【摘要】本文介紹了南京長江第二大橋用65000kN大噸位盆式橡膠支座的抗壓、轉動模擬試驗，提出了大噸位盆式橡膠支座的有關設計參數，并介紹了大噸位盆式像膠支座的監制狀況。
【關鍵詞】大噸位
盆式橡膠支座 研究 設計 監制
自70年代以來，盆式橡膠支座已在我國公路和鐵路橋梁上廣泛應用，南京長江第二大橋北汊橋采用了主跨165m的連續梁，其支座豎向反力達65000kN，該橋由交通部第一公路勘察設計院設計。為確保大噸位支座設計的可靠性，由交通部第一公路勘察設計院（簡稱公路一院）會同鐵道部科學研究院鐵道建筑研究所（簡稱鐵科院鐵建所）和中國路橋公司新津筑路機械廠（簡稱新津廠）共同開展65000kN抗壓盆式橡膠支座的設計研究工作。
一．南京長江第二大橋65000kN盆式橡膠支座設計技術要求
南京長江第二大橋北汊主橋支座設計豎直反力為65000kN，其中恒載反力為59150kN，活載反力5850kN。
支座縱向水平力；
（l）溫度力十制動力1980kN，占設計豎向反力的3.05%；
（2）技術設計用支座摩阻力為3980kN；
（3）縱向地震水平力為7040kN，占設計豎向應力的10.83％。
支座縱向水平位移為±4O0mm。
支座設計最大轉角為40'（0.0116rad）。
二、支座研究方案確定
南京長江第二大橋北汊主橋支應反力達65000kN，系目前國內反力最大的支座，作為盆式橡膠支座，國內已有大量且成熟的使用經驗，支應最大應力已達45000kN（奉浦大橋），1995年8月歐洲標準化委員會第167技術委員會頒布了PrEN1337-5“盆式橡膠支座”標準，對盤式橡膠支座的設計、構造及性能測試作了更明確的規定。本次研究是根據國內盆式橡膠支座的使用經驗，結合歐洲PrEN1337－5“盆式橡膠支座”標準，對盤式橡膠支座進行必要的補充研究，以確保南京長江第二大橋支座的可靠性。主要試驗研究項目如下：
l.模擬支座的抗壓承載能力試驗；
2.按歐洲標準進行支座轉動試驗，測定緊箍圈及鋼盆的磨損情況和承壓橡膠板的工作狀態。
三、4700kN模擬支座的設計及其性能試驗
1.模擬支座的設計
根據歐洲標準型式試驗時支座承壓橡膠板的直徑通常有φ450mm和φ600mm兩種，鑒于我們的試驗能力，采用φ450mm的承壓橡膠板作為設計模擬支座的依據。
經對南京長江第二大橋65000kN支座初步設計，橡膠容許平均壓應力為30MPa，鋼盆盆環應力為102.29MPa，在保證模擬支座橡膠應力和盆環應力與實橋支座相同的條件下，設計出模擬支座如圖1所示，此時模擬支座的設計承載力為4700kN，模擬支座采用了兩層10mm*15mm的黃銅作為緊箍圈，盆環和盆塞之間的間隙為1±0.05mm。
2.4700kN模擬支座抗壓試驗
在將支座進行抗壓試驗之前，先按歐洲標準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，進行抗壓試驗。
抗壓試驗過程中，用百分表和千分表分別測定支座的垂直壓縮變形和徑向變形。在設計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％，遠小于
2％的限值。盆環的最大徑向變形分別為0.023mm和0.026mm，為盆環口徑的0.0051%和0.0058%，遠小于0.05%的限值。符合現行交通部標準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。
抗壓試驗后的支座，經拆開檢查，支座鋼盆、緊箍圈和承壓橡膠板完好無損。
3.4700kN盆式橡膠支座轉動磨耗試驗
在1995年歐洲標準PrEN1337－5“盆式橡膠支座”中，規定將轉動磨耗性能作為生產支座型式檢驗的一項指標。根據歐洲標準，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。我國公路、鐵路用盆式橡膠支座以往均采用鋼環，由于鋼制緊箍自其硬度和盆環內壁相當，在反復轉動過程中可能造成對盆環內壁的磨耗，影
響對承壓橡膠板的緊箍作用，此次南京長江第二大橋用支座擬參照歐洲標準采用黃銅緊箍圈。因此必須通過轉動磨耗試驗以檢驗黃銅緊箍圈、盆環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以及黃銅緊箍因密封的適應性，以確保支座的使用性能。
（1）轉動磨耗試驗的方法
轉動磨耗試驗裝置如圖2所示。試驗前應先將承壓橡膠板在70℃熱空氣箱內放置72h，冷卻后表面涂硅脂，放人鋼盆內，通過一個反力架，由5000kN千斤頂對支座施加正壓力4700kN，試驗支座上、下各一個，中間設加載梁，在加載梁的一端用一臺200kN的疲勞試驗機，對支座施加反復轉動力矩，使試驗支座產生呈正弦波變化的±0.0035rad的轉角，其轉動頻率為
0.5Hz。反復加載直到支座盆塞與盆環的相對運動距離累計達到2000m。在試驗過程中連續記錄轉動力矩、轉動角和臨近黃銅緊箍圈處的鋼盆溫度。達到要求的磨耗次數后，取出試件，檢查承壓橡膠是否從鋼盆中擠出，測量黃銅緊箍圈確定磨耗程度，并記錄試驗期間恢復力矩的上升值和鋼盆溫度的變化情況。
（2）轉動磨耗試驗過程
試驗過程中記錄了200kN疲勞頭的荷載變化情況，由此得出支座轉角和轉動力矩的相對關系如圖3，圖中Mθ為兩個試驗支座的轉動力矩。由圖3可見，θ-Mθ關系不是純線性的，而是形成一個滯回曲線，該曲線與歐洲標準的圖示是一致的，滯回曲線表明支座的轉動過程中存在轉動阻尼。
試驗過程中對支座的轉角、轉動力矩和試件溫度變化進行了記錄。溫度的變化用點溫計在鄰近承壓橡膠板部位的鋼盆上測定，同時記錄環境溫度的變化，試驗過程中，鋼盆溫度比環境溫度升溫2～3℃。試驗過程中轉動力矩與磨耗距離的關系見圖4。由圖4可見轉動力矩隨著磨耗距離的增加而增大。在累積轉動距離到300m左右逐漸趨于穩定，隨后支座的轉動力矩仍略有增加，但增加幅度很小。
（3）轉動磨耗試驗結果
經63.492萬次轉動磨耗后的支座，拆開作外觀檢查，未發現承壓橡膠板從緊箍圈縫隙中擠出的現象，承壓橡膠板完好無損；未發現上支座盆塞在黃銅緊箍圈中產生壓痕的現象，黃銅緊箍圈完好；未發現鋼盆盆環內側及盆塞凸緣上有磨損的痕跡。
對試驗后的黃銅緊箍圈的磨損量采用截面量測法和稱重法進行測定。截面量測法測定轉動方向直徑處（磨耗距離為2000m處）的黃銅緊箍圈截面，測定結果最大磨損量為3.40％。稱重法是通過黃銅緊箍圈試驗前后的重量損失來計算截面磨損百分率。按稱重法測定的支座黃銅緊箍圈截面的最大磨損百分率為5.54％，均小于歐洲標準10％的限值。
為了檢驗經過轉動磨耗試驗后的支座是否仍能正常使用，我們將試驗支座再次進行抗壓試驗，測定其抗壓剛度和荷載變形曲線。轉動磨耗試驗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
通過兩個PZ4700kN支座的抗壓和轉動磨耗試驗的檢測，盆式橡膠支座采用黃銅作為緊箍圈，其耐轉動磨耗的性能良好，完全能滿足盆式橡膠支座使用性能的要求。
四、南京長江第二大橋65000kN大噸位盆式橡膠支座設計建議
通過以上模擬支座的抗壓和轉動試驗，并參照歐洲標準對南京長江第二大橋65000kN大噸位盆式橡膠支座的設計參數，提出如下建議：
（1）承壓橡膠板的平均承壓允許應力為30MPa；
（2）聚四氟乙烯板的平均承壓允許應力為30MPa；
（3）支座鋼盆盆環最大環向拉應力按拉密公式計算；
（4）支座緊箍圈采用黃銅制成，其截面尺寸參照歐洲標準辦理；
（5）支應加工時必須嚴格控制盆環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號應不低于C50，并在支承部位的混凝土中配置足夠的鋼筋網。
五、南京長江第二大橋65000kN盆式橡膠板支座的監制
為了確保支座的加工質量，受南京長江第二大橋建設指揮部的委托，鐵道部科學研究院對65000kN盆式橡技支座的加工質量進行了全面的監制，該支座由新津廠負責加工，鐵科院派監理人員駐廠半年，對支座用原材料材質、機加工精度和支座的總裝質量進行全面監理。在監理過程中進行了質量控制和進度控制，制定了詳細的監理實施計劃，并重點控制了以下加工質量：
（1）支座加工圖紙及主要部件加工工藝審核；
（2）原材料的質量控制及材質性能復檢。除對常規用鋼板進廠后進行材質復檢外，重點監理了鑄鋼件鑄造及超聲波探傷檢驗；聚四氟乙烯滑板原材料性能檢驗、協作廠成型設備能力考核及成型工藝監督；承壓橡膠板制作的原材料性能檢驗、協作廠成型設備能力考核及加工過程中的原材料抽檢等；
（3）支座主要部件的機加工公差及精度配合控制。重點控制鋼盆內徑與盆凸的公差配合，黃銅密封圈與鋼盆內徑的公差配合等；
（4）支座組裝過程中重點監理鋼盆內壁涂5201硅脂，聚四氟乙烯滑板表面儲硅脂坑內涂抹硅脂的飽滿程度等；
（5）支座外表涂裝質量檢驗，包括噴鋅質量及油漆涂裝的漆膜厚度控制。
監理人員在16個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準要求而報廢；監理在對協作廠的加工設備能力考核中，發現有的橡膠生產廠的硫化機設備能力不足，無法保證φ1650
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150mm承壓橡膠的成型壓力；此外監理也發現個別聚四氟乙烯滑板材質質量不符合設計要求，重新加工并予更換。通過對支座加工進行質量監理，對確保大噸位支座的質量起到了重要的作用。
會考文獻
[1]PrEN 1337-5:1996.Structral
bearings-Parts5:Pot bearings
