowych i rolkowych inspektor bada zakrzywione powierzchnie kontaktu pod kątem wżerów korozyjnych, które zakłóciłyby toczenie. Wahacz powinien być pionowy w normalnych warunkach, przechylenie poza granice projektowe wskazuje na uszkodzenie śrub kotwiących lub wysunięcie łożyska.

W przypadku łożysk ślizgowych głównym celem inspekcji jest interfejs PTFE i stali nierdzewnej. Zużycie PTFE powyżej 50% pierwotnej grubości jest uważane za krytyczne. Należy udokumentować zanieczyszczenie powierzchni ślizgowej piaskiem, pozostałościami soli odladzającej lub zanieczyszczeniami.

Częstotliwość inspekcji jest regulowana wymaganiami NBIS, rutynowa inspekcja w odstępach nieprzekraczających 24 miesięcy dla większości mostów. Mosty ze znanymi wadami łożysk, elementami krytycznymi podatnymi na pękanie lub podatnością sejsmiczną mogą wymagać częstszych inspekcji. Dogłębna inspekcja łożysk (usuwanie osłon, czyszczenie powierzchni, wykonywanie pomiarów) jest zazwyczaj przeprowadzana w odstępach od 5 do 10 lat lub gdy rutynowa inspekcja wskaże potencjalny problem.

Konsekwencje awarii łożyska

Awaria łożyska kaskadowo prowadzi do wtórnych uszkodzeń w całej konstrukcji mostu, często o kosztach znacznie przekraczających samą wymianę łożyska. Zrozumienie tych konsekwencji awarii jest niezbędne do ustalania priorytetów w zakresie konserwacji i wymiany łożysk.

Przeciążenie dźwigara występuje, gdy zablokowane łożysko podatne uniemożliwia swobodny ruch dźwigara pod wpływem rozszerzalności termicznej. Zamiast łożyska umożliwiającego ruch, sam dźwigar musi absorbować odkształcenie termiczne. W przypadku stalowego dźwigara, wzrost temperatury o 30°C ograniczony na długości 30 metrów indukuje naprężenie ściskające około 72 MPa (σ = α × ΔT × E = 12×10⁻⁶ × 30 × 200 000), prawie 25% granicy plastyczności typowej stali konstrukcyjnej. W ciągu kilku cykli termicznych może to spowodować trwałe odkształcenie dźwigara, lokalne wyboczenie przy podporach lub pękanie zmęczeniowe.

Uszkodzenie pomostu i dylatacji jest najczęstszym wtórnym skutkiem awarii łożyska. Gdy łożyska się zablokują, złącza pomostu (zaprojektowane dla określonych zakresów ruchu) są zmuszane do pracy poza swoimi granicami. Złącza typu kompresyjnego wybaczają się i wyciskają. Złącza otwarte mogą mieć stalowe nosy wyrwane z betonu. Membrany wodoszczelne na złączach ulegają rozerwaniu, umożliwiając wodzie i solom odladzającym dotarcie do łożysk, przyspieszając korozję, która spowodowała problem.

Pękanie podpory wynika z przenoszonych sił, na które podpora nie była zaprojektowana. Zablokowane łożysko podatne na filarze może przenosić siły poziome z rozszerzalności termicznej na głowicę filara, słupy lub ścianę przyczółka, powodując pękanie ukośne. W ciągu wielu cykli termicznych pęknięcia te rozszerzają się i propagują, potencjalnie wymagając rehabilitacji filara.

Utrata podparcia pionowego jest najpoważniejszą konsekwencją, choć rzadką, występuje, gdy elementy łożyska ulegają katastrofalnej awarii. Łożysko garnkowe, które traci zamknięcie uszczelnienia, może wycisnąć swój krążek elastomerowy, nagle opuszczając podparty dźwigar o kilka milimetrów.

Wymiana łożysk i procedury podnoszenia

Wymiana łożyska mostowego to wysoce kontrolowana operacja konstrukcyjna, która wymaga precyzyjnego podnoszenia, tymczasowego podparcia i systematycznego przenoszenia obciążenia. Podręcznik FHWA Utrzymanie Mostów: Ustrój Nośny zauważa, że jedyną czynnością konserwacyjną niewymagającą podnoszenia jest czyszczenie i zapobieganie gromadzeniu się zanieczyszczeń wokół zespołu łożyska.

Proces podnoszenia rozpoczyna się od zainstalowania siłowników hydraulicznych (podnośników) w sąsiedztwie każdego łożyska wymagającego wymiany. Podnośniki podpierają ustrój nośny w punktach twardych, zazwyczaj przy żebrach końcowych dźwigara, połączeniach ram poprzecznych lub bezpośrednio przy płycie górnej łożyska. Siłowniki z nakrętką zabezpieczającą o dużej tonażu (siłowniki hydrauliczne z mechanicznymi nakrętkami zabezpieczającymi) są standardowym wyposażeniem, ponieważ mogą utrzymać obciążenie w nieskończoność po zwolnieniu ciśnienia hydraulicznego, zapewniając bezpieczeństwo podczas wymiany łożyska.

Podnoszenie synchroniczne jest niezbędne w przypadku mostów z wieloma punktami podnoszenia. Jeśli podnośniki nie są zsynchronizowane, różnicowe przemieszczenia między punktami podnoszenia mogą przeciążyć konstrukcję. Pompy o przepływie dzielonym lub pompy do podnoszenia synchronicznego (takie jak systemy Enerpac EVO) kontrolują do 12 punktów podnoszenia jednocześnie, utrzymując dokładność w zakresie 1 mm (0,040 cala) między prowadzącymi i opóźnionymi siłownikami.

Typowa sekwencja wymiany to:

1. Zainstaluj podnośniki hydrauliczne w sąsiedztwie łożyska(ysk) do wymiany.
2. Wysuń podnośniki stopniowo, zazwyczaj o 5 do 15 mm, wystarczająco, aby odciążyć łożysko.
3. Zabezpiecz obciążenie mechanicznie za pomocą mechanizmu nakrętki zabezpieczającej na każdym siłowniku.
4. Usuń zużyte łożysko, może to wymagać częściowej rozbiórki podpierającego cokołu lub podkładki zaprawy.
5. Oczyść i przygotuj gniazdo łożyska, usuń zanieczyszczenia, skorodowany materiał i zniszczoną zaprawę.
6. Zamontuj nowe łożysko, ustawiając prawidłową wysokość, wyrównanie i orientację zgodnie ze specyfikacją projektową.
7. Po osiągnięciu wymaganej wytrzymałości zaprawy, dezaktywuj nakrętki zabezpieczające i systematycznie cofaj siłowniki, przenosząc obciążenie na nowe łożysko.
8. Opuść pomost i sprawdź, czy nowe łożysko jest równomiernie obciążone.

Inspekcja poinstalacyjna jest krytyczna. Inspektor musi sprawdzić, czy nowe łożysko jest prawidłowo zorientowane (kierunek podatności, oznaczenie stałe/podatne), czy śruby kotwiące są prawidłowo dokręcone, czy ruch jest niezakłócony oraz czy wysokość łożyska odpowiada sąsiednim podporom.

Mosty z przyczółkami integralnymi, strategia eliminacji łożysk

Rosnącym trendem w projektowaniu mostów, który bezpośrednio wpływa na zapotrzebowanie na łożyska, jest most z przyczółkiem integralnym, konstrukcja bezdylatacyjna, w której ustrój nośny jest sztywno połączony z przyczółkiem, eliminując potrzebę stosowania dylatacji i łożysk na końcach mostu. W konstrukcjach półintegralnych pomost jest połączony z przyczółkiem, ale przyczółek może się swobodnie obracać na łożysku fundamentowym.

Mosty z przyczółkami integralnymi umożliwiają ruchy termiczne poprzez ugięcie pali przyczółka i elastyczność zasypki dojazdowej. Eliminuje to dwa najbardziej wymagające konserwacyjnie elementy mostu (łożyska i dylatacje), ale nakłada nowe wymagania na fundament przyczółka i projekt nawierzchni dojazdowej.

FHWA aktywnie promuje budowę przyczółków integralnych od lat 80. XX wieku, a wiele stanowych DZP określa teraz przyczółki integralne dla mostów o całkowitej długości do 150–200 metrów (w zależności od skosu, gruntu fundamentowego i zakresu termicznego). W przypadku dłuższych mostów lub mostów na stałych filarach, łożyska pośrednie pozostają niezbędne.

Sejsmiczne łożyska izolacyjne, szczegółowy projekt i zachowanie

Sejsmiczne łożyska izolacyjne zasługują na oddzielne omówienie, ponieważ ich funkcja wykracza poza konwencjonalne przenoszenie obciążenia i umożliwianie ruchu, aktywnie poprawiają one odpowiedź konstrukcyjną mostu podczas trzęsień ziemi.

Zasada izolacji sejsmicznej polega na przesunięciu okresu. Nieizolowany most ma okres własny zazwyczaj w zakresie od 0,2 do 0,8 sekundy, mieszczący się w dominującym zakresie energii większości trzęsień ziemi. W związku z tym konstrukcja doświadcza wysokich sił przyspieszenia sejsmicznego. Poprzez wprowadzenie elastycznych łożysk na styku ustrój nośny-podpora, okres własny izolowanego mostu przesuwa się do 1,5–3,0 sekund, oddalając konstrukcję od dominującej zawartości energii trzęsienia ziemi i zmniejszając ścinanie podstawy o 60% do 80%.

Łożyska gumowo-ołowiowe (LRB) łączą niską sztywność ścinania (dla przesunięcia okresu) z wysokim tłumieniem (dla rozpraszania energii). Wkład ołowiany odkształca się przy naprężeniu około 10 MPa, zapewniając stabilny histeretyczny mechanizm rozpraszania energii. Element elastomerowy zapewnia siłę przywracającą i nośność pionową. Po trzęsieniu ziemi siła przywracająca elastomeru przywraca łożysko do jego pierwotnego położenia, chociaż może pozostać pewne przemieszczenie szczątkowe (zazwyczaj od 5 do 20 mm), jeśli wkład ołowiany uległ odkształceniu.

Łożyska wahadłowe cierne (FPSB) działają na innej zasadzie, okres izolacji jest określony przez promień krzywizny wklęsłej powierzchni (T = 2π√(R/g), gdzie R to promień, a g to grawitacja). Promień 2 metrów daje okres około 2,8 sekundy niezależnie od podpartego ciężaru, okres jest niezależny od masy, co jest znaczącą zaletą w przypadku mostów o zmiennym obciążeniu stałym.

FPSB umożliwia przemieszczenie poprzez przesuwanie się elementu ślizgowego w górę wklęsłej powierzchni, przy czym ciężar konstrukcji zapewnia siłę przywracającą. Współczynnik tarcia interfejsu PTFE-stal nierdzewna (zazwyczaj 0,05 do 0,12) zapewnia rozpraszanie energii. FPSB są samocentrujące, ponieważ ciężar konstrukcji zawsze przywraca element ślizgowy do najniższego punktu wklęsłej powierzchni.

Sejsmiczne łożyska izolacyjne wymagają szczeliny luzu wokół łożyska, aby umożliwić przemieszczenie projektowe bez uderzenia w sąsiednią konstrukcję. Przemieszczenie projektowe jest obliczane na podstawie zagrożenia sejsmicznego, okresu izolowanej konstrukcji i docelowego poziomu wydajności. W przypadku mostu w regionie o wysokiej sejsmiczności przemieszczenie projektowe może przekraczać ±300 mm, co wymaga znacznych stref luzu.

Inspekcja sejsmicznych łożysk izolacyjnych jest bardziej wymagająca niż w przypadku konwencjonalnych łożysk. Inspektor musi sprawdzić: (1) czy zdolność przemieszczenia nie została zmniejszona przez zanieczyszczenia lub wtargnięcie sąsiedniej konstrukcji, (2) czy łożysko nie wykazuje oznak odkształcenia lub uszkodzenia w wyniku poprzednich zdarzeń sejsmicznych (chyba że zatwierdzone przez projekt), (3) czy osłony ochronne i uszczelnienia są nienaruszone, (4) czy przemieszczenie szczątkowe po zdarzeniu sejsmicznym mieści się w dopuszczalnych granicach oraz (5) czy wkłady ołowiane (dla LRB) nie wykazują oznak pogorszenia lub kawitacji.

Najlepsze praktyki konserwacji łożysk

Proaktywna konserwacja łożysk jest znacznie bardziej opłacalna niż reaktywna wymiana.

Czyszczenie jest najbardziej podstawową czynnością konserwacyjną. Nagromadzenie zanieczyszczeń wokół łożysk zatrzymuje wilgoć i sole odladzające, przyspiesza korozję i fizycznie blokuje ruch. Łożyska należy czyścić podczas każdej rutynowej inspekcji, usuwając zanieczyszczenia, błoto, ptasie gniazda i roślinność z obszaru łożyska.

Utrzymanie odwodnienia zapobiega przedostawaniu się wody do łożysk. Otwory spustowe w głowicach filarów i ścianach oporowych przyczółków muszą być drożne. Dylatacje pomostu nad łożyskami powinny być utrzymywane, aby zapobiec wyciekom. Jeśli dylatacja przecieka nad łożyskiem, naprawa złącza powinna być priorytetem, aby zapobiec dalszemu narażeniu łożyska na żrący spływ.

Smarowanie powierzchni ślizgowych i powierzchni kontaktu wahaczy/rolek jest wymagane w przypadku niektórych typów łożysk. Smarowanie jest zazwyczaj wykonywane przy lekko podniesionym pomoście za pomocą podnośników hydraulicznych, aby umożliwić wtłoczenie smaru w szczelinę. Rodzaj smaru musi być kompatybilny z materiałami łożyska.

Ochrona antykorozyjna, stalowe elementy łożyska powinny mieć utrzymaną powłokę ochronną. Łuszcząca się lub pieniąca się farba wokół stalowych łożysk powinna być oczyszczona i ponownie pomalowana. Elementy ocynkowane należy sprawdzać pod kątem ubytku cynku.

Weryfikacja ruchu powinna być przeprowadzana podczas każdej rutynowej inspekcji. W przypadku łożysk podatnych inspektor powinien zarejestrować zmierzoną szczelinę otwarcia i temperaturę otoczenia. Porównanie tego pomiaru z projektową zależnością między temperaturą a przemieszczeniem stanowi bezpośrednie sprawdzenie funkcjonalności ruchu.

Programy monitorowania, dla mostów o znanych podatnościach łożysk, zautomatyzowane monitorowanie może zapewnić wczesne wykrywanie. Transformatory różnicowe liniowe (LVDT), inklinometry i tensometry mogą być instalowane na krytycznych łożyskach, a dane rejestrowane podczas cykli termicznych i obciążenia ruchem. Dane umożliwiają analizę trendów i wczesne wykrywanie rozwijających się problemów z ruchem, zanim spowodują one wtórne uszkodzenia.