板式橡膠支座抗壓彈性模量試驗(yàn)的主要影響因素分析

郝康，夏輝

（中咨公路養(yǎng)護(hù)檢測(cè)技術(shù)有限公司，北京 102200）

1 引言

橋梁支座是連接橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的重要部件，起到將橋梁上部結(jié)構(gòu)的反力和變形可靠地傳遞給橋梁下部結(jié)構(gòu)的作用，板式橡膠支座是橋梁工程中應(yīng)用較為廣泛的一種支座產(chǎn)品，它具有構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本較低，安裝方便，養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)?？箟簭椥阅Ａ恐笜?biāo)作為板式橡膠支座產(chǎn)品最重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一，在一定程度上反映了橡膠支座的質(zhì)量。

2 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)抗壓彈性模量的相關(guān)規(guī)定

根據(jù)交通運(yùn)輸行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)JT/T 4—2019《公路橋梁板式橡膠支座》中的規(guī)定，板式橡膠支座的抗壓彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值E和形狀系數(shù)S按照式（1）～（3）對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算。

式中，E為支座抗壓彈性模量標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，在控制配方時(shí)形狀系數(shù)取值范圍控制在5～12。

形狀系數(shù)S的計(jì)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(zhǎng)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(shí)際使用過程中的各個(gè)階段平均承受的壓應(yīng)力σc=10 MPa，當(dāng)形狀系數(shù)S＜7 時(shí)，平均壓應(yīng)力σc=8 MPa；當(dāng)其橡膠硬度值（IRHD）為60 時(shí)，剪切彈性模量隨著環(huán)境溫度的降低而逐漸遞增。

在高中物理習(xí)題的解答中，每個(gè)題目有多個(gè)解題步驟，且按步驟得分，同學(xué)們經(jīng)常出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果正確而無(wú)法拿到滿分的現(xiàn)象，影響了自己的物理成績(jī).所以，同學(xué)們要加強(qiáng)對(duì)物理解題步驟的重視度，以得滿分作為解題的目標(biāo)，同時(shí)對(duì)相應(yīng)的物理提分技巧加以運(yùn)用，整體性的提升自己物理知識(shí)綜合運(yùn)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(yàn)后檢測(cè)結(jié)果實(shí)測(cè)抗壓彈性模量E1的均值與相應(yīng)的抗壓彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值E的偏差值為E±E×20%，同時(shí)單項(xiàng)結(jié)果與算術(shù)平均值間的偏差≤算術(shù)平均值的3%，則認(rèn)定為滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 抗壓彈性模量試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

抗壓彈性模量試驗(yàn)前應(yīng)當(dāng)將橡膠支座樣品在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度23 ℃±5 ℃下暴露停放24 h 以上，使其內(nèi)、外溫度與環(huán)境溫度保持一致，停放區(qū)域的橡膠支座樣品應(yīng)在木質(zhì)板材上放置，并與地面保持一定距離，試驗(yàn)過程中應(yīng)監(jiān)控環(huán)境溫度的變化并記錄。

3.2 基本試驗(yàn)步驟

抗壓彈性模量基本試驗(yàn)主要包括以下3 個(gè)步驟：

1）啟動(dòng)壓剪試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行開機(jī)預(yù)熱，將樣品養(yǎng)護(hù)完成的支座樣品放置在承壓板中心位置進(jìn)行對(duì)中，利用送樣小車將樣品送至試驗(yàn)機(jī)固定位置。

2）根據(jù)提供的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸及形狀系數(shù)自動(dòng)計(jì)算平均壓應(yīng)力。點(diǎn)擊開始，當(dāng)均勻加載至初始?jí)簯?yīng)力1.0 MPa 穩(wěn)壓后，在承壓板邊緣布置4 塊光柵位移傳感器進(jìn)行豎向壓縮變形量采集（加載速率在整個(gè)試驗(yàn)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(yīng)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(yù)壓3 次。

3）正式加載試驗(yàn)每加載循環(huán)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(jí)逐級(jí)加載，持荷2 min 采集支座變形值，直到加壓至平均壓應(yīng)力為止，繪制的應(yīng)力-應(yīng)變圖，圖形顯示變形量應(yīng)呈線性關(guān)系。隨后以均勻不斷的速度卸載至初始?jí)簯?yīng)力1.0 MPa；保壓l0 min 后進(jìn)行下一加載循環(huán)。反復(fù)3 次平行試驗(yàn)。

試驗(yàn)加載過程時(shí)間與應(yīng)變曲線如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)加載過程時(shí)間與應(yīng)變曲線圖

4 影響抗壓彈性模量試驗(yàn)結(jié)果的主要因素

4.1 橡膠質(zhì)量

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

現(xiàn)階段，我國(guó)橡膠支座供應(yīng)市場(chǎng)依然普遍存在部分廠家在其中摻加再生膠的現(xiàn)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(jīng)脫硫加工后能夠成為可重新使用的橡膠，但因市場(chǎng)所流通的產(chǎn)品往往都是摻加了過量再生膠，所以橡膠硬度（IRHD）會(huì)隨之增大，并不符合產(chǎn)品要求。

一些文獻(xiàn)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(shì)，并且隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，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(duì)支座的抗壓力學(xué)性能影響越大。

4.2 橡膠支座膠層總厚度

在對(duì)影響抗壓彈性模量試驗(yàn)結(jié)因素分析上，板式橡膠支座膠層總厚度是較關(guān)鍵的因素，這具體體現(xiàn)為：

1）由于生產(chǎn)設(shè)備落后或工藝控制不精等原因，導(dǎo)致某些廠家生產(chǎn)出來(lái)的支座產(chǎn)品四側(cè)面膠層總厚度不均勻的現(xiàn)象較為常見。

2）從支座樣品實(shí)際解剖試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)加勁鋼板偏移，導(dǎo)致膠層總厚度不均勻的現(xiàn)象，此種情況將導(dǎo)致試驗(yàn)過程中4 個(gè)位移傳感器產(chǎn)生的壓縮變形量嚴(yán)重不均衡，各方向變形量極差很大，造成壓縮應(yīng)變值數(shù)據(jù)誤差較大，抗壓彈性模量和抗剪彈性模量與標(biāo)準(zhǔn)厚度的實(shí)測(cè)彈性模量結(jié)果存在較大偏差。

4.3 不銹鋼加勁鋼板規(guī)格尺寸

橡膠支座使用的不銹鋼加勁鋼板規(guī)格尺寸實(shí)際尺寸越小，導(dǎo)致實(shí)測(cè)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求四側(cè)面保護(hù)層厚度≥5 mm，也就是說(shuō)，不銹鋼加勁鋼板直徑應(yīng)≥290 mm，通過日常解剖試驗(yàn)查驗(yàn)，四側(cè)面的保護(hù)層基本都＞5 mm，由此說(shuō)明樣品使用的實(shí)際加勁鋼板直徑小于規(guī)定的規(guī)格尺寸。從抗壓彈性模量的公式來(lái)看，加勁鋼板尺寸減小，應(yīng)力減小，應(yīng)變?cè)龃?，?jì)算的實(shí)測(cè)彈性模量變小。而廠家提供的支座形狀系數(shù)是按加勁鋼板正常規(guī)格尺寸計(jì)算而得，抗壓彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值E相對(duì)實(shí)際規(guī)格尺寸的值偏大，導(dǎo)致指標(biāo)范圍增大，兩相考慮，導(dǎo)致實(shí)測(cè)抗壓彈性模量結(jié)果判定出現(xiàn)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(chǎn)的基本條件，硫化溫度過高時(shí)，橡膠的氧化反應(yīng)會(huì)加劇，導(dǎo)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(shí)測(cè)抗壓彈性模量值增大。

橡膠支座制作加工時(shí)中間橡膠層的厚度對(duì)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(shí)間的作用，成品支座會(huì)出現(xiàn)中間膠層厚度不均，中膠層薄、形狀系數(shù)大的支座抗壓彈性模量與標(biāo)準(zhǔn)支座抗壓彈性模量（E）值相比偏大，根據(jù)JT/T 4—2019《公路橋梁板式橡膠支座》，支座形狀系數(shù)S與中間橡膠膠層厚度成反比關(guān)系，即中間膠層越薄其形狀系數(shù)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(shù)S大小成平方關(guān)系，即形狀系數(shù)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(biāo)準(zhǔn)鋼板直徑190 mm、鋼板層數(shù)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(jù)已知條件計(jì)算所得形狀系數(shù)S為9.50，抗壓彈性模量E為487 MPa。

假設(shè)成品支座制作后中間橡膠層厚度實(shí)際為4.5 mm，根據(jù)以上條件所得形狀系數(shù)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(shí)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)要求。

4.5 試驗(yàn)過程中的溫度控制

因?yàn)橄鹉z對(duì)溫度的變化有很好的敏感性，所以試驗(yàn)過程中溫度的變化會(huì)影響實(shí)測(cè)抗壓彈性模量值，從而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生直接影響。例如，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度為23 ℃±5 ℃，試驗(yàn)過程溫度長(zhǎng)期保持在18 ℃左右，橡膠硬度就會(huì)偏硬；在偏高溫度環(huán)境下，例如，試驗(yàn)中溫度長(zhǎng)期保持在28 ℃左右，橡膠硬度就會(huì)偏軟；試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)人員如果將室溫控制在低于標(biāo)準(zhǔn)溫度中最低溫度，抗壓模量就會(huì)偏大。因此，檢測(cè)人員要嚴(yán)格把控試驗(yàn)過程中對(duì)環(huán)境溫度的控制，在對(duì)每一塊樣品進(jìn)行試驗(yàn)后，在相應(yīng)原始記錄中應(yīng)明確注明試驗(yàn)期間的詳細(xì)溫度參數(shù)，這樣可以為以后產(chǎn)品出現(xiàn)問題時(shí)提供有效的證明，并對(duì)后續(xù)出現(xiàn)的質(zhì)量問題提供有效的數(shù)據(jù)參考。

4.6 預(yù)壓時(shí)間及加載速度對(duì)抗壓彈性模量的影響

標(biāo)準(zhǔn)明確要求每級(jí)的加載速度和保壓時(shí)間，如果試驗(yàn)人員對(duì)預(yù)壓不重視同樣會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。預(yù)壓速率過快，橡膠分子間不會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)，達(dá)不到橡膠晶子的預(yù)熱功效；而預(yù)壓速率過小，會(huì)對(duì)支座本身產(chǎn)生一定的塑形變形，影響后續(xù)正式加載，所以檢測(cè)人員要嚴(yán)格依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)速率0.03～0.04 MPa/s 進(jìn)行試驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

板式橡膠支座是橋梁的重要組成部分，是橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)，承受著橋面的重力及橋面產(chǎn)生的位移變形，所以板式橡膠支座的生產(chǎn)制作工藝流程極其重要，因此，必須從嚴(yán)控制生產(chǎn)制作工藝及再生膠的使用量。從檢測(cè)力學(xué)試驗(yàn)分析中我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于加勁鋼板如平面尺寸偏小，實(shí)測(cè)抗壓彈性模量就會(huì)偏??；對(duì)相同規(guī)格尺寸的板式橡膠支座，橡膠硬度越高，實(shí)測(cè)抗壓彈性模量就會(huì)越大。