橡膠質量對板式橡膠支座性能的影響分析

張　勇，高　巖，莊軍生（中國鐵道科學研究院，北京　100081）

橡膠質量對板式橡膠支座性能的影響分析

張勇，高巖，莊軍生
（中國鐵道科學研究院，北京100081）

板式橡膠支座病害已經成為高速公路橋梁的常見病害和多發病害，究其原因與橡膠質量不良有關。本文以正常支座和摻入再生膠的支座為研究對象，通過支座力學性能及橡膠物理機械性能的對比試驗，分析了再生膠對支座及橡膠受力性能的影響。試驗結果表明：再生膠將增大支座的抗壓彈性模量和抗剪彈性模量，降低橡膠的拉伸強度和扯斷伸長率，且這種影響將隨著運營時間的增加而更加顯著。

板式橡膠支座；橡膠質量；再生膠；力學性能

橋梁支座是連接橋梁上部結構和下部結構的重要部件，起到將橋梁上部結構的反力和變形（位移和轉角）可靠地傳遞給橋梁下部結構的作用。按使用材料分類橋梁支座可分為鋼支座、橡膠支座、聚四氟乙烯滑動支座及混凝土鉸支座。板式橡膠支座主要通過橡膠承壓，其平面位移功能通過橡膠的剪切變形來實現，其轉動功能則是通過橡膠的壓縮變形來實現［1］。板式橡膠支座由于具有構造簡單、加工制造容易、成本低廉、安裝方便等特點，已經成為一種在國內外橋梁工程中廣泛應用的支座類型。

根據國內多條高速公路橋梁定期檢查結果，支座病害已經成為高速公路橋梁的常見病害和多發病害，究其原因部分與板式橡膠支座的成品質量不良有關。從橡膠的材料要求來說，雖然《公路橋梁板式橡膠支座》（JT/T 4—2004）［2］明確規定橡膠中不得使用任何再生膠或粉碎的硫化橡膠，但是受原材料價格及人工成本上漲因素的影響，為了獲得低價中標的機會，目前國內部分生產廠家在板式橡膠支座生產工程中不同程度地摻入了再生橡膠，嚴重地影響了板式橡膠支座的產品質量。這使得部分橋梁尚未通車即發生支座大量開裂，造成近年來橋梁上安裝的支座產品質量，還不如20世紀70年代在橋梁上已經使用多年的支座質量，導致板式橡膠支座的產品質量一直倍受行業詬病。

本文以φ200×42 mm圓形板式橡膠支座為研究對象，通過正常天然橡膠支座和摻入再生膠天然橡膠支座的對比試驗（包括原材料試驗和成品支座試驗），分析再生膠對橡膠原材料物理機械性能及成品支座力學性能的影響，為板式橡膠支座病害原因分析提供技術支持，也可為制定支座產品的檢驗辦法及驗收準則提供參考。

1　試樣

本次試驗用成品支座共分2組，1組為正常天然橡膠支座，1組為摻入占橡膠質量42%再生橡膠的天然橡膠支座。每組6個支座，2組支座委托同一個廠家進行生產。φ200×42 mm圓形板式橡膠支座一般構造見圖1。支座內設置6層2 mm厚加勁鋼板，加勁鋼板之間為5 mm厚橡膠層，共5層；支座頂、底面橡膠保護層厚度為2.5 mm，環向橡膠保護層厚度為5 mm。

圖1　φ200×42 mm圓形板式橡膠支座構造（單位：mm）

對支座先進行成品力學性能試驗［3-4］，再進行橡膠原材料物理機械性能試驗，試樣見圖2。

圖2　橡膠試樣

原材料試驗用橡膠從成品支座力學性能試驗后解剖中間層膠片得到［5］，單個支座制備5片1型啞鈴狀試樣，試樣中間部分寬度為6 mm，厚度為3 mm，選取其中3片試樣進行橡膠原材料物理機械性能試驗。

2　試驗結果及分析

2.1支座力學性能試驗

根據JT/T 4—2004的要求，支座力學性能應滿足表1。表中G為支座抗剪彈性模量，取1.0 MPa；E為支座抗壓彈性模量，按E=5.4GS2計算，S為板式橡膠支座的形狀系數。對于試驗支座而言，S=9.5，E= 487 MPa。試驗支座的抗壓彈性模量上限標準值為584 MPa，下限標準值為390 MPa；抗剪彈性模量上限標準值為1.15 MPa，下限標準值為0.85 MPa。

表1　支座力學性能要求

1）抗壓彈性模量試驗

板式橡膠支座抗壓彈性模量試驗結果見表2。表中1-1，1-2，1-3為正常天然橡膠支座，2-1，2-2，2-3為摻入再生膠的天然橡膠支座，標準值偏差為實測值同抗壓彈性模量之差與抗壓彈性模量的比值，下限值偏差為實測值同0.8倍抗壓彈性模量之差與0.8倍抗壓彈性模量的比值。

表2　支座抗壓彈性模量試驗結果

由表2可知：無論是正常天然橡膠支座，還是摻入再生膠的天然橡膠支座，其實測抗壓彈性模量均滿足規范要求；正常支座實測抗壓彈性模量小于摻入再生膠支座的實測抗壓彈性模量；摻入再生膠的天然橡膠支座實測抗壓彈性模量標準值偏差平均為-5.95%，下限值偏差平均為-17.44%；正常天然橡膠支座實測抗壓彈性模量標準值偏差平均為18.35%，下限值偏差平均為1.96%，其實測抗壓彈性模量更接近規范下限值。這一現象與以往支座抗壓彈性模量試驗結果的統計規律一致。

2）抗剪彈性模量試驗

板式橡膠支座抗剪彈性模量試驗結果見表3。表中支座編號“1-1/1-2”表示1-1和1-2支座配對進行試驗，且1-1和1-2支座分別在試驗機中間鋼拉板的上面和下面，標準值偏差為實測值同抗剪彈性模量之差與抗剪彈性模量的比值，上限值偏差為實測值同1.15倍抗剪彈性模量之差與1.15倍抗剪彈性模量的比值。

表3　支座抗剪彈性模量試驗結果

由表3可知：無論是正常天然橡膠支座，還是摻入再生膠的天然橡膠支座，其實測抗剪彈性模量均滿足規范要求；摻入再生膠支座的實測抗剪彈性模量大于正常支座實測抗剪彈性模量；摻入再生膠的天然橡膠支座實測抗剪彈性模量標準值偏差平均為13.67%，上限值偏差平均為1.16%；正常天然橡膠支座實測抗剪彈性模量標準值偏差平均為10.00%，上限值偏差平均為-4.35%，其實測抗剪彈性模量更接近規范上限值。這一現象與以往支座抗剪彈性模量試驗結果的統計規律一致。

2.2橡膠原材料試驗

根據JT/T 4—2004的要求，天然橡膠板式支座橡膠原材料物理機械性能應滿足表4。

表4　天然橡膠支座橡膠原材料物理機械性能要求

橡膠原材料物理機械性能試驗結果見表5。表中硬度偏差為實測橡膠硬度與規范硬度標準限值60 IRHD的差值，拉伸強度偏差和扯斷伸長率偏差均為實測值同規范要求限值（分別為18 MPa和450%）之差與規范要求限值的比值。

由表5可知：橡膠原材料的實測硬度均在規范要求的±5 IRHD偏差范圍內；對于拉伸強度而言，正常支座橡膠拉伸強度實測值均高于規范限值，摻入再生膠的支座橡膠拉伸強度實測值均低于規范限值，且偏差幅度在30%以上，這說明再生橡膠對支座橡膠的拉伸強度影響明顯；從扯斷伸長率來看，與規范限值相比，正常支座橡膠扯斷伸長率實測值均大于規范限值，而摻入再生膠的支座橡膠其扯斷伸長率實測值均低于規范限值，這說明摻入再生膠對橡膠的扯斷伸長率也有影響。由于本次試驗對象為存放時間較短的新支座，支座橡膠性能的下降尚不明顯，從以往的工程經驗來看，再生橡膠的物理機械性能會隨時間的延長急劇下降，將會顯著影響橡膠原材料的物理機械性能及成品支座的力學性能［6］。

表5　橡膠原材料物理機械性能試驗結果

3　結論

1）正常天然橡膠支座和摻入再生膠的天然橡膠支座實測抗壓彈性模量和抗剪彈性模量都滿足現行規范要求，僅通過常規力學性能檢測無法確定支座是否摻入了再生膠，因此，在成品支座供貨時應增加簡便快捷的檢驗指標及科學合理的驗收準則。

2）摻入再生膠的支座其實測抗壓彈性模量和抗剪彈性模量均大于正常支座，再生膠對支座的力學性能有一定的影響。正常支座實測抗壓彈性模量接近規范下限值，實測抗剪彈性模量接近規范上限值，這一現象與以往支座試驗結果的統計規律一致。

3）正常支座和摻入再生膠的支座橡膠原材料的硬度偏差均滿足規范要求；正常支座橡膠拉伸強度和扯斷伸長率均滿足標準要求，摻入再生膠的支座橡膠拉伸強度和扯斷伸長率均低于標準限值；再生膠對橡膠拉伸強度和扯斷伸長率影響明顯，將影響支座的使用壽命。

4）大量試驗結果表明，長期運營將使橡膠支座的性能發生變化，由于支座橡膠原材料性能（如拉伸強度和扯斷伸長率）的下降，將導致支座抗壓彈性模量和抗剪彈性模量增加，尤其是支座的抗剪彈性模量增加更為明顯。再生橡膠的物理機械性能將隨時間的延長急劇下降，將會顯著影響橡膠原材料的物理機械性能及成品支座的力學性能。

［1］臧曉秋，莊軍生，張士臣.新型抗橫移板式橡膠支座［J］.鐵道建筑，2004（7）：12-14.

［2］中國人民共和國交通部.JT/T 4—2004公路橋梁板式橡膠支座［S］.北京：中國標準出版社，2004.

［3］胥明，黃躍平，周明華.板式橡膠支座抗壓彈性模量檢測方法的研究［J］.公路，2006（2）：5-11.

［4］胥明，黃躍平，周明華.板式橡膠支座抗剪彈性模量不確定度的研究［J］.試驗技術與試驗機，2005，45（3）：43-48.

［5］黃躍平，胥明，周明華.板式橡膠膠層厚度不均勻對支座力學性能的影響［J］.試驗技術與試驗機，2005，45（4）：3-11.

［6］鮑衛剛，鄭學珍，劉金賢.再生膠對板式橡膠支座的影響［J］.公路，2005（8）：21-23.

（責任審編李付軍）

Influence of Rubber Quality on Plate-type Elastomer Pad Bearings

ZHANG Yong，GAO Yan，ZHUANG Junsheng
（China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

T he disease of plate-type elastomeric pad bearing has become common in highway bridges，and the main reason is the poor quality of rubber.In this paper，the normal bearings and the bearings incorporated with recycled rubber were studied.T he performance of bearings and mechanical properties of rubber were tested.T he influence of incorporated recycledrubber was analyzed.T he test results indicate that the recycledrubberincreases the compressive and shear modulus of elasticity of the bearing，reduces the tensile strength and elongation of rubber.T his effect is more significant with the increase of service time.

Plate-type elastomeric pad bearing；Rubber quality；Recycled rubber；M echanical property

U443.36+1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.10

1003-1995（2016）08-0043-03

2016-02-02；

2016-03-20

張勇（1979— ），男，副研究員，博士研究生。