Apoyos esféricos de aislamiento sísmico para aplicaciones en puentes de carreteras

I, Definición, Alcance y Estándares

1.1, Definición
A rodamiento esféricog es un dispositivo estructural (cojinete multi-rotacional de carga alta, es decir, HLMB) diseñado para transmitir cargas entre la superestructura y la subestructura de un puente mientras admite rotaciones multi-direccionales y, en algunos diseños, movimientos de traslación limitados. El rodamiento consta de una superficie esférica cóncava acoplada con una superficie esférica convexa, lo que permite una rotación angular suave alrededor de cualquier eje horizontal.
En la ingeniería de puentes, los apoyos esféricos se emplean para:
- Transfiera cargas verticales, fuerzas horizontales y desplazamientos longitudinales o transversales según los requisitos de diseño.
- Tenga en cuenta las rotaciones causadas por cargas de tráfico, expansión y contracción térmica, acciones sísmicas, fluencia y contracción de la estructura del puente.
- Proporciona una gran capacidad de carga-con una fricción mínima mediante el uso de materiales deslizantes de baja-fricción (p. ej., PTFE) y superficies de contacto de acero inoxidable-resistentes a la corrosión.
Estos rodamientos generalmente se fabrican de conformidad con las normas nacionales e internacionales pertinentes, como GB/T 17955 (China), Especificaciones de diseño de puentes AASHTO LRFD (EE. UU.) y EN 1337-7 (Europa), lo que garantiza la confiabilidad del rendimiento, la seguridad y la durabilidad en aplicaciones de puentes de largo-luz y cargas pesadas.

1.2, Alcance
Este artículo define las especificaciones, parámetros de diseño, requisitos de fabricación, pruebas, instalación y mantenimiento paraRodamientos esféricos de aislamiento sísmico (SSIB)Diseñado para aplicaciones de puente, cumpliendo con los códigos chinos e internacionales.
1.3, Normas aplicables:
Región|Código estándar|Título|Alcance
China|GB/T 17955-2009 |Rodamientos esféricospara Puentes|Requisitos de diseño, fabricación y prueba para apoyos esféricos para puentes.
China|GB/T 32836-2016 |Rodamientos esféricos para estructuras de acero| Requisitos adicionales para aplicaciones estructurales de acero.
China|JTG/T 2231-01-2020|Especificaciones para cojinetes de puentes de carreteras|Requisitos de rendimiento y calidad para soportes de puentes de carreteras.
Europa|EN 1337-7 |Rodamientos estructurales– Parte 7: Rodamientos esféricos|Requisitos de material, geometría, fricción y prueba.
Europa|EN 15129:2018 |Dispositivos anti-sísmicos| Diseño de aislamiento sísmico para aplicaciones estructurales.
Estados Unidos|Especificaciones de diseño de puentes AASHTO LRFD (2023) Sección 14|Rodamientos y Dispositivos de Expansión|Metodología de diseño paracojinetes esféricos.
Reino Unido|BS 5400 Parte 9 |Rodamientos de puente| Requisitos de diseño e instalación.

II. Descripción del Producto

2.1, Función:
Apoyos esféricos de aislamiento sísmicoProporcionar una interfaz rotacional entre la superestructura del puente y la subestructura al tiempo que permite el deslizamiento controlado para disipar la energía sísmica.

2.2, Componentes principales:

1. Placa cóncava superior: acero al carbono de alta-resistencia (Q345 o ASTM A709 Grado 50) con superficie cóncava mecanizada con precisión-.
2. Elemento deslizante esférico: acero inoxidable (AISI 304/316) con capa adherida de PTFE o UHMWPE.
3. Placa convexa inferior: coincide con la curvatura y transfiere la carga vertical.
4. Sistema de retención: barras guía o retenedores opcionales para control de movimiento unidireccional.
5. Elemento de disipación de energía sísmica: capas opcionales de alta amortiguación.

2.3, Tipos y Clasificaciones
Según los diferentes requisitos funcionales, los rodamientos esféricos se pueden dividir en los siguientes tipos:

1,Rodamientos esféricos fijos
Los rodamientos esféricos fijos no permiten el desplazamiento horizontal pero pueden girar libremente. Son adecuados para piezas estructurales que necesitan restringir el movimiento horizontal y al mismo tiempo permitir la rotación.
2,Rodamientos esféricos deslizantes unidireccionales
Los cojinetes esféricos deslizantes unidireccionales permiten el deslizamiento en una dirección. Son aplicables a estructuras con requisitos de desplazamiento específicos, como el ajuste del desplazamiento longitudinal en determinados puentes.
3, Rodamientos esféricos deslizantes multidireccionales
Los rodamientos esféricos deslizantes multidireccionales pueden deslizarse en cualquier dirección horizontal. Son adecuados para áreas propensas a terremotos-o puentes-de tramos largos para hacer frente a condiciones de carga complejas.
4, Rodamientos esféricos sísmicos
Los apoyos esféricos sísmicos suelen estar equipados con dispositivos de amortiguación, que pueden proporcionar una capacidad adicional de disipación de energía durante los terremotos y mejorar el rendimiento sísmico de las estructuras.

2.4, Campos de aplicación deRodamientos esféricos
Debido a su excelente rendimiento, los rodamientos esféricos se utilizan ampliamente en los siguientes campos:

1, puentes de largo-luz
En puentes-de luces largas, como-puentes atirantados, puentes colgantes y puentes en arco, los cojinetes esféricos pueden adaptarse eficazmente a los desplazamientos y rotaciones causados por cambios de temperatura, cargas de vehículos o cargas de viento.
2, edificios de gran-raza
Los edificios altos-se balancearán bajo cargas de viento o acciones sísmicas. Los cojinetes esféricos pueden reducir la tensión estructural y mejorar la estabilidad y seguridad de los edificios.
3, Estadios y estructuras espaciales de gran-envergadura
En estructuras espaciales de gran-luz, como gimnasios y centros de convenciones, los cojinetes esféricos pueden adaptarse a cargas complejas y garantizar la estabilidad y durabilidad de las estructuras.
4, Centrales nucleares e infraestructura clave
En infraestructuras clave, como centrales nucleares y grandes represas, los apoyos esféricos pueden proporcionar soporte confiable y resistencia sísmica para garantizar la seguridad estructural.

2.5, Ventajas y desafíos de los rodamientos esféricos
1, ventajas:
• Alta capacidad de carga-: puede soportar cargas de varios miles de toneladas.
• Adaptabilidad al desplazamiento multidireccional: Capaz de adaptarse tanto a la rotación como al desplazamiento horizontal simultáneamente.
• Gran durabilidad: fabricado con materiales de alto-rendimiento, lo que garantiza una larga vida útil.
• Excelente rendimiento sísmico: ampliamente utilizado en áreas-propensas a terremotos.

2, desafíos:
• Altos requisitos de precisión de fabricación: se necesitan procesos de alta-precisión para el procesamiento de superficies esféricas y la combinación de materiales deslizantes.
• Costos de mantenimiento relativamente altos: es posible que sea necesario reemplazar los materiales deslizantes o los dispositivos de sellado después de un uso prolongado-.
• Diseño complejo: Se requiere un diseño personalizado según las necesidades de ingeniería específicas.

III. Investigación y desarrollo

3.1 Especificaciones técnicas
Parámetros de diseño (rango de producción típico):
Capacidad de carga vertical: 1000 – 50 000 kN
Capacidad de desplazamiento horizontal: ±50 a ±250 mm
Capacidad de rotación: mayor o igual a 0,03 rad (~1,7 grados)
Coeficiente de fricción (μ): 0,03 – 0,06 (estático), 0,02 – 0,05 (dinámico)
Relación de amortiguación (tipo HDR): 8 – 25%
Rango de temperatura de servicio: -40 grados a +60 grados (hasta +70 grados especial)
Vida útil: Mayor o igual a 50 años
Rendimiento sísmico: aceleración de diseño mayor o igual a 0,3 g

3.2, Patente

IV. Materiales

V. Fabricación y Control de Calidad

Rugosidad de la superficie (superficie de deslizamiento): Ra Menor o igual a 0,2 μm
Tolerancia de planitud: menor o igual a 0,5 mm por 1.000 mm
Dureza (placa deslizante): Mayor o igual a HB 220
Resistencia de unión de PTFE: mayor o igual a 3 MPa al corte
Todos los rodamientos se prueban 100 % en fábrica-en cuanto a precisión dimensional, curva de deformación de carga-, coeficiente de fricción bajo carga de diseño y defectos visuales.

VI. Verificación del rendimiento, pruebas y garantía de calidad

6.1 Requisitos generales
Todos los apoyos esféricos de aislamiento sísmico deberán someterse a pruebas de tipo, pruebas de rutina y pruebas de aceptación de acuerdo con las normas chinas e internacionales.
6.2 Clasificación de las Pruebas
Pruebas de tipo: demostrar el cumplimiento del diseño (una vez por nuevo diseño)
Pruebas de rutina: verificar la calidad de la producción (cada lote)
Pruebas de Aceptación – Aprobación del producto final antes de la entrega (100% rodamientos)
6.3 Pruebas y requisitos específicos
Prueba de carga vertical: deformación residual menor o igual a 0,3 mm, sin daños visibles.
Prueba de desplazamiento horizontal – Coeficiente de fricción μ Menor o igual a 0,06, sin daños en la superficie después de 50 ciclos.
Prueba de capacidad de rotación: movimiento suave con una rotación mayor o igual a 0,03–0,05 rad.
Prueba de desgaste y fatiga: pérdida de espesor de PTFE menor o igual al 1% después de los ciclos.
Prueba de simulación sísmica: relación de amortiguación dentro de ±2% del diseño, desplazamiento dentro del espacio libre.
Pruebas de temperatura: variación de fricción menor o igual a ±15% de la temperatura ambiente.
Prueba de resistencia a la corrosión: no hay fallas en el recubrimiento después de 500 h de niebla salina.
6.4 Procedimientos de control de calidad de fábrica
Inspección de material entrante: verificación ultrasónica del acero, densidad y resistencia del PTFE.
Control de calidad en-proceso: tolerancia de mecanizado de placas ±0,2 mm, inspección de soldadura.
Inspección final – Verificación dimensional, verificación de marcado.
6.5 Documentación y Trazabilidad
Mantener certificados de prueba de materiales, registros de control de producción en fábrica y certificados de conformidad.
6.6 Resumen de los criterios de aceptación
Deformación vertical Menor o igual a 0,3 mm, Fricción Menor o igual a 0,06, Desgaste de PTFE Menor o igual a 1%, Rotación Mayor o igual a 0,03 rad.
6.7, Pruebas de tipo e informes.

6.7.1, Equipo de prueba

6.7.2, Informes de prueba

VII. Pautas de instalación

Preparación: compruebe la tolerancia del asiento del rodamiento y las posiciones de los pernos.
Pasos de instalación: levante la superestructura, coloque el cojinete, asegure, revise y suelte los gatos.
Espacio libre: mantenga un espacio sísmico mayor o igual a 50 mm.

VIII. Programa de mantenimiento

6 meses: control visual
2 años: control funcional
5 años: inspección detallada
25 años: revisión

IX. Embalaje y almacenamiento

Empaque en un envoltorio a prueba de humedad-, guárdelo en un área ventilada, con un máximo de 3 capas apiladas.

X. Tabla de dimensiones típicas

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10.1, Especificaciones para cojinetes esféricos QZ para puentes de carreteras.
10.2, Especificaciones para cojinetes esféricos LQZ para puentes de carreteras

XI. La aplicación cesa

XII, Tendencias de desarrollo futuro de los rodamientos esféricos

Con el desarrollo de la tecnología de ingeniería,cojinetes esféricosestán innovando constantemente y las siguientes tendencias pueden surgir en el futuro:

1, rodamientos inteligentes:
Integrados con tecnología de sensores, pueden monitorear la tensión, el desplazamiento y el desgaste de los rodamientos en tiempo real para realizar alertas tempranas y mantenimiento inteligentes.
2, Aplicación de nuevos materiales
Materiales como los compuestos reforzados con grafeno-y los materiales autolubricantes pueden mejorar la durabilidad y el rendimiento deslizante de los rodamientos esféricos.
3, diseño ecológico y de protección del medio ambiente
El uso de materiales reciclables o revestimientos de protección ambiental de baja-fricción puede reducir el impacto en el medio ambiente.
4, tecnología de impresión 3D
El uso de tecnología de impresión 3D para fabricar rodamientos con formas complejas puede mejorar la eficiencia de la producción y las capacidades de personalización.