模数式伸缩装置压缩控制弹簧性能控制指标的试验研究

胥 明，黄跃平，何顶顶，周明华

（东南大学土木工程学院，江苏 南京 210096）

模数式伸缩装置压缩控制弹簧性能控制指标的试验研究

胥 明，黄跃平，何顶顶，周明华

（东南大学土木工程学院，江苏 南京 210096）

压缩控制弹簧是模数式伸缩装置中位移控制系统的重要弹性元件，其主要作用是当伸缩装置两端发生位移时，通过压缩控制弹簧中聚氨酯的压缩弹性变形，调整中梁的间距，使伸缩缝的间隙均匀。文章探讨了压缩控制弹簧性能控制指标和检测方法，进行了试验样品的试验研究，对压缩控制弹簧的冲击弹性、压缩刚度、全位移压缩变形等性能控制指标提出了一些建议。

模数式伸缩装置；压缩控制弹簧；冲击弹性；压缩刚度；全位移压缩变形

1 压缩控制弹簧的基本概念与作用

现代桥梁伸缩装置一般由承重系统、位移控制系统、锚固系统、密封系统组成。压缩和剪切控制弹簧是位移控制系统的重要弹性元件，其质量优劣直接影响桥梁伸缩装置的运营质量，异型钢间隙的均匀性，关系到车辆行驶在桥梁伸缩装置上是否平稳舒适。其中压缩控制弹簧主要用于梁格式模数式伸缩装置中［1-3］。

压缩控制弹簧采用聚氨酯材料加工。聚氨酯为大分子链中含有氨酯型重复结构单元的一类聚合物，全称为聚氨基甲酸酯（Polyurethane，简称PU或PUR）。最早于1937年由德国公司合成，并很快进入工业化应用。聚氨酯弹性体的杨氏模量介于橡胶与塑料之间，具有耐磨耗、耐油、耐撕裂、耐化学腐蚀、耐射线辐射，与其他材质粘结性好，高弹性和吸振能力强等优异性能，因此德国毛勒公司最先开发应用压缩控制弹簧来控制桥梁伸缩装置中梁移动的均匀性，见图1。

图1　 带有压缩控制弹簧的模数式伸缩缝构造

当伸缩缝缝宽变化时，压缩控制弹簧通过聚氨酯的压缩变形，使模数伸缩装置的中梁受到水平方向的作用力，以克服摩擦阻力的影响，实现中梁移动，保证各中梁之间缝隙的均匀。

压缩控制弹簧一般多用于梁格式伸缩装置，布置在横梁之间、支承位移箱和横梁之间。异型钢间隙的调整依靠反装和预装的压缩控制弹簧的弹力。气温升高时，压缩控制弹簧伸长，弹力降低，见图2；气温降低时，压缩控制弹簧缩短，弹力增加，见图3。

图2　 伸缩缝间隙最小时压缩弹簧的状态

图3　 伸缩缝间隙最大时压缩弹簧的状态

压缩控制弹簧可用于排梁式伸缩装置，布置在异型钢腹板之间，也可布置于异型钢与横梁的连接支架侧面。其异型钢间隙的调整依靠正装和预装的压缩控制弹簧的弹力，见图4。气温升高时，压缩控制弹簧缩短，弹力增加；气温降低时，压缩控制弹簧伸长，弹力降低。

图4　 压缩控制弹簧与中梁连接方式

2 压缩控制弹簧的材料性能指标要求

2.1 国内外标准对材料性能的要求

对压缩控制弹簧聚氨脂材料的冲击弹性、密度、拉伸强度、拉伸伸长率、残余压缩变形各项性能应有严格的技术要求，毛勒公司和交通部标准JT/T 327—2004对聚氨脂性能要求见表1［4-5］。

从表1中可知，毛勒公司和交通部标准JT/T 327 —2004对聚氨酯材料性能要求差别较大。衡量压缩控制弹簧的弹性或弹力的关键指标——冲击弹性、抗老化试验和残余压缩变形在JT/T 327—2004中没有列出。

表1　 聚氨脂材料性能

2.2 冲击弹性的基本概念与检测方法

当伸缩装置上车辆刹车时产生的刹车力，对压缩弹簧产生较大的冲击力。在冲击力的作用下弹簧会快速变形，伸缩装置中梁间的宽度会改变；当冲击力消失后，压缩弹簧能迅速回弹使伸缩装置中梁间的宽度恢复到刹车前的位置。因此冲击弹性检验是保证压缩弹簧所使用的材料具有足够的回弹性能，使伸缩装置中梁在刹车力冲击作用后能迅速复位。

冲击弹性试验用于评定弹性体聚氨酯在受到冲击时的弹性性能。试验装置见图5。回弹性（R）是指输出能与输入能的比值［6］。根据定义，从摆锤回弹高度hR和摆锤的落下高度h0的比值中求出回弹性R，见公式（1）。

图5　 冲击弹性试验装置

试样采用厚度d为（12.5±0.5）mm、直径为29～ 33 mm 的试片。试样数量至少2个。将试样置于砧座上的夹具并结束温度调节之后，使摆锤从水平位置落到试样的同一位置上，共落下6 次。每次冲击前夹持住试样。前3次冲击用于对试样进行机械调整；读取第4、第5 和第6 次的回弹性数值，取后3次读数的中值作为试验结果。

2.3 抗老化试验和残余压缩变形

聚氨酯是高分子材料和塑料一样会老化。通过发泡工艺制作，内部有气孔，均质性较低，反复压缩会产生残余压缩变形。老化与残余变形将会影响压缩弹簧的使用寿命，因此应将抗老化试验和残余压缩变形列入行业标准，确保压缩弹簧的耐久性。

3 压缩控制弹簧性能控制与试验检测要求

3.1 压缩刚度测试

3.1.1 测试装置

在成品检验中，压缩刚度检验方法是毛勒公司根据压缩控制弹簧的实际工作状态，采用了一种简便的检验方法，即对压缩控制弹簧做压力检验，检验要求见表2［5］。后经赵衡平的研究，在JTQX-2011-12-2模数式伸缩装置通用技术条件中重新进行了规定，见表3。本文按毛勒公司和JTQX-2011-12-2提出的压缩刚度检测方法进行了试验研究［7］。试样采用圆形截面和椭圆截面聚氨酯压缩弹簧进行试验，每种各取3个试样进行试验。试验装置见图6和图7。

表2　 毛勒公司压缩刚度检验方法

表3　 JTQX-2011-12-2压缩刚度检验方法

3.1.2 测试要求

压缩刚度试验采用压缩位移进行控制，加载变形量按压缩应变60%进行，相当于压缩变形为80 mm左右。加载卸载反复3次，即：压缩应变按0～60%～0反复3次。加载过程的变形-时间曲线见图8。

试验过程中应记录荷载-变形曲线。由于压缩弹簧是在反复的位移作用下工作，因此试验的刚度应在多次循环后进行取值计算。因为第一循环加载的曲线高于其余两次循环的曲线，说明第一循环的刚度略高，第二循环与第三循环的曲线基本重合，说明随着加载循环的增加，刚度基本趋于一致。取第三循环的数据作为刚度的数据，比较稳定，接近实际使用的工作状况。

图6　 圆形截面聚氨酯压缩弹簧压缩

图7　 椭圆截面聚氨酯压缩弹簧压缩

图8　 加载变形与时间曲线

椭圆截面聚氨酯压缩弹簧压缩曲线见图9，圆形截面聚氨酯压缩弹簧压缩曲线见图10。通过实测曲线不难看出，第一循环的刚度高于其余循环的刚度，第二和第三循环曲线基本重合，说明刚度随循环次数增多有渐趋一致的特点。压缩应变达到60%时，最大荷载达到8 kN左右；压缩应变回到0时，都会出现未恢复的变形，椭圆截面的大致在3～5 mm，圆形截面的大致在6～8 mm。

图9　 椭圆截面聚氨酯压缩弹簧压缩曲线

图10　 圆形截面聚氨酯压缩弹簧压缩曲线

测试试样在2、4、6 kN对应的变形量见表4，从表中可见圆形截面的试样2 kN对应的变形量大致在42～46 mm，4 kN对应的变形量大致在65～68 mm，6 kN对应的变形量大致在74～77 mm，基本符合毛勒允许范围，2 kN对应的变形量超出JTQX-2011允许范围；椭圆截面的试样2 kN对应的变形量大致在39～42 mm，4 kN对应的变形量大致在68～69 mm，6 kN对应的变形量大致在77～79 mm，完全符合毛勒允许范围，2 kN对应的变形量超出JTQX—2011允许范围。由于选取的数据是在第三次循环，因此要比第一次循环要低一些。如果选取第一次的循环数据，则全部符合标准要求。

表4　 压缩弹簧试验数据统计

以上的测试方法具有简单实用的特点，但是应考虑压缩弹簧使用位移时的荷载变化，使用时的最小荷载应超过中梁的摩擦阻力，使中梁顺利移动达到伸缩缝间隙均匀。如果试样预压50 mm，在位移±20 mm的范围变化时，圆形截面的试样上升段最小荷载1.4 kN,最大荷载4.7 kN，下降段最小荷载0.85 kN，最大荷载3.4 kN；椭圆截面的试样上升段最小荷载1.5 kN，最大荷载4.6 kN，下降段最小荷载0.86 kN,最大荷载3.3 kN。如果最小荷载0.85 kN能满足调整伸缩缝宽度，说明能满足设计要求。当然还应考虑压缩弹簧的蠕变松弛效应，荷载可能还会降低，至于下降多少需要进一步的试验验证。因此在刚度试验中除了前面的检验，还应进行使用阶段实际位移下的刚度变化，确保压缩弹簧能提供足够的恢复力，调整伸缩缝宽度。

3.2 全位移压缩变形性能测试

3.2.1 全位移压缩变形的概念

全位移是指压缩控制弹簧在模数式伸缩装置使用过程中达到的最大位移。主要考察压缩控制弹簧在伸缩装置全位移过程中压缩弹簧的受力状况。

3.2.2 全位移压缩变形的测试方法

测试方法采用将压缩控制弹簧预压至控制高度90 mm，按极限位移±40 m m进行试验。从试样中选取一个椭圆截面的试样进行了试验，试验的荷载位移曲线见图11。从图中可知，压缩变形达到90 mm时，即试样高度压缩到50 m m时，达到最大荷载13.65 kN；压缩变形达到10 mm时，即试样高度压缩到130 mm时，最小荷载0.38 kN。根据测试曲线应规定最大荷载和最小荷载的范围，最小荷载应能保证克服摩擦阻力移动中梁，最大荷载应不会使与中梁连接的装置超过许用应力。与中梁连接的装置设计时应考虑最大荷载的作用。

图11　 压缩弹簧全位移压缩变形测试曲线

4 结论

（1）建议冲击弹性应该列入交通部行业标准，聚氨酯材料的冲击弹性是保证伸缩装置中梁迅速复位的关键。另外抗老化试验和残余压缩变形也应列入行业标准，以确保压缩弹簧的耐久性。

（2）检验压缩刚度测试应循环加载，记录荷载变形曲线。压缩刚度的控制参数应取反复循环的第3次数据，在测试刚度的同时也应根据荷载位移曲线，检验压缩弹簧实际移动范围的荷载变化，确保压缩弹簧能提供足够的恢复力，调整伸缩缝宽度。

（3）建议增设全位移压缩变形检测，用于检验压缩控制弹簧压缩力的变化，弹簧压缩力达到最小值时，能否使中梁克服摩擦阻力，使中梁的间隙均匀；弹簧压缩力达到最大值时，与中梁连接的装置受力是否满足要求。

［1］中国交通企业管理协会. JTQX-2011-12-1公路桥梁伸缩装置设计指南［R］.2011.

［2］赵衡平.现代桥梁伸缩装置［M］.北京：人民交通出版社2008.

［3］ 庄军生，彭泽友，夏玉龙，等.公路桥梁伸缩装置［M］.北京：人民交通出版社，2015.

［4］ European Organization for Technical Approvals ETAG n°032-2013 Guideline for European Technical Approval of Expansion Joints for Road Bridges［S］. Brussels Belgium，2013.

［5］JT/T 327—2004公路桥梁伸缩装置［S］.

［6］DIN 53512橡胶和弹性体的检验回弹性的测定［S］.

［7］中国交通企业管理协会. JTQX-2011-12-2模数式伸缩装置通用技术条件［R］. 2011.

Experimental Study on Performance Control of Compression Control Elements for Modular Expansion J oints

Xu Ming ，Huang Yueping，He Dingding，Zhou Minghua
（School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China）

Compression control elements was main components of the displacement control system in modular expansion joints, its main function was the even adjustment of beam gap of the expansion joint through the compression control elements polyurethane elastic compression deformation, when both ends of the expansion joints shifted. This paper discussed the compression control elements performance control and test method, and carried out samples tests. Some suggestions about the compression spring elements impact elasticity, compression stiffness, and total displacement and compression deformation control items were put forward .

modular expansion joints; compression control elements; impact elasticity; compression stiffness; total displacement compression deformation

U446.3

A

1672-9889（2016）04-0039-04

江苏省交通运输科技资助项目（项目编号：2013T09）

胥明（1969-），男，四川蓬溪人，高级工程师，主要从亊实验教学和力学实验研究工作。

2016-07-15）