橋梁用高阻尼HNBR隔震支座的設計

周英志，周毅

(1.福州大學陽光學院，福建 福州 300015；2.諾慶制輥（上海）有限公司，上海 201414)

社會在發展，人們的衣食住行得到很大改善。隨著技術、工藝不斷更新，新材料新技術不斷涌現，土木工程日新月異。優良的材料，加上先進的結構設計，建筑物的安全性和使用壽命顯著提高。一方面依靠提高強度、剛度、延性，來改善抗震隔震效果，另一方面大力發展新型減震隔震技術，達到事半功倍的效果。

國外隔震技術在20世紀60年代發展迅速，美國、新西蘭、日本等地震多發國家展開了理論和實踐研究。70年代新西蘭W.H.Robinson研制出鉛芯疊層橡膠支座并實用化。1984年和1985年美國和日本建成首棟隔震建筑。90年代美、日、新、法、意等國建起數百座基礎隔震建筑物。日本的隔震技術發展快、應用廣，1995年經歷阪神大地震，隔震建筑物經受住考驗、效果良好。政府大力推廣。2011年東日本9.0級大地震，隔震房屋隔震良好、沒有損壞。日本共建有9000多棟隔震建筑物，最高177 m，是隔震技術最成熟、隔震建筑物最多的國家。

國內1996年西安建筑科技大學和西北橡膠塑料研究設計院研制安裝了咸陽文匯西路28號樓隔震橡膠支座，經歷5.12汶川地震居民毫無感覺[1]。

早期隔震裝置包括：石墨砂漿、砂墊層、滾軸滾球、彈簧擺動樁等。隨著橡膠震支座的問世，建筑隔震技術不斷朝向多元件混合隔震、高穩定高性能隔震、多層大跨度隔震發展。

本次研制的橋梁用阻尼HNBR隔震橡膠支座（HD R），安裝部位示意圖見圖1。

圖1 橡膠支座安裝部位示意圖

1 工作原理

橡膠支座主要用于支撐垂直面上的受力（容器、設備、載荷等），還要承受操作的振動或地震載荷，室外還要承受風載荷。受力后會產生兩個有效位移：一個是垂直方向的位移，見圖2；一個是回轉位移，見圖3。這就要求橡膠支座具有足夠的拉伸強度、良好的耐磨耗耐疲勞性能。

圖2 垂直方向的位移

圖3 回轉位移

橡膠支座受到垂直力和水平力，受力示意圖見圖4。左側為單層橡膠受力分析，右側為疊層橡膠受力分析。通過對比，可以看出當單層橡膠和疊層橡膠當體積相同時，受力后疊層橡膠有明顯的優勢：可以支撐表面上更加強大的壓力、彈性變形小、堅固；水平受力后長久不變形、柔韌性高。

圖4 單層和疊層橡膠受力示意圖

綜合對比橡膠支座受力情況，疊層橡膠的優勢顯著。單層團狀橡膠受壓后容易鼓向側面，其抗壓強度弱。疊層橡膠因為有補強層，受壓后更加牢固。其抗壓強度高且能承受更寬大的地面。在剪切剛度相同的情況下，疊層橡膠的層面同樣能剪切變形到與單層團狀橡膠相同的程度。變形示意圖見圖5。

圖5 單層和疊層橡膠受力變形示意圖

2 產品結構設計

2.1 基本結構設計

標準橡膠支座包括：固定式和可移動式兩種。可移動式支座能夠調節橋梁因溫度變化引起的伸縮，分散表面的力反應防止對橋墩造成震動。固定式基礎隔震支座能夠吸收減弱部分地面震蕩。隨著大型公路、鐵路項目的建設不斷推進，大尺寸橡膠支座逐漸飽和。同時橋體老化后也需要改進，近年來出現了許多新型設計如功能分離型、緊湊型支座。

現在常用的橡膠支座按照安裝情況，分為表面水平分布混凝土橋梁使用的橡膠支座、表面水平分布鋼結構橋梁使用的橡膠支座、固定式/可移動式緊湊型橡膠支座。

國際上橡膠支座按照結構分為：疊層橡膠支座、表面高承壓力型緊湊型橡膠支座TRRB、表面高承壓力型緊湊型橡膠支座VS-1。TRRB橡膠支座接近于老式金屬支座，承壓力優于橡膠支座。通過將橡膠板加入支座內部，既滿足表面高承壓力又實現了尺寸緊湊的效果。此產品尤其適用于橋梁間隙小的地方及現有金屬支座BP-B的維修及更換。VS-1橡膠支座結合了疊層橡膠支座和金屬支座的優點。通過罐體控制疊橡膠，以達到高蠕變性能及表面高承壓力的要求。因其容易破損部位從外部可以檢測到，所以此產品日常檢修相對簡單。

目前市場上使用量最大、技術最成熟的還是疊層橡膠支座。最初的疊層橡膠支座通過添加鉛熔塞來調節橡膠的阻尼性能，目前逐漸被高阻尼性能橡膠支座取代。本次研制的是橋梁用水平隔震、高阻尼HNBR疊層橡膠支座，其基本結構見圖6。其構成主要包括：上盤、橡膠支座、下盤、側部墩體、基礎盤、固定螺栓和錨定螺栓。橡膠支座的構成：中間是一層橡膠層、一層鋼板交錯疊加，側面是覆蓋橡膠。外形主要是圓形和方形兩種。本次研制的是900×900 mm方形橡膠支座。單層橡膠厚度6.2 mm×29層；單層鋼板（Q235）厚度2.8 mm×28層。中間開孔直徑100 mm。

圖6 疊層橡膠支座基本結構

2.2 力學參數設計

本次2.9度抗震設防烈度區的橋梁采用隔震設計，推薦選用高阻尼橡膠支座設計剪切模量為G 0.8（MPa）系列支座，同時需根據實際橋梁設計參數進行計算、驗證。

高阻尼橡膠支座第一形狀系數S1=（4 ×邊長的平方-3.14×開孔直徑的平方）/4×單層橡膠厚度（4×邊 長+3.14×開 孔 直 徑）=（4×9002-3.14×1002）/4×6.2（4×900+3.14×100）=33.06。S1表征隔震橡膠支座中鋼板對橡膠的約束程度：S1越大，橡膠支座的受壓承載越大，豎向剛度越大。國際上一般S1≥15。

高阻尼橡膠支座第二形狀系數S2=有效承壓邊長/橡膠總厚度=900/29×6.2=5。S2表征隔震橡膠支座寬度高度比例，也就是受壓后的穩定性。國際上一般S2=3～6。

高阻尼橡膠支座豎向壓縮剛度Kv=（修正壓縮彈性模量×支座有效面積）/內部橡膠總厚度=（1 106.19×802 150）/29×6.2 N/mm=4 935.1 kN/mm。豎向壓縮剛度受到橡膠材料影響：隨著橡膠硬度、彈性模量、S1、S2增大而增大，隨著水平剪切變形的增大而降低。

高阻尼橡膠支座水平等效剛度Kh=剪應變為γ時的等效剪切模量×支座有效面積/內部橡膠總厚度=0.8×802 150/29×6.2 N/mm=3.569 kN/mm。

高阻尼橡膠支座等效阻尼比heq=剪力-剪切位移滯回曲線的包絡面積/[（π×2×Kh（橡膠總厚度Xγ）2]。剪力-剪切位移滯回曲線的包絡面積，單位N.mm，通過試驗確定。一般國際上等效阻尼比heq=0.20～0.25。

3 模具結構設計

橡膠支座的生產方式主要是模具模壓硫化。模具的設計尤為重要，使用設計合理的模具生產的橡膠支座，膠料流動均勻致密、充滿型腔，進而避免了產品易出現氣泡、缺料、流動不良等外觀缺陷。同時膠料流動不均勻、氣泡、壓力不足、欠硫等，都會產生橡膠支座力學失穩、鋼板與橡膠之間黏合力降低，從而失去隔震作用。

本次模具設計為立式、三開、半封閉模具。模具材質為45號或A3鋼板，鍛打調質處理，增加硬度和密實程度。橡膠支座模具結構：自上而下為上模板、中模板、下模板。中模板分別與上模板、下模板，組成半封閉結構。這樣設計的好處：一方面模具定位精準，另一方面橡膠在模具內部壓力大、均勻，產品尺寸穩定、余膠邊薄節約原料。流膠槽設計在上模板與中模板靠近產品分型面處，流膠槽設計為R3。

模具粗糙度設計：模腔粗糙度Ra=0.4,配合面粗糙度Ra=0.8,其余表面粗糙度Ra=1.6。未注倒角設計為1×450。模具制作完成后表面鍍鉻處理，一方面防止生銹，另一方面為了產品脫模方便、膠料流動均勻外觀缺陷少。由于模具體積比較大，為了開合方便設計了熱板與上模板、下模板的連接裝置，實現自動開合模具。這種模具的好處是半成品成型工序簡單、一次成型預壓，然后稍加修理就可以直接硫化。

4 配方設計

試驗表明動載荷作用下，阻尼特性顯著影響結構的響應程度。產生阻尼的主要因素：空氣阻尼、材料阻尼、連接部位阻尼[2]。橡膠是最常用的阻尼粘彈性材料。橡膠包覆金屬板后可以減弱金屬彎曲震動的強度。疊層橡膠支座是橡膠與金屬板一層一層交錯貼合硫化成型的。震動能量從金屬板傳遞到橡膠層，首先引起橡膠內部分子的摩擦、錯動。橡膠阻尼材料強大的內摩擦、內磨損，足以將震動能量耗損、變成熱能散掉，減弱金屬板的彎曲震動，同時縮短金屬板受到激勵而震動的時間，起到隔震作用[3]。

用不同橡膠原材料制作的同樣形狀、大小的兩個橡膠球，從同一高度落下，落地后反彈高度不同。能量吸收小的，反彈高度高。能量吸收大的，反彈高度低。見圖7。

圖7 不同材質的阻尼橡膠球反彈示意圖

本次設計的橋梁用高阻尼HNBR隔震橡膠支座，主體材料選用日本瑞翁相交株式會社生產的氫化丁腈橡膠HNBR。氫化丁腈橡膠是由丁腈橡膠經過特殊氫化處理的高度飽和彈性體。它具有優良的耐油性能（耐潤滑油、燃料油、芳烴油良好），同時因為高度飽和從而有良好的耐熱性能、優良的耐化學腐蝕性能（耐酸、堿、氟利昂等）、優異的動態性能、優異的耐臭氧性能和較高的抗壓縮永久變形性能。具有高強度、高撕裂、高耐磨等優點，素有橡膠之王的美譽。

阻尼橡膠配方設計有很多技巧。阻尼性能取決于橡膠的分子結構，分子鏈上引入的側基，體積越大越能阻礙鏈段運動，越能增加分子內摩擦，從而增加阻尼效果。硫化體系直接影響硫化膠的剛性、耐熱性、抗疲勞性。一般硫化網格的硫原子越少，交聯鍵越牢固，硫化膠彈性模量越大。硫化劑用量增大，靜剛度上升，阻尼系數下降。硫化膠受力產生形變，分子鏈與填料之間、填料與填料之間產生內摩擦，使硫化膠的阻尼增大。填料呈現片狀、粒徑越細小、活性越高，硫化膠的阻尼性、靜模量、動模量也越高。如果阻尼橡膠的阻尼峰加寬，應選與橡膠不相容或一定限度溶解度的軟化劑。軟化劑增加，硫化膠彈性模量降低，阻尼系數增加，耐低溫耐疲勞得到改善，但是蠕變、應力松弛速度增大，影響使用可靠性。因此必須控制軟化劑適量。一般情況極性橡膠選擇極性軟化劑，反之亦然。

最終的配方為：日本瑞翁氫化丁腈橡膠ZP2020 100份，阻尼劑 35～40份，硅偶聯劑 2.0～2.4份，炭黑35～40份，氧化鋅2～4份，古馬隆 5～6份，硬脂酸 0.5～1.1份，普通偶聯劑 1～2份，防老劑 1.5～2份，分散劑 1～2份，軟化劑 30～40份，DCP 8～10份，助交聯劑 5～8份。根據GB20688.3—2006建筑隔震橡膠支座標準檢測，試驗片硫化條件：150 ℃×30 min（一次硫化），120 ℃×300 min（二次硫化）。物理性能見表1。

表1 HNBR膠料物理性能

本次實驗檢測設備主要是：電加熱400×400平板硫化機，室溫-300 ℃熱鼓風老化箱，電子數顯密度儀，邵氏A硬度計，5T電子拉力機，電阻儀等。

5 生產工藝設計和產品性能

橋梁用高阻尼HNBR隔震支座主要通過模壓成型硫化工藝生產，它的主要工序包括：混煉膠制作、膠片制作、鋼板預處理、鋼板刷膠漿、貼合成型、硫化、檢驗包裝、安裝調試等。

本次混煉膠的生產，選擇F270密煉機生產，主要特點是容量大、自動化程度高易于操作、間隙小、速度快、效率高。配合劑分散均勻，混煉效果良好，混煉膠性能穩定[4]。上輔機、主機、下輔機連續生產，炭黑、油自動稱量，管路輸送。精度高安全環保。現場計算機觸屏控制、直觀準確。混煉工藝：依次投入氫化丁腈橡膠HNBR翻煉5 min、小藥2 min、1/2炭黑1 min、1/2油1 min、第二次1/2炭黑1 min、1/2油1 min，排出膠料1 min。二段加硫化交聯劑翻煉3 min或者達到90 ℃，目視膠料表面無成塊、結團、不均等情況，即可排出膠料。

混煉好的膠料，在直徑400 mm開煉機壓出膠片。開煉機的電機轉速為740 r/min，前輥筒線速度19 m/min，調整輥距保證膠片厚度6.2±0.1 mm，翻煉6遍，然后用滾輪裁刀裁出寬度900 ±5mm的膠片，用塑料薄膜隔離、卷取備用。

鋼板預處理：噴砂、汽油清洗、晾干、涂膠漿、晾干。噴砂是為了增加表面粗糙度，增加鋼板與橡膠的粘合力。為了更好地保證鋼板與橡膠粘合，同時提高抗疲勞，我們研制了專用膠漿。膠漿配比：膠料/溶劑=15/85（重量比）。膠漿中含有增加疲勞粘合力的鈷鹽螯合物。硫化條件：150 ℃×150 min（一次硫化），120 ℃×4 h（二次硫化）。一次硫化的目的是進行高分子鏈的交聯反應；二次硫化的目的是進行補充交聯、驅除硫化劑分解產物和其他揮發性化合物以穩定硫化膠的各項性能。硫化后的產品表面噴涂耐老化材料經過外觀檢驗，合格后包裝入庫。

新研制的橋梁用高阻尼HNBR隔震支座耐久性試驗，按照100 ℃×72 h老化試驗要求，外觀無異常。臭氧濃度50×10-8，伸長率20%，40 ℃×96 h無龜裂，停止試驗，達到設計要求。成品測試設備：32 kN檢測機，垂直力性能：最大承壓力3 2000 kN，最大拉伸張力32 kN，最大速度3 mm/s；水平力性能：最大力10 000 kN，最大速度15 mm/s，最大位移±1 000 mm。水平位移檢測機型號：1 820×1 820×360，水平位移可以達到350%。

橋梁用高阻尼HNBR隔震支座，其安裝施工要點：①水平位移偏差≤±3 mm。②豎向位移偏差≤±2 mm。③隔震支座傾斜度≤2‰。

6 結語

隨著科技水平的逐漸提高，建筑物既要降低噪聲、減小振動，又要保證其的安全性、環保性。橋梁用高阻尼HNBR隔震支座具有優勢：水平恢復力、豎向承載力、阻尼吸能三位一體；載荷-變形曲線飽滿、耗能顯著；通過橡膠原材料配方調整等效阻尼比可以達到0.20～0.25；采用噴砂、涂刷含有鈷鹽鰲合物的膠漿，動態疲勞性能優異；大震后變形小無需更換、維修成本低；通過配方和表面噴涂耐老化材料，耐臭氧耐老化50年等效阻尼比減低不到2%；適用各種氣候地區安裝，環保安全。

通過實際安裝使用，橋梁用高阻尼HNBR隔震支座具有耐高低溫、耐臭氧、耐屈撓、高阻尼的特點。使用10年性能不變，設計使用壽命70年其性能僅下降3%，達到國外同類產品水平。