大位移伸缩装置弹性元件可靠性研究1

1大位移伸缩装置弹性元件可靠性研究为使车辆平稳通过桥面并满足桥梁上部结构变形的需要，在桥梁伸缩缝处需设置桥梁伸缩装置。桥梁伸缩装置除满足变形需要外，还要承受车轮频繁的冲击和大气环境的腐蚀老化。其使用性能和寿命直接影响桥梁的正常工作和运营。桥梁伸缩装置由钢和橡胶等构件组成。按伸缩装置标准制作的钢构件，通过采取可靠的防腐措施，国内外专业厂家生产的各种产品均能很好地满足桥梁的长期使用要求，通过大量的应用证明钢构件的质量是可靠的，而弹性元件存在的质量问题多一些，进口和国内产品都存在不同程度的损坏，进口产品相对较好。桥梁伸缩装置主要损坏方式为弹性元件压缩永久变形导致的弹性损失和弹性元件开裂使弹性控制系统早期损坏。伸缩装置弹性元件包括承压支座、压紧支座、橡胶位移控制弹簧及聚氨酯位移控制弹簧，以前长期依靠进口。随着我国建设的跨江、河、湖和海的特大型桥梁的日益增多，中国已成为世界上伸缩装置需求量最大的国家，国外伸缩装置的著名厂家纷纷在中国投资建厂，国内主要厂家在解决了伸缩装置的钢构件的国产化后，近几年将重点转向了弹性元件和大位移量伸缩装置的研发。新筑公司于2001年承担并完成了国家经贸委批准实施的国家重点技术创新项目“超大位移量桥梁伸缩装置”，在借鉴国外先进技术的基础上进行创新开发，产品经试验应用，达到国内领先、国际先进水平。弹性元件的研究情况如下：2一、弹性元件的性能指标分析根据伸缩装置弹性元件的功能和使用环境要求，弹性元件必须具有以下几项性能。1、所有的弹性元件应当具有良好的耐臭氧老化、耐热老化、抗腐蚀和较小的压缩永久变形；2、位移控制机构的弹性元件能够适应各种因素引起的梁体伸缩和转动，应具有足够的强度（拉伸、撕裂、粘结强度）和回弹性；3、支承系统能够承受各种车辆的冲击，保证行车的平稳、舒适，应具有足够的强度（拉伸、粘结强度）和较小的摩擦阻力；4、结构简单、施工方便，质量可靠、寿命长久，养护、维修、更换方便快捷；二、结构设计1、支承结构伸缩装置所受的载荷是通过承载支座和压紧支座传递的，压紧支座和承载支座按板式橡胶支座的结构要求进行设计，其承压面积应保证在极限载荷下橡胶的压应力不超过10MPa。伸缩装置的转动是通过横梁相对横梁压紧支座和横梁承载支座的竖向转动实现的，因此，压紧支座和承载支座的竖向转角应大于伸缩装置的竖向转角。根据桥梁板式支座的转角公式为：tgθ≤2δ/a（δ为压缩量，a为转动方边长），橡胶的压缩变形为厚度的15%，保证支座橡胶层的总厚度，可满足伸缩装置转角的要求。压紧支座和承载支座上设有四氟滑板，位移是通过四氟滑板与横梁上的不锈钢板之间滑移实现,利用四氟滑板与不锈钢板之间的低摩擦滑动来减小伸缩阻力，从而实现伸缩装置的自由伸缩，以满足梁体的伸缩需要。国产板式橡胶支座在桥梁上的应用已超过三十年的历史，其承3载、转动、滑移、老化性能和质量都是可靠的，技术和工艺也非常成熟。伸缩装置的承载支座和压紧支座的损坏主要是因为压缩永久变形增大后致使支承结构的预压力减小，支座在汽车的冲击反弹下脱落，造成支承结构失效破坏。通过橡胶材料的正确选用和工艺的严格控制可以控制胶料的性能解决压缩永久变形问题。承载支座横梁不锈钢板压紧支座承载支座压紧支座限位块限位块2、位移控制结构为保证车辆通过伸缩装置时不跳车，伸缩装置的单缝缝宽应不大于80mm，伸缩装置各缝宽的均匀是采用串联的位移控制弹簧控制伸缩装置位移。位移控制弹簧采用橡胶剪切弹簧和聚氨酯压缩弹簧两种。1）橡胶剪切弹簧是我公司引进瑞士玛格巴剪切弹簧技术的基础上，对剪切弹簧胶料的扯断永久变形和胶料与两端金属的粘结强度进行了大量的研究和试验，结合多年板式橡胶支座生产经验进行配方设计和工艺控制，同时增加钢板与胶料的接触面积提高粘结强度，优化了剪切受力结构，经循环试验和应用，残余变形≤1.0mm，未出现裂纹，详见“ZL1120伸缩装置橡胶弹簧循环试验报告”。该剪切弹簧已成功用于重庆大佛寺长江大桥ZL1120伸缩装置、重庆马鞍石大桥ZL720伸缩装置、马桑溪长江大桥ZL480伸缩装置等工程。橡胶剪切弹簧以串联的方式布置在中梁下面，能有效地控制缝宽4的均匀性。剪切弹性元件剪切弹性元件中梁中梁形架剪切弹性元件2）聚氨酯压缩弹簧是采用德国毛勒公司的聚氨酯压缩弹簧，在中国桥梁建设的推动下，经国内各伸缩缝厂家的共同努力，成功开发出了国产的聚氨酯压缩弹簧，近几年国内各厂家大量的工程实例（160~480伸缩装置）证明国产的聚氨酯压缩弹簧性能是可靠的。详见“控制弹簧全位移寿命试验报告”和“控制弹簧在日气温影响下的周期变形试验报告”。压缩弹性元件按串联的方式布置在支承托架两侧，弥补了缝宽40mm时剪切弹簧无控制力的不足，使缝宽更加均匀，又起到双重位移控制的作用，当一种弹性元件损坏时，另一种能够继续工作。5横梁压缩弹性元件三、材料要求（一）支座和剪切弹簧根据上面弹性元件的性能指标分析，压紧支座、滑动支座和剪切弹簧采用橡胶模压硫化，其胶料性能应符合表1要求。表1弹性元件胶料性能指标项目指标硬度（邵A）70±5拉伸强度（MPa）≥18扯断伸长率（%）≥400恒定压缩永久变形.70℃/24h/25%（%）≤15脆性温度（℃）≤－40热空气老化试验120℃/70h拉伸强度变化率（%）±15扯断伸长率变化率（%）±15硬度变化（邵A）0~+10耐臭氧老化.100pphm/40℃/96h/20%伸长无龟裂冲击弹性（%）≥65橡胶与钢板粘接剥离强度（KN/m）≥15橡胶与四氟板粘接剥离强度（KN/m）≥106该胶料性能指标与板式橡胶支座胶料性能指标相比，在恒定压缩永久变形、粘接剥离强度等方面大大提高，板式橡胶支座恒定压缩永久变形为30%、橡胶与钢板粘接剥离强度为10KN/m、橡胶与四氟板粘接剥离强度7KN/m。提高这些性能都是为了满足伸缩装置的使用要求、提高弹性元件可靠性。为了达到上表中性能指标要求，主要原辅材料选择如下：1、生胶生胶品种是决定产品性能的最关键因素之一。从生胶种类上看，硅橡胶、氟橡胶及聚氨酯橡胶的压缩永久变形最小，其次是氯磺化聚乙烯橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶等。但是硅橡胶、氟橡胶综合性能不好（抗撕性、耐碱性差），聚氨酯橡胶耐酸碱性较差。从综合性能考虑，氯磺化聚乙烯最好，比较适合生产承载支座和压紧支座及剪切弹性元件。2、补强填充体系补强填充体系对胶料压缩永久变形影响很大，选用合适的补强填充剂可大大提高胶料性能。短纤维具有耐撕性、低生热、低压变的优点，碳黑中喷雾碳黑压缩永久变形较小。所以选择短纤维和喷雾碳黑并用高补强性的中超耐磨作为滑动支座和压紧支座的补强填充剂，为伸缩缝弹性元件的高强度、低压缩永久变形打下了良好的骨架基础。3、硫化体系伸缩缝弹性元件的硫化体系也是影响胶料性能特别是压缩永久变形性能的重要因素。由于过氧化物硫化所得硫化胶的网络结构是碳碳键，其键能较高，非常稳定，其硫化胶压缩永久变形小、化学稳定性高、热氧老化性能非常优越。所以，硫化体系采用有机过氧化物（DCP）作主要硫化剂，并在硫化时加入少量硫黄以改善其抗撕裂性，从而得到综合性能较高的弹性元件。74、防护体系为了提高弹性元件的耐老化性能，选用抗臭氧型和耐热型防老剂并用，同时加上物理防护剂微晶蜡。（二）压缩位移控制弹簧聚氨酯橡胶的机械强度位于橡胶之首，耐热老化性、耐臭氧性、耐化学药品性好，压缩永久变形小，因此其广泛应用于车辆、飞机、船舶建筑等领域。压缩位移控制弹簧由聚氨酯橡胶发泡制成，具有变形量大、残余变形小的优点，是压缩位移控制弹簧的首选材料，国产产品已经成功应用于伸缩装置中，性能可靠，完全能满足伸缩装置的使用要求。其发泡材料性能指标见下表：项目指标耐臭氧老化.25~50pphm/40℃/96h/20%伸长无龟裂密度（Kg/m3）550±10冲击弹性（%）≥60拉伸强度（MPa）≥3.5扯断伸长率（%）≥400残余压缩变形.70℃/24h/压缩25mm（%）≤7四、工艺要求1、胶料采用密闭式炼胶机进行混炼，每车混炼胶都检测物理机械性能，保证胶料混炼均匀、性能合格。2、金属骨架采用喷砂处理，保证骨架与橡胶牢固粘结。3、聚四氟乙烯板用萘－钠溶液进行表面活化处理，保证聚四氟乙烯板与橡胶牢固粘结。84、硫化采用平板模压法，严格控制硫化时间、温度和压力。五、性能试验1、压紧支座和承压支座成品性能比较经过科学的配方设计，胶料性能指标达到表1的要求。在严格的工艺控制条件下生产出产品进行成品性能试验，并与国外产品对比，图1和图2为新筑弹性元件同国外弹性元件实测应力－应变对比曲线图，表2为新筑弹性元件同国外弹性元件实测残余变形的比较：图1新筑承载支座与国外承载支座应力－应变对比曲线图图2新筑压紧支座与国外压紧支座应力－应变对比曲线图0102030405060708090135791113151719σ(MPa)εi(×10μm)新筑承载支座国外承载支座0100200300400500600700800900123456789101112131415σ(MPa)εi(×10μm)新筑压紧支座国外压紧支座9表2新筑弹性元件同国外弹性元件实测残余变形对比产品支座原始高度(mm)压到15KN的高度(mm)卸压停放后的高度(mm)残余变形(%)新筑压紧支座64.5358.064.060.73进口压紧支座65.5754.564.711.28新筑承载支座28.526.128.350.53进口承载支座28.524.728.320.632、疲劳性能试验为了检测压紧支座和承压支座使用性能是否满足设计要求，进行了产品疲劳性能试验，最大荷载81.9KN，最小荷载1.9KN，频率为5HZ，以浅埋双缝结构为例进行2.0x106次疲劳循环试验，没有产生裂纹和破坏，详见“型钢伸缩装置浅埋双缝结构疲劳试验报告”。3、剪切弹簧成品性能试验经过胶料配方和结构的多次优化设计，严格控制剪切弹簧的的制作工艺过程，对剪切弹簧进行了年气温影响下的全位移试验和日气温影响下的周期变化疲劳试验，进行36500次疲劳循环试验后残余变形均未超过1mm，无裂纹，详见“ZL1120伸缩装置橡胶弹簧循环试验报告”。4、压缩弹簧成品性能试验对国内生产的压缩弹簧进行了全位移寿命试验和日气温影响下的周期变化疲劳试验，可见弹簧的使用寿命长，远大于桥梁的使用寿命，进行365000万次疲劳试验后残余变形小于7%，无裂纹，详见“控制弹簧全位移寿命试验报告”和“控制弹簧在日气温影响下的周期变形试验报告”。10六、结论经过反复试验研究，新筑公司的弹性元件满足桥梁伸缩装置的要求，达到国际先进水平。96年以来，新筑公司生产的弹性元件在位移量为160~1120的伸缩装置中广泛应用，性能稳定、质量可靠。