【摘要】本文介紹了南京長(zhǎng)江第二大橋用65000kN大噸位盆式橡膠支座的抗壓、轉(zhuǎn)動(dòng)模擬試驗(yàn)，提出了大噸位盆式橡膠支座的有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，并介紹了大噸位盆式像膠支座的監(jiān)制狀況。
【關(guān)鍵詞】大噸位 盆式橡膠支座 研究 設(shè)計(jì) 監(jiān)制

自70年代以來，盆式橡膠支座已在我國(guó)公路和鐵路橋梁上廣泛應(yīng)用，南京長(zhǎng)江第二大橋北汊橋采用了主跨165m的連續(xù)梁，其支座豎向反力達(dá)65000kN，該橋由交通部第一公路勘察設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)。為確保大噸位支座設(shè)計(jì)的可靠性，由交通部第一公路勘察設(shè)計(jì)院（簡(jiǎn)稱公路一院）會(huì)同鐵道部科學(xué)研究院鐵道建筑研究所（簡(jiǎn)稱鐵科院鐵建所）和中國(guó)路橋公司新津筑路機(jī)械廠（簡(jiǎn)稱新津廠）共同開展65000kN抗壓盆式橡膠支座的設(shè)計(jì)研究工作。

一．南京長(zhǎng)江第二大橋65000kN盆式橡膠支座設(shè)計(jì)技術(shù)要求
南京長(zhǎng)江第二大橋北汊主橋支座設(shè)計(jì)豎直反力為65000kN，其中恒載反力為59150kN，活載反力5850kN。
支座縱向水平力；
（l）溫度力十制動(dòng)力1980kN，占設(shè)計(jì)豎向反力的3.05%；
（2）技術(shù)設(shè)計(jì)用支座摩阻力為3980kN；
（3）縱向地震水平力為7040kN，占設(shè)計(jì)豎向應(yīng)力的10.83％。
支座縱向水平位移為±4O0mm。
支座設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)角為40'（0.0116rad）。

二、支座研究方案確定
南京長(zhǎng)江第二大橋北汊主橋支應(yīng)反力達(dá)65000kN，系目前國(guó)內(nèi)反力最大的支座，作為盆式橡膠支座，國(guó)內(nèi)已有大量且成熟的使用經(jīng)驗(yàn)，支應(yīng)最大應(yīng)力已達(dá)45000kN（奉浦大橋），1995年8月歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)第167技術(shù)委員會(huì)頒布了PrEN1337-5“盆式橡膠支座”標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)盤式橡膠支座的設(shè)計(jì)、構(gòu)造及性能測(cè)試作了更明確的規(guī)定。本次研究是根據(jù)國(guó)內(nèi)盆式橡膠支座的使用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合歐洲PrEN1337－5“盆式橡膠支座”標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)盤式橡膠支座進(jìn)行必要的補(bǔ)充研究，以確保南京長(zhǎng)江第二大橋支座的可靠性。主要試驗(yàn)研究項(xiàng)目如下：
l.模擬支座的抗壓承載能力試驗(yàn)；
2.按歐洲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行支座轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)定緊箍圈及鋼盆的磨損情況和承壓橡膠板的工作狀態(tài)。

三、4700kN模擬支座的設(shè)計(jì)及其性能試驗(yàn)
1.模擬支座的設(shè)計(jì)
根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)型式試驗(yàn)時(shí)支座承壓橡膠板的直徑通常有φ450mm和φ600mm兩種，鑒于我們的試驗(yàn)?zāi)芰?，采用?50mm的承壓橡膠板作為設(shè)計(jì)模擬支座的依據(jù)。
經(jīng)對(duì)南京長(zhǎng)江第二大橋65000kN支座初步設(shè)計(jì)，橡膠容許平均壓應(yīng)力為30MPa，鋼盆盆環(huán)應(yīng)力為102.29MPa，在保證模擬支座橡膠應(yīng)力和盆環(huán)應(yīng)力與實(shí)橋支座相同的條件下，設(shè)計(jì)出模擬支座如圖1所示，此時(shí)模擬支座的設(shè)計(jì)承載力為4700kN，模擬支座采用了兩層10mm*15mm的黃銅作為緊箍圈，盆環(huán)和盆塞之間的間隙為1±0.05mm。

2.4700kN模擬支座抗壓試驗(yàn)
在將支座進(jìn)行抗壓試驗(yàn)之前，先按歐洲標(biāo)準(zhǔn)將支座的承壓橡膠板放火熱空氣烘箱中，在70℃條件下，加熱72h，取出后在空氣中放置24h．使之冷卻，然后在承壓橡膠板表面涂以295硅脂，放人支座鋼盆中，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。
抗壓試驗(yàn)過程中，用百分表和千分表分別測(cè)定支座的垂直壓縮變形和徑向變形。在設(shè)計(jì)荷載下支座的垂直壓縮變形分別為0.48mm和0.50mm，為支座總高的0.37％和0.38％，遠(yuǎn)小于 2％的限值。盆環(huán)的最大徑向變形分別為0.023mm和0.026mm，為盆環(huán)口徑的0.0051%和0.0058%，遠(yuǎn)小于0.05%的限值。符合現(xiàn)行交通部標(biāo)準(zhǔn)JT3141-90“公路橋梁盆式橡膠支座”的要求。支座的抗壓彈性剛度分別為17321kN／mm和19048kN／mm。
抗壓試驗(yàn)后的支座，經(jīng)拆開檢查，支座鋼盆、緊箍圈和承壓橡膠板完好無損。
3.4700kN盆式橡膠支座轉(zhuǎn)動(dòng)磨耗試驗(yàn)
在1995年歐洲標(biāo)準(zhǔn)PrEN1337－5“盆式橡膠支座”中，規(guī)定將轉(zhuǎn)動(dòng)磨耗性能作為生產(chǎn)支座型式檢驗(yàn)的一項(xiàng)指標(biāo)。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)，盒式橡膠支座的緊箍圈擬采用黃鋼圈、不銹鋼圈、聚甲醛（POM）和填充聚四氟乙烯等材料。我國(guó)公路、鐵路用盆式橡膠支座以往均采用鋼環(huán)，由于鋼制緊箍自其硬度和盆環(huán)內(nèi)壁相當(dāng)，在反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中可能造成對(duì)盆環(huán)內(nèi)壁的磨耗，影
響對(duì)承壓橡膠板的緊箍作用，此次南京長(zhǎng)江第二大橋用支座擬參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)采用黃銅緊箍圈。因此必須通過轉(zhuǎn)動(dòng)磨耗試驗(yàn)以檢驗(yàn)黃銅緊箍圈、盆環(huán)和承壓橡膠板的磨損情況，顯示鋼盆、鋼塞和黃銅緊箍圈的密封狀態(tài)以及黃銅緊箍因密封的適應(yīng)性，以確保支座的使用性能。
（1）轉(zhuǎn)動(dòng)磨耗試驗(yàn)的方法
轉(zhuǎn)動(dòng)磨耗試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)前應(yīng)先將承壓橡膠板在70℃熱空氣箱內(nèi)放置72h，冷卻后表面涂硅脂，放人鋼盆內(nèi)，通過一個(gè)反力架，由5000kN千斤頂對(duì)支座施加正壓力4700kN，試驗(yàn)支座上、下各一個(gè)，中間設(shè)加載梁，在加載梁的一端用一臺(tái)200kN的疲勞試驗(yàn)機(jī)，對(duì)支座施加反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，使試驗(yàn)支座產(chǎn)生呈正弦波變化的±0.0035rad的轉(zhuǎn)角，其轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為
0.5Hz。反復(fù)加載直到支座盆塞與盆環(huán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離累計(jì)達(dá)到2000m。在試驗(yàn)過程中連續(xù)記錄轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)角和臨近黃銅緊箍圈處的鋼盆溫度。達(dá)到要求的磨耗次數(shù)后，取出試件，檢查承壓橡膠是否從鋼盆中擠出，測(cè)量黃銅緊箍圈確定磨耗程度，并記錄試驗(yàn)期間恢復(fù)力矩的上升值和鋼盆溫度的變化情況。

（2）轉(zhuǎn)動(dòng)磨耗試驗(yàn)過程
試驗(yàn)過程中記錄了200kN疲勞頭的荷載變化情況，由此得出支座轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的相對(duì)關(guān)系如圖3，圖中Mθ為兩個(gè)試驗(yàn)支座的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。由圖3可見，θ-Mθ關(guān)系不是純線性的，而是形成一個(gè)滯回曲線，該曲線與歐洲標(biāo)準(zhǔn)的圖示是一致的，滯回曲線表明支座的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中存在轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼。

試驗(yàn)過程中對(duì)支座的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和試件溫度變化進(jìn)行了記錄。溫度的變化用點(diǎn)溫計(jì)在鄰近承壓橡膠板部位的鋼盆上測(cè)定，同時(shí)記錄環(huán)境溫度的變化，試驗(yàn)過程中，鋼盆溫度比環(huán)境溫度升溫2～3℃。試驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與磨耗距離的關(guān)系見圖4。由圖4可見轉(zhuǎn)動(dòng)力矩隨著磨耗距離的增加而增大。在累積轉(zhuǎn)動(dòng)距離到300m左右逐漸趨于穩(wěn)定，隨后支座的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩仍略有增加，但增加幅度很小。
（3）轉(zhuǎn)動(dòng)磨耗試驗(yàn)結(jié)果
經(jīng)63.492萬次轉(zhuǎn)動(dòng)磨耗后的支座，拆開作外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)承壓橡膠板從緊箍圈縫隙中擠出的現(xiàn)象，承壓橡膠板完好無損；未發(fā)現(xiàn)上支座盆塞在黃銅緊箍圈中產(chǎn)生壓痕的現(xiàn)象，黃銅緊箍圈完好；未發(fā)現(xiàn)鋼盆盆環(huán)內(nèi)側(cè)及盆塞凸緣上有磨損的痕跡。
對(duì)試驗(yàn)后的黃銅緊箍圈的磨損量采用截面量測(cè)法和稱重法進(jìn)行測(cè)定。截面量測(cè)法測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)方向直徑處（磨耗距離為2000m處）的黃銅緊箍圈截面，測(cè)定結(jié)果最大磨損量為3.40％。稱重法是通過黃銅緊箍圈試驗(yàn)前后的重量損失來計(jì)算截面磨損百分率。按稱重法測(cè)定的支座黃銅緊箍圈截面的最大磨損百分率為5.54％，均小于歐洲標(biāo)準(zhǔn)10％的限值。
為了檢驗(yàn)經(jīng)過轉(zhuǎn)動(dòng)磨耗試驗(yàn)后的支座是否仍能正常使用，我們將試驗(yàn)支座再次進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，測(cè)定其抗壓剛度和荷載變形曲線。轉(zhuǎn)動(dòng)磨耗試驗(yàn)前后支座的荷載變形曲線基本上是一致的，支座的荷載變形仍呈直線變化，支座抗壓性能基本不變，抗壓剛度分別為19048kN／mm和18315kN／mm，說明黃銅緊箍圈工作性能正常。
（4）小結(jié)
通過兩個(gè)PZ4700kN支座的抗壓和轉(zhuǎn)動(dòng)磨耗試驗(yàn)的檢測(cè)，盆式橡膠支座采用黃銅作為緊箍圈，其耐轉(zhuǎn)動(dòng)磨耗的性能良好，完全能滿足盆式橡膠支座使用性能的要求。

四、南京長(zhǎng)江第二大橋65000kN大噸位盆式橡膠支座設(shè)計(jì)建議
通過以上模擬支座的抗壓和轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)，并參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)南京長(zhǎng)江第二大橋65000kN大噸位盆式橡膠支座的設(shè)計(jì)參數(shù)，提出如下建議：
（1）承壓橡膠板的平均承壓允許應(yīng)力為30MPa；
（2）聚四氟乙烯板的平均承壓允許應(yīng)力為30MPa；
（3）支座鋼盆盆環(huán)最大環(huán)向拉應(yīng)力按拉密公式計(jì)算；
（4）支座緊箍圈采用黃銅制成，其截面尺寸參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)辦理；
（5）支應(yīng)加工時(shí)必須嚴(yán)格控制盆環(huán)和鋼盆塞之間的間隙，其最大徑向間隙不得超出lmm；
（6）與支座接觸的混凝土部分的標(biāo)號(hào)應(yīng)不低于C50，并在支承部位的混凝土中配置足夠的鋼筋網(wǎng)。

五、南京長(zhǎng)江第二大橋65000kN盆式橡膠板支座的監(jiān)制
為了確保支座的加工質(zhì)量，受南京長(zhǎng)江第二大橋建設(shè)指揮部的委托，鐵道部科學(xué)研究院對(duì)65000kN盆式橡技支座的加工質(zhì)量進(jìn)行了全面的監(jiān)制，該支座由新津廠負(fù)責(zé)加工，鐵科院派監(jiān)理人員駐廠半年，對(duì)支座用原材料材質(zhì)、機(jī)加工精度和支座的總裝質(zhì)量進(jìn)行全面監(jiān)理。在監(jiān)理過程中進(jìn)行了質(zhì)量控制和進(jìn)度控制，制定了詳細(xì)的監(jiān)理實(shí)施計(jì)劃，并重點(diǎn)控制了以下加工質(zhì)量：
（1）支座加工圖紙及主要部件加工工藝審核；
（2）原材料的質(zhì)量控制及材質(zhì)性能復(fù)檢。除對(duì)常規(guī)用鋼板進(jìn)廠后進(jìn)行材質(zhì)復(fù)檢外，重點(diǎn)監(jiān)理了鑄鋼件鑄造及超聲波探傷檢驗(yàn)；聚四氟乙烯滑板原材料性能檢驗(yàn)、協(xié)作廠成型設(shè)備能力考核及成型工藝監(jiān)督；承壓橡膠板制作的原材料性能檢驗(yàn)、協(xié)作廠成型設(shè)備能力考核及加工過程中的原材料抽檢等；
（3）支座主要部件的機(jī)加工公差及精度配合控制。重點(diǎn)控制鋼盆內(nèi)徑與盆凸的公差配合，黃銅密封圈與鋼盆內(nèi)徑的公差配合等；
（4）支座組裝過程中重點(diǎn)監(jiān)理鋼盆內(nèi)壁涂5201硅脂，聚四氟乙烯滑板表面儲(chǔ)硅脂坑內(nèi)涂抹硅脂的飽滿程度等；
（5）支座外表涂裝質(zhì)量檢驗(yàn)，包括噴鋅質(zhì)量及油漆涂裝的漆膜厚度控制。
監(jiān)理人員在16個(gè)65000kN支座加工過程中，通過鑄件超聲波探傷，檢查出兩鑄件缺陷超過標(biāo)準(zhǔn)要求而報(bào)廢；監(jiān)理在對(duì)協(xié)作廠的加工設(shè)備能力考核中，發(fā)現(xiàn)有的橡膠生產(chǎn)廠的硫化機(jī)設(shè)備能力不足，無法保證φ1650 * 150mm承壓橡膠的成型壓力；此外監(jiān)理也發(fā)現(xiàn)個(gè)別聚四氟乙烯滑板材質(zhì)質(zhì)量不符合設(shè)計(jì)要求，重新加工并予更換。通過對(duì)支座加工進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)理，對(duì)確保大噸位支座的質(zhì)量起到了重要的作用。

會(huì)考文獻(xiàn)
[1]PrEN 1337-5:1996.Structral bearings-Parts5:Pot bearings