橋梁用高阻尼HNBR隔震支座的設(shè)計(jì)

周英志，周毅

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

社會(huì)在發(fā)展，人們的衣食住行得到很大改善。隨著技術(shù)、工藝不斷更新，新材料新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，土木工程日新月異。優(yōu)良的材料，加上先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建筑物的安全性和使用壽命顯著提高。一方面依靠提高強(qiáng)度、剛度、延性，來改善抗震隔震效果，另一方面大力發(fā)展新型減震隔震技術(shù)，達(dá)到事半功倍的效果。

國外隔震技術(shù)在20世紀(jì)60年代發(fā)展迅速，美國、新西蘭、日本等地震多發(fā)國家展開了理論和實(shí)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(shí)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(shù)百座基礎(chǔ)隔震建筑物。日本的隔震技術(shù)發(fā)展快、應(yīng)用廣，1995年經(jīng)歷阪神大地震，隔震建筑物經(jīng)受住考驗(yàn)、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(shù)最成熟、隔震建筑物最多的國家。

國內(nèi)1996年西安建筑科技大學(xué)和西北橡膠塑料研究設(shè)計(jì)院研制安裝了咸陽文匯西路28號樓隔震橡膠支座，經(jīng)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(dòng)樁等。隨著橡膠震支座的問世，建筑隔震技術(shù)不斷朝向多元件混合隔震、高穩(wěn)定高性能隔震、多層大跨度隔震發(fā)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(shè)備、載荷等），還要承受操作的振動(dòng)或地震載荷，室外還要承受風(fēng)載荷。受力后會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)有效位移：一個(gè)是垂直方向的位移，見圖2；一個(gè)是回轉(zhuǎn)位移，見圖3。這就要求橡膠支座具有足夠的拉伸強(qiáng)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(zhuǎn)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(cè)為單層橡膠受力分析，右側(cè)為疊層橡膠受力分析。通過對比，可以看出當(dāng)單層橡膠和疊層橡膠當(dāng)體積相同時(shí)，受力后疊層橡膠有明顯的優(yōu)勢：可以支撐表面上更加強(qiáng)大的壓力、彈性變形小、堅(jiān)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(yōu)勢顯著。單層團(tuán)狀橡膠受壓后容易鼓向側(cè)面，其抗壓強(qiáng)度弱。疊層橡膠因?yàn)橛醒a(bǔ)強(qiáng)層，受壓后更加牢固。其抗壓強(qiáng)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(tuán)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)橡膠支座包括：固定式和可移動(dòng)式兩種?？梢苿?dòng)式支座能夠調(diào)節(jié)橋梁因溫度變化引起的伸縮，分散表面的力反應(yīng)防止對橋墩造成震動(dòng)。固定式基礎(chǔ)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(xiàng)目的建設(shè)不斷推進(jìn)，大尺寸橡膠支座逐漸飽和。同時(shí)橋體老化后也需要改進(jìn)，近年來出現(xiàn)了許多新型設(shè)計(jì)如功能分離型、緊湊型支座。

現(xiàn)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(jié)構(gòu)橋梁使用的橡膠支座、固定式/可移動(dòng)式緊湊型橡膠支座。

國際上橡膠支座按照結(jié)構(gòu)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(yōu)于橡膠支座。通過將橡膠板加入支座內(nèi)部，既滿足表面高承壓力又實(shí)現(xiàn)了尺寸緊湊的效果。此產(chǎn)品尤其適用于橋梁間隙小的地方及現(xiàn)有金屬支座BP-B的維修及更換。VS-1橡膠支座結(jié)合了疊層橡膠支座和金屬支座的優(yōu)點(diǎn)。通過罐體控制疊橡膠，以達(dá)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(chǎn)品日常檢修相對簡單。

目前市場上使用量最大、技術(shù)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(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)見圖6。其構(gòu)成主要包括：上盤、橡膠支座、下盤、側(cè)部墩體、基礎(chǔ)盤、固定螺栓和錨定螺栓。橡膠支座的構(gòu)成：中間是一層橡膠層、一層鋼板交錯(cuò)疊加，側(cè)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(jié)構(gòu)

2.2 力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)

本次2.9度抗震設(shè)防烈度區(qū)的橋梁采用隔震設(shè)計(jì)，推薦選用高阻尼橡膠支座設(shè)計(jì)剪切模量為G 0.8（MPa）系列支座，同時(shí)需根據(jù)實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、驗(yàn)證。

高阻尼橡膠支座第一形狀系數(shù)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(shù)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(wěn)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(nèi)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(yīng)變?yōu)棣脮r(shí)的等效剪切模量×支座有效面積/內(nèi)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(luò)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(luò)面積，單位N.mm，通過試驗(yàn)確定。一般國際上等效阻尼比heq=0.20～0.25。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橡膠支座的生產(chǎn)方式主要是模具模壓硫化。模具的設(shè)計(jì)尤為重要，使用設(shè)計(jì)合理的模具生產(chǎn)的橡膠支座，膠料流動(dòng)均勻致密、充滿型腔，進(jìn)而避免了產(chǎn)品易出現(xiàn)氣泡、缺料、流動(dòng)不良等外觀缺陷。同時(shí)膠料流動(dòng)不均勻、氣泡、壓力不足、欠硫等，都會(huì)產(chǎn)生橡膠支座力學(xué)失穩(wěn)、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(shè)計(jì)為立式、三開、半封閉模具。模具材質(zhì)為45號或A3鋼板，鍛打調(diào)質(zhì)處理，增加硬度和密實(shí)程度。橡膠支座模具結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)。這樣設(shè)計(jì)的好處：一方面模具定位精準(zhǔn)，另一方面橡膠在模具內(nèi)部壓力大、均勻，產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定、余膠邊薄節(jié)約原料。流膠槽設(shè)計(jì)在上模板與中模板靠近產(chǎn)品分型面處，流膠槽設(shè)計(jì)為R3。

模具粗糙度設(shè)計(jì)：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(shè)計(jì)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(chǎn)品脫模方便、膠料流動(dòng)均勻外觀缺陷少。由于模具體積比較大，為了開合方便設(shè)計(jì)了熱板與上模板、下模板的連接裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(yù)壓，然后稍加修理就可以直接硫化。

4 配方設(shè)計(jì)

試驗(yàn)表明動(dòng)載荷作用下，阻尼特性顯著影響結(jié)構(gòu)的響應(yīng)程度。產(chǎn)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(dòng)的強(qiáng)度。疊層橡膠支座是橡膠與金屬板一層一層交錯(cuò)貼合硫化成型的。震動(dòng)能量從金屬板傳遞到橡膠層，首先引起橡膠內(nèi)部分子的摩擦、錯(cuò)動(dòng)。橡膠阻尼材料強(qiáng)大的內(nèi)摩擦、內(nèi)磨損，足以將震動(dòng)能量耗損、變成熱能散掉，減弱金屬板的彎曲震動(dòng)，同時(shí)縮短金屬板受到激勵(lì)而震動(dòng)的時(shí)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(gè)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(zhì)的阻尼橡膠球反彈示意圖

本次設(shè)計(jì)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(huì)社生產(chǎn)的氫化丁腈橡膠HNBR。氫化丁腈橡膠是由丁腈橡膠經(jīng)過特殊氫化處理的高度飽和彈性體。它具有優(yōu)良的耐油性能（耐潤滑油、燃料油、芳烴油良好），同時(shí)因?yàn)楦叨蕊柡蛷亩辛己玫哪蜔嵝阅堋?yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性能（耐酸、堿、氟利昂等）、優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能、優(yōu)異的耐臭氧性能和較高的抗壓縮永久變形性能。具有高強(qiáng)度、高撕裂、高耐磨等優(yōu)點(diǎn)，素有橡膠之王的美譽(yù)。

阻尼橡膠配方設(shè)計(jì)有很多技巧。阻尼性能取決于橡膠的分子結(jié)構(gòu)，分子鏈上引入的側(cè)基，體積越大越能阻礙鏈段運(yùn)動(dòng)，越能增加分子內(nèi)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(wǎng)格的硫原子越少，交聯(lián)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(shù)下降。硫化膠受力產(chǎn)生形變，分子鏈與填料之間、填料與填料之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦，使硫化膠的阻尼增大。填料呈現(xiàn)片狀、粒徑越細(xì)小、活性越高，硫化膠的阻尼性、靜模量、動(dòng)模量也越高。如果阻尼橡膠的阻尼峰加寬，應(yīng)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(shù)增加，耐低溫耐疲勞得到改善，但是蠕變、應(yīng)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(lián)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(lián)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(lián)劑 5～8份。根據(jù)GB20688.3—2006建筑隔震橡膠支座標(biāo)準(zhǔn)檢測，試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)檢測設(shè)備主要是：電加熱400×400平板硫化機(jī)，室溫-300 ℃熱鼓風(fēng)老化箱，電子數(shù)顯密度儀，邵氏A硬度計(jì)，5T電子拉力機(jī)，電阻儀等。

5 生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)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(chǎn)，它的主要工序包括：混煉膠制作、膠片制作、鋼板預(yù)處理、鋼板刷膠漿、貼合成型、硫化、檢驗(yàn)包裝、安裝調(diào)試等。

本次混煉膠的生產(chǎn)，選擇F270密煉機(jī)生產(chǎn)，主要特點(diǎn)是容量大、自動(dòng)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(wěn)定[4]。上輔機(jī)、主機(jī)、下輔機(jī)連續(xù)生產(chǎn)，炭黑、油自動(dòng)稱量，管路輸送。精度高安全環(huán)?！，F(xiàn)場計(jì)算機(jī)觸屏控制、直觀準(zhǔn)確?；鞜捁に嚕阂来瓮度霘浠‰嫦鹉zHNBR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(lián)劑翻煉3 min或者達(dá)到90 ℃，目視膠料表面無成塊、結(jié)團(tuán)、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(jī)壓出膠片。開煉機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為740 r/min，前輥筒線速度19 m/min，調(diào)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(yù)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(shí)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(jìn)行高分子鏈的交聯(lián)反應(yīng)；二次硫化的目的是進(jìn)行補(bǔ)充交聯(lián)、驅(qū)除硫化劑分解產(chǎn)物和其他揮發(fā)性化合物以穩(wěn)定硫化膠的各項(xiàng)性能。硫化后的產(chǎn)品表面噴涂耐老化材料經(jīng)過外觀檢驗(yàn)，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(yàn)，按照100 ℃×72 h老化試驗(yàn)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(yàn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。成品測試設(shè)備：32 kN檢測機(jī)，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(jī)型號：1 820×1 820×360，水平位移可以達(dá)到350%。

橋梁用高阻尼HNBR隔震支座，其安裝施工要點(diǎn)：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(jié)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(dòng)，又要保證其的安全性、環(huán)保性。橋梁用高阻尼HNBR隔震支座具有優(yōu)勢：水平恢復(fù)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(diào)整等效阻尼比可以達(dá)到0.20～0.25；采用噴砂、涂刷含有鈷鹽鰲合物的膠漿，動(dòng)態(tài)疲勞性能優(yōu)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(qū)安裝，環(huán)保安全。

通過實(shí)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(diǎn)。使用10年性能不變，設(shè)計(jì)使用壽命70年其性能僅下降3%，達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。