橡胶质量对板式橡胶支座性能的影响分析

张　勇，高　岩，庄军生（中国铁道科学研究院，北京　100081）

橡胶质量对板式橡胶支座性能的影响分析

张勇，高岩，庄军生
（中国铁道科学研究院，北京100081）

板式橡胶支座病害已经成为高速公路桥梁的常见病害和多发病害，究其原因与橡胶质量不良有关。本文以正常支座和掺入再生胶的支座为研究对象，通过支座力学性能及橡胶物理机械性能的对比试验，分析了再生胶对支座及橡胶受力性能的影响。试验结果表明：再生胶将增大支座的抗压弹性模量和抗剪弹性模量，降低橡胶的拉伸强度和扯断伸长率，且这种影响将随着运营时间的增加而更加显著。

板式橡胶支座；橡胶质量；再生胶；力学性能

桥梁支座是连接桥梁上部结构和下部结构的重要部件，起到将桥梁上部结构的反力和变形（位移和转角）可靠地传递给桥梁下部结构的作用。按使用材料分类桥梁支座可分为钢支座、橡胶支座、聚四氟乙烯滑动支座及混凝土铰支座。板式橡胶支座主要通过橡胶承压，其平面位移功能通过橡胶的剪切变形来实现，其转动功能则是通过橡胶的压缩变形来实现［1］。板式橡胶支座由于具有构造简单、加工制造容易、成本低廉、安装方便等特点，已经成为一种在国内外桥梁工程中广泛应用的支座类型。

根据国内多条高速公路桥梁定期检查结果，支座病害已经成为高速公路桥梁的常见病害和多发病害，究其原因部分与板式橡胶支座的成品质量不良有关。从橡胶的材料要求来说，虽然《公路桥梁板式橡胶支座》（JT/T 4—2004）［2］明确规定橡胶中不得使用任何再生胶或粉碎的硫化橡胶，但是受原材料价格及人工成本上涨因素的影响，为了获得低价中标的机会，目前国内部分生产厂家在板式橡胶支座生产工程中不同程度地掺入了再生橡胶，严重地影响了板式橡胶支座的产品质量。这使得部分桥梁尚未通车即发生支座大量开裂，造成近年来桥梁上安装的支座产品质量，还不如20世纪70年代在桥梁上已经使用多年的支座质量，导致板式橡胶支座的产品质量一直倍受行业诟病。

本文以φ200×42 mm圆形板式橡胶支座为研究对象，通过正常天然橡胶支座和掺入再生胶天然橡胶支座的对比试验（包括原材料试验和成品支座试验），分析再生胶对橡胶原材料物理机械性能及成品支座力学性能的影响，为板式橡胶支座病害原因分析提供技术支持，也可为制定支座产品的检验办法及验收准则提供参考。

1　试样

本次试验用成品支座共分2组，1组为正常天然橡胶支座，1组为掺入占橡胶质量42%再生橡胶的天然橡胶支座。每组6个支座，2组支座委托同一个厂家进行生产。φ200×42 mm圆形板式橡胶支座一般构造见图1。支座内设置6层2 mm厚加劲钢板，加劲钢板之间为5 mm厚橡胶层，共5层；支座顶、底面橡胶保护层厚度为2.5 mm，环向橡胶保护层厚度为5 mm。

图1　φ200×42 mm圆形板式橡胶支座构造（单位：mm）

对支座先进行成品力学性能试验［3-4］，再进行橡胶原材料物理机械性能试验，试样见图2。

图2　橡胶试样

原材料试验用橡胶从成品支座力学性能试验后解剖中间层胶片得到［5］，单个支座制备5片1型哑铃状试样，试样中间部分宽度为6 mm，厚度为3 mm，选取其中3片试样进行橡胶原材料物理机械性能试验。

2　试验结果及分析

2.1支座力学性能试验

根据JT/T 4—2004的要求，支座力学性能应满足表1。表中G为支座抗剪弹性模量，取1.0 MPa；E为支座抗压弹性模量，按E=5.4GS2计算，S为板式橡胶支座的形状系数。对于试验支座而言，S=9.5，E= 487 MPa。试验支座的抗压弹性模量上限标准值为584 MPa，下限标准值为390 MPa；抗剪弹性模量上限标准值为1.15 MPa，下限标准值为0.85 MPa。

表1　支座力学性能要求

1）抗压弹性模量试验

板式橡胶支座抗压弹性模量试验结果见表2。表中1-1，1-2，1-3为正常天然橡胶支座，2-1，2-2，2-3为掺入再生胶的天然橡胶支座，标准值偏差为实测值同抗压弹性模量之差与抗压弹性模量的比值，下限值偏差为实测值同0.8倍抗压弹性模量之差与0.8倍抗压弹性模量的比值。

表2　支座抗压弹性模量试验结果

由表2可知：无论是正常天然橡胶支座，还是掺入再生胶的天然橡胶支座，其实测抗压弹性模量均满足规范要求；正常支座实测抗压弹性模量小于掺入再生胶支座的实测抗压弹性模量；掺入再生胶的天然橡胶支座实测抗压弹性模量标准值偏差平均为-5.95%，下限值偏差平均为-17.44%；正常天然橡胶支座实测抗压弹性模量标准值偏差平均为18.35%，下限值偏差平均为1.96%，其实测抗压弹性模量更接近规范下限值。这一现象与以往支座抗压弹性模量试验结果的统计规律一致。

2）抗剪弹性模量试验

板式橡胶支座抗剪弹性模量试验结果见表3。表中支座编号“1-1/1-2”表示1-1和1-2支座配对进行试验，且1-1和1-2支座分别在试验机中间钢拉板的上面和下面，标准值偏差为实测值同抗剪弹性模量之差与抗剪弹性模量的比值，上限值偏差为实测值同1.15倍抗剪弹性模量之差与1.15倍抗剪弹性模量的比值。

表3　支座抗剪弹性模量试验结果

由表3可知：无论是正常天然橡胶支座，还是掺入再生胶的天然橡胶支座，其实测抗剪弹性模量均满足规范要求；掺入再生胶支座的实测抗剪弹性模量大于正常支座实测抗剪弹性模量；掺入再生胶的天然橡胶支座实测抗剪弹性模量标准值偏差平均为13.67%，上限值偏差平均为1.16%；正常天然橡胶支座实测抗剪弹性模量标准值偏差平均为10.00%，上限值偏差平均为-4.35%，其实测抗剪弹性模量更接近规范上限值。这一现象与以往支座抗剪弹性模量试验结果的统计规律一致。

2.2橡胶原材料试验

根据JT/T 4—2004的要求，天然橡胶板式支座橡胶原材料物理机械性能应满足表4。

表4　天然橡胶支座橡胶原材料物理机械性能要求

橡胶原材料物理机械性能试验结果见表5。表中硬度偏差为实测橡胶硬度与规范硬度标准限值60 IRHD的差值，拉伸强度偏差和扯断伸长率偏差均为实测值同规范要求限值（分别为18 MPa和450%）之差与规范要求限值的比值。

由表5可知：橡胶原材料的实测硬度均在规范要求的±5 IRHD偏差范围内；对于拉伸强度而言，正常支座橡胶拉伸强度实测值均高于规范限值，掺入再生胶的支座橡胶拉伸强度实测值均低于规范限值，且偏差幅度在30%以上，这说明再生橡胶对支座橡胶的拉伸强度影响明显；从扯断伸长率来看，与规范限值相比，正常支座橡胶扯断伸长率实测值均大于规范限值，而掺入再生胶的支座橡胶其扯断伸长率实测值均低于规范限值，这说明掺入再生胶对橡胶的扯断伸长率也有影响。由于本次试验对象为存放时间较短的新支座，支座橡胶性能的下降尚不明显，从以往的工程经验来看，再生橡胶的物理机械性能会随时间的延长急剧下降，将会显著影响橡胶原材料的物理机械性能及成品支座的力学性能［6］。

表5　橡胶原材料物理机械性能试验结果

3　结论

1）正常天然橡胶支座和掺入再生胶的天然橡胶支座实测抗压弹性模量和抗剪弹性模量都满足现行规范要求，仅通过常规力学性能检测无法确定支座是否掺入了再生胶，因此，在成品支座供货时应增加简便快捷的检验指标及科学合理的验收准则。

2）掺入再生胶的支座其实测抗压弹性模量和抗剪弹性模量均大于正常支座，再生胶对支座的力学性能有一定的影响。正常支座实测抗压弹性模量接近规范下限值，实测抗剪弹性模量接近规范上限值，这一现象与以往支座试验结果的统计规律一致。

3）正常支座和掺入再生胶的支座橡胶原材料的硬度偏差均满足规范要求；正常支座橡胶拉伸强度和扯断伸长率均满足标准要求，掺入再生胶的支座橡胶拉伸强度和扯断伸长率均低于标准限值；再生胶对橡胶拉伸强度和扯断伸长率影响明显，将影响支座的使用寿命。

4）大量试验结果表明，长期运营将使橡胶支座的性能发生变化，由于支座橡胶原材料性能（如拉伸强度和扯断伸长率）的下降，将导致支座抗压弹性模量和抗剪弹性模量增加，尤其是支座的抗剪弹性模量增加更为明显。再生橡胶的物理机械性能将随时间的延长急剧下降，将会显著影响橡胶原材料的物理机械性能及成品支座的力学性能。

［1］臧晓秋，庄军生，张士臣.新型抗横移板式橡胶支座［J］.铁道建筑，2004（7）：12-14.

［2］中国人民共和国交通部.JT/T 4—2004公路桥梁板式橡胶支座［S］.北京：中国标准出版社，2004.

［3］胥明，黄跃平，周明华.板式橡胶支座抗压弹性模量检测方法的研究［J］.公路，2006（2）：5-11.

［4］胥明，黄跃平，周明华.板式橡胶支座抗剪弹性模量不确定度的研究［J］.试验技术与试验机，2005，45（3）：43-48.

［5］黄跃平，胥明，周明华.板式橡胶胶层厚度不均匀对支座力学性能的影响［J］.试验技术与试验机，2005，45（4）：3-11.

［6］鲍卫刚，郑学珍，刘金贤.再生胶对板式橡胶支座的影响［J］.公路，2005（8）：21-23.

（责任审编李付军）

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

张勇（1979— ），男，副研究员，博士研究生。