板式橡胶支座抗压弹性模量试验的主要影响因素分析

郝康，夏辉

（中咨公路养护检测技术有限公司，北京 102200）

1 引言

桥梁支座是连接桥梁上、下部结构的重要部件，起到将桥梁上部结构的反力和变形可靠地传递给桥梁下部结构的作用，板式橡胶支座是桥梁工程中应用较为广泛的一种支座产品，它具有构造简单，成本较低，安装方便，养护简便等优点。抗压弹性模量指标作为板式橡胶支座产品最重要的力学性能指标之一，在一定程度上反映了橡胶支座的质量。

2 标准对抗压弹性模量的相关规定

根据交通运输行业规范标准JT/T 4—2019《公路桥梁板式橡胶支座》中的规定，板式橡胶支座的抗压弹性模量标准值E和形状系数S按照式（1）～（3）对其进行验算。

式中，E为支座抗压弹性模量标准值，MPa；G为支座抗剪弹性模量，MPa，常温下取1.0 MPa；S为支座形状系数，在控制配方时形状系数取值范围控制在5～12。

形状系数S的计算公式见式（2）和式（3）：

矩形支座：

圆形支座：

式中，l0a为矩形加劲钢板短边尺寸，mm；l0b为矩形加劲钢板长边尺寸，mm；t1为支座中间单层橡胶片厚度，mm；d0为圆形加劲钢板直径，mm。

橡胶支座在实际使用过程中的各个阶段平均承受的压应力σc=10 MPa，当形状系数S＜7 时，平均压应力σc=8 MPa；当其橡胶硬度值（IRHD）为60 时，剪切弹性模量随着环境温度的降低而逐渐递增。

在高中物理习题的解答中，每个题目有多个解题步骤，且按步骤得分，同学们经常出现计算结果正确而无法拿到满分的现象，影响了自己的物理成绩.所以，同学们要加强对物理解题步骤的重视度，以得满分作为解题的目标，同时对相应的物理提分技巧加以运用，整体性的提升自己物理知识综合运用的能力.

JT/T 4—2019《公路桥梁板式橡胶支座》中要求抗剪弹性模量G的取值为1.0 MPa，试验后检测结果实测抗压弹性模量E1的均值与相应的抗压弹性模量标准值E的偏差值为E±E×20%，同时单项结果与算术平均值间的偏差≤算术平均值的3%，则认定为满足标准要求。

3 抗压弹性模量试验

3.1 试验方法

抗压弹性模量试验前应当将橡胶支座样品在标准环境温度23 ℃±5 ℃下暴露停放24 h 以上，使其内、外温度与环境温度保持一致，停放区域的橡胶支座样品应在木质板材上放置，并与地面保持一定距离，试验过程中应监控环境温度的变化并记录。

3.2 基本试验步骤

抗压弹性模量基本试验主要包括以下3 个步骤：

1）启动压剪试验机进行开机预热，将样品养护完成的支座样品放置在承压板中心位置进行对中，利用送样小车将样品送至试验机固定位置。

2）根据提供的内部结构尺寸及形状系数自动计算平均压应力。点击开始，当均匀加载至初始压应力1.0 MPa 稳压后，在承压板边缘布置4 块光栅位移传感器进行竖向压缩变形量采集（加载速率在整个试验过程中始终保持0.03～0.04 MPa/s），速率均匀不断地加载至平均压应力σ=l0.0 MPa，保压2 min，随后以均匀不断的速度卸载至1.0 MPa，保压5 min，预压3 次。

3）正式加载试验每加载循环从1.0 MPa 开始，均匀不断加载至4 MPa，持荷2 min，光栅位移传感器采集支座变形值，随后以相同速率每2 MPa 为一级逐级加载，持荷2 min 采集支座变形值，直到加压至平均压应力为止，绘制的应力-应变图，图形显示变形量应呈线性关系。随后以均匀不断的速度卸载至初始压应力1.0 MPa；保压l0 min 后进行下一加载循环。反复3 次平行试验。

试验加载过程时间与应变曲线如图1 所示。

图1 试验加载过程时间与应变曲线图

4 影响抗压弹性模量试验结果的主要因素

4.1 橡胶质量

制作板式橡胶支座主要使用的是硫化工艺，具体会采用的材料包括：（1）2 层以上同规格且同工艺的薄橡胶片；（2）相同规格尺寸的薄钢板。在这当中，直接影响橡胶支座的力学性能指标重要因素主要为橡胶胶种（如氯丁橡胶、天然橡胶等）。

现阶段，我国橡胶支座供应市场依然普遍存在部分厂家在其中掺加再生胶的现象。再生胶的原料大部分都是已废旧的橡胶制品或已硫化的边角废料，这些原料尽管在经脱硫加工后能够成为可重新使用的橡胶，但因市场所流通的产品往往都是掺加了过量再生胶，所以橡胶硬度（IRHD）会随之增大，并不符合产品要求。

一些文献的研究成果表明：板式橡胶支座的弹性模量随着再生胶所占比例的增大具有不断增大的趋势，并且随着老化时间的增长，再生胶所占比例越大，支座弹性模量增大的速率越快，表明板式橡胶支座的胶料如果含有的再生胶越多，其对支座的抗压力学性能影响越大。

4.2 橡胶支座胶层总厚度

在对影响抗压弹性模量试验结因素分析上，板式橡胶支座胶层总厚度是较关键的因素，这具体体现为：

1）由于生产设备落后或工艺控制不精等原因，导致某些厂家生产出来的支座产品四侧面胶层总厚度不均匀的现象较为常见。

2）从支座样品实际解剖试验结果来看，经常发现加劲钢板偏移，导致胶层总厚度不均匀的现象，此种情况将导致试验过程中4 个位移传感器产生的压缩变形量严重不均衡，各方向变形量极差很大，造成压缩应变值数据误差较大，抗压弹性模量和抗剪弹性模量与标准厚度的实测弹性模量结果存在较大偏差。

4.3 不锈钢加劲钢板规格尺寸

橡胶支座使用的不锈钢加劲钢板规格尺寸实际尺寸越小，导致实测抗压弹性模量越小。比如圆形橡胶支座外形尺寸为φ300 mm，根据标准要求四侧面保护层厚度≥5 mm，也就是说，不锈钢加劲钢板直径应≥290 mm，通过日常解剖试验查验，四侧面的保护层基本都＞5 mm，由此说明样品使用的实际加劲钢板直径小于规定的规格尺寸。从抗压弹性模量的公式来看，加劲钢板尺寸减小，应力减小，应变增大，计算的实测弹性模量变小。而厂家提供的支座形状系数是按加劲钢板正常规格尺寸计算而得，抗压弹性模量标准值E相对实际规格尺寸的值偏大，导致指标范围增大，两相考虑，导致实测抗压弹性模量结果判定出现较大的误差[2]。

4.4 硫化温度、中间胶层厚度的控制

硫化工艺中硫化温度是支座生产的基本条件，硫化温度过高时，橡胶的氧化反应会加剧，导致橡胶制品耐老化性能降低，造成硫化后的橡胶弹性降低且增大了橡胶的塑性变形，使实测抗压弹性模量值增大。

橡胶支座制作加工时中间橡胶层的厚度对抗压弹性模量也有较大的影响。受硫化工艺中压力、硫化温度、硫化时间的作用，成品支座会出现中间胶层厚度不均，中胶层薄、形状系数大的支座抗压弹性模量与标准支座抗压弹性模量（E）值相比偏大，根据JT/T 4—2019《公路桥梁板式橡胶支座》，支座形状系数S与中间橡胶胶层厚度成反比关系，即中间胶层越薄其形状系数S也就越大；而橡胶支座抗压弹性模量E的大小与形状系数S大小成平方关系，即形状系数S越大，所得的抗压弹性模量E值也就越大。

举例：以φ200 mm×42 mm 支座为例。

标准钢板直径190 mm、钢板层数6 层、钢板厚度2 mm、中间胶层厚度5 mm、橡胶层总厚度30 mm，依据已知条件计算所得形状系数S为9.50，抗压弹性模量E为487 MPa。

假设成品支座制作后中间橡胶层厚度实际为4.5 mm，根据以上条件所得形状系数S为10.5，抗压弹性模量E为601 MPa。

JT/T 4—2019《公路桥梁板式橡胶支座》要求实测抗压弹性模量E1=E（487）±E×20%（390～584），中间橡胶层薄的支座抗压弹性模量就很难满足标准要求。

4.5 试验过程中的温度控制

因为橡胶对温度的变化有很好的敏感性，所以试验过程中温度的变化会影响实测抗压弹性模量值，从而对试验结果产生直接影响。例如，标准试验温度为23 ℃±5 ℃，试验过程温度长期保持在18 ℃左右，橡胶硬度就会偏硬；在偏高温度环境下，例如，试验中温度长期保持在28 ℃左右，橡胶硬度就会偏软；试验时试验人员如果将室温控制在低于标准温度中最低温度，抗压模量就会偏大。因此，检测人员要严格把控试验过程中对环境温度的控制，在对每一块样品进行试验后，在相应原始记录中应明确注明试验期间的详细温度参数，这样可以为以后产品出现问题时提供有效的证明，并对后续出现的质量问题提供有效的数据参考。

4.6 预压时间及加载速度对抗压弹性模量的影响

标准明确要求每级的加载速度和保压时间，如果试验人员对预压不重视同样会对检测结果产生较大影响。预压速率过快，橡胶分子间不会产生反应，达不到橡胶晶子的预热功效；而预压速率过小，会对支座本身产生一定的塑形变形，影响后续正式加载，所以检测人员要严格依据标准速率0.03～0.04 MPa/s 进行试验。

5 结语

板式橡胶支座是桥梁的重要组成部分，是桥梁上、下部结构的连接点，承受着桥面的重力及桥面产生的位移变形，所以板式橡胶支座的生产制作工艺流程极其重要，因此，必须从严控制生产制作工艺及再生胶的使用量。从检测力学试验分析中我们发现，对于加劲钢板如平面尺寸偏小，实测抗压弹性模量就会偏小；对相同规格尺寸的板式橡胶支座，橡胶硬度越高，实测抗压弹性模量就会越大。