板式橡膠支座抗壓彈性模量試驗的主要影響因素分析

郝康，夏輝

（中咨公路養護檢測技術有限公司，北京 102200）

1 引言

橋梁支座是連接橋梁上、下部結構的重要部件，起到將橋梁上部結構的反力和變形可靠地傳遞給橋梁下部結構的作用，板式橡膠支座是橋梁工程中應用較為廣泛的一種支座產品，它具有構造簡單，成本較低，安裝方便，養護簡便等優點。抗壓彈性模量指標作為板式橡膠支座產品最重要的力學性能指標之一，在一定程度上反映了橡膠支座的質量。

2 標準對抗壓彈性模量的相關規定

根據交通運輸行業規范標準JT/T 4—2019《公路橋梁板式橡膠支座》中的規定，板式橡膠支座的抗壓彈性模量標準值E和形狀系數S按照式（1）～（3）對其進行驗算。

式中，E為支座抗壓彈性模量標準值，MPa；G為支座抗剪彈性模量，MPa，常溫下取1.0 MPa；S為支座形狀系數，在控制配方時形狀系數取值范圍控制在5～12。

形狀系數S的計算公式見式（2）和式（3）：

矩形支座：

圓形支座：

式中，l0a為矩形加勁鋼板短邊尺寸，mm；l0b為矩形加勁鋼板長邊尺寸，mm；t1為支座中間單層橡膠片厚度，mm；d0為圓形加勁鋼板直徑，mm。

橡膠支座在實際使用過程中的各個階段平均承受的壓應力σc=10 MPa，當形狀系數S＜7 時，平均壓應力σc=8 MPa；當其橡膠硬度值（IRHD）為60 時，剪切彈性模量隨著環境溫度的降低而逐漸遞增。

在高中物理習題的解答中，每個題目有多個解題步驟，且按步驟得分，同學們經常出現計算結果正確而無法拿到滿分的現象，影響了自己的物理成績.所以，同學們要加強對物理解題步驟的重視度，以得滿分作為解題的目標，同時對相應的物理提分技巧加以運用，整體性的提升自己物理知識綜合運用的能力.

JT/T 4—2019《公路橋梁板式橡膠支座》中要求抗剪彈性模量G的取值為1.0 MPa，試驗后檢測結果實測抗壓彈性模量E1的均值與相應的抗壓彈性模量標準值E的偏差值為E±E×20%，同時單項結果與算術平均值間的偏差≤算術平均值的3%，則認定為滿足標準要求。

3 抗壓彈性模量試驗

3.1 試驗方法

抗壓彈性模量試驗前應當將橡膠支座樣品在標準環境溫度23 ℃±5 ℃下暴露停放24 h 以上，使其內、外溫度與環境溫度保持一致，停放區域的橡膠支座樣品應在木質板材上放置，并與地面保持一定距離，試驗過程中應監控環境溫度的變化并記錄。

3.2 基本試驗步驟

抗壓彈性模量基本試驗主要包括以下3 個步驟：

1）啟動壓剪試驗機進行開機預熱，將樣品養護完成的支座樣品放置在承壓板中心位置進行對中，利用送樣小車將樣品送至試驗機固定位置。

2）根據提供的內部結構尺寸及形狀系數自動計算平均壓應力。點擊開始，當均勻加載至初始壓應力1.0 MPa 穩壓后，在承壓板邊緣布置4 塊光柵位移傳感器進行豎向壓縮變形量采集（加載速率在整個試驗過程中始終保持0.03～0.04 MPa/s），速率均勻不斷地加載至平均壓應力σ=l0.0 MPa，保壓2 min，隨后以均勻不斷的速度卸載至1.0 MPa，保壓5 min，預壓3 次。

3）正式加載試驗每加載循環從1.0 MPa 開始，均勻不斷加載至4 MPa，持荷2 min，光柵位移傳感器采集支座變形值，隨后以相同速率每2 MPa 為一級逐級加載，持荷2 min 采集支座變形值，直到加壓至平均壓應力為止，繪制的應力-應變圖，圖形顯示變形量應呈線性關系。隨后以均勻不斷的速度卸載至初始壓應力1.0 MPa；保壓l0 min 后進行下一加載循環。反復3 次平行試驗。

試驗加載過程時間與應變曲線如圖1 所示。

圖1 試驗加載過程時間與應變曲線圖

4 影響抗壓彈性模量試驗結果的主要因素

4.1 橡膠質量

制作板式橡膠支座主要使用的是硫化工藝，具體會采用的材料包括：（1）2 層以上同規格且同工藝的薄橡膠片；（2）相同規格尺寸的薄鋼板。在這當中，直接影響橡膠支座的力學性能指標重要因素主要為橡膠膠種（如氯丁橡膠、天然橡膠等）。

現階段，我國橡膠支座供應市場依然普遍存在部分廠家在其中摻加再生膠的現象。再生膠的原料大部分都是已廢舊的橡膠制品或已硫化的邊角廢料，這些原料盡管在經脫硫加工后能夠成為可重新使用的橡膠，但因市場所流通的產品往往都是摻加了過量再生膠，所以橡膠硬度（IRHD）會隨之增大，并不符合產品要求。

一些文獻的研究成果表明：板式橡膠支座的彈性模量隨著再生膠所占比例的增大具有不斷增大的趨勢，并且隨著老化時間的增長，再生膠所占比例越大，支座彈性模量增大的速率越快，表明板式橡膠支座的膠料如果含有的再生膠越多，其對支座的抗壓力學性能影響越大。

4.2 橡膠支座膠層總厚度

在對影響抗壓彈性模量試驗結因素分析上，板式橡膠支座膠層總厚度是較關鍵的因素，這具體體現為：

1）由于生產設備落后或工藝控制不精等原因，導致某些廠家生產出來的支座產品四側面膠層總厚度不均勻的現象較為常見。

2）從支座樣品實際解剖試驗結果來看，經常發現加勁鋼板偏移，導致膠層總厚度不均勻的現象，此種情況將導致試驗過程中4 個位移傳感器產生的壓縮變形量嚴重不均衡，各方向變形量極差很大，造成壓縮應變值數據誤差較大，抗壓彈性模量和抗剪彈性模量與標準厚度的實測彈性模量結果存在較大偏差。

4.3 不銹鋼加勁鋼板規格尺寸

橡膠支座使用的不銹鋼加勁鋼板規格尺寸實際尺寸越小，導致實測抗壓彈性模量越小。比如圓形橡膠支座外形尺寸為φ300 mm，根據標準要求四側面保護層厚度≥5 mm，也就是說，不銹鋼加勁鋼板直徑應≥290 mm，通過日常解剖試驗查驗，四側面的保護層基本都＞5 mm，由此說明樣品使用的實際加勁鋼板直徑小于規定的規格尺寸。從抗壓彈性模量的公式來看，加勁鋼板尺寸減小，應力減小，應變增大，計算的實測彈性模量變小。而廠家提供的支座形狀系數是按加勁鋼板正常規格尺寸計算而得，抗壓彈性模量標準值E相對實際規格尺寸的值偏大，導致指標范圍增大，兩相考慮，導致實測抗壓彈性模量結果判定出現較大的誤差[2]。

4.4 硫化溫度、中間膠層厚度的控制

硫化工藝中硫化溫度是支座生產的基本條件，硫化溫度過高時，橡膠的氧化反應會加劇，導致橡膠制品耐老化性能降低，造成硫化后的橡膠彈性降低且增大了橡膠的塑性變形，使實測抗壓彈性模量值增大。

橡膠支座制作加工時中間橡膠層的厚度對抗壓彈性模量也有較大的影響。受硫化工藝中壓力、硫化溫度、硫化時間的作用，成品支座會出現中間膠層厚度不均，中膠層薄、形狀系數大的支座抗壓彈性模量與標準支座抗壓彈性模量（E）值相比偏大，根據JT/T 4—2019《公路橋梁板式橡膠支座》，支座形狀系數S與中間橡膠膠層厚度成反比關系，即中間膠層越薄其形狀系數S也就越大；而橡膠支座抗壓彈性模量E的大小與形狀系數S大小成平方關系，即形狀系數S越大，所得的抗壓彈性模量E值也就越大。

舉例：以φ200 mm×42 mm 支座為例。

標準鋼板直徑190 mm、鋼板層數6 層、鋼板厚度2 mm、中間膠層厚度5 mm、橡膠層總厚度30 mm，依據已知條件計算所得形狀系數S為9.50，抗壓彈性模量E為487 MPa。

假設成品支座制作后中間橡膠層厚度實際為4.5 mm，根據以上條件所得形狀系數S為10.5，抗壓彈性模量E為601 MPa。

JT/T 4—2019《公路橋梁板式橡膠支座》要求實測抗壓彈性模量E1=E（487）±E×20%（390～584），中間橡膠層薄的支座抗壓彈性模量就很難滿足標準要求。

4.5 試驗過程中的溫度控制

因為橡膠對溫度的變化有很好的敏感性，所以試驗過程中溫度的變化會影響實測抗壓彈性模量值，從而對試驗結果產生直接影響。例如，標準試驗溫度為23 ℃±5 ℃，試驗過程溫度長期保持在18 ℃左右，橡膠硬度就會偏硬；在偏高溫度環境下，例如，試驗中溫度長期保持在28 ℃左右，橡膠硬度就會偏軟；試驗時試驗人員如果將室溫控制在低于標準溫度中最低溫度，抗壓模量就會偏大。因此，檢測人員要嚴格把控試驗過程中對環境溫度的控制，在對每一塊樣品進行試驗后，在相應原始記錄中應明確注明試驗期間的詳細溫度參數，這樣可以為以后產品出現問題時提供有效的證明，并對后續出現的質量問題提供有效的數據參考。

4.6 預壓時間及加載速度對抗壓彈性模量的影響

標準明確要求每級的加載速度和保壓時間，如果試驗人員對預壓不重視同樣會對檢測結果產生較大影響。預壓速率過快，橡膠分子間不會產生反應，達不到橡膠晶子的預熱功效；而預壓速率過小，會對支座本身產生一定的塑形變形，影響后續正式加載，所以檢測人員要嚴格依據標準速率0.03～0.04 MPa/s 進行試驗。

5 結語

板式橡膠支座是橋梁的重要組成部分，是橋梁上、下部結構的連接點，承受著橋面的重力及橋面產生的位移變形，所以板式橡膠支座的生產制作工藝流程極其重要，因此，必須從嚴控制生產制作工藝及再生膠的使用量。從檢測力學試驗分析中我們發現，對于加勁鋼板如平面尺寸偏小，實測抗壓彈性模量就會偏小；對相同規格尺寸的板式橡膠支座，橡膠硬度越高，實測抗壓彈性模量就會越大。