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闸北隔震橡胶支座制作工艺体系及发展现状

双林橡胶  2020/7/22 11:16:31  1378
内容摘要:强烈的地震会给人类造成巨大的损害,地震中建筑物的大量破坏与倒塌是形成地震灾害的直接原因。因此,建筑物隔震技术越来越受到人们的重视。近年来,闸北建筑隔震橡胶支座已成为工业橡胶制品中发展较快的产品之一,其在发...

强烈的地震会给人类造成巨大的损害,地震中建筑物的大量破坏与倒塌是形成地震灾害的直接原因。因此,建筑物隔震技术越来越受到人们的重视。近年来,闸北建筑隔震橡胶支座已成为工业橡胶制品中发展较快的产品之一,其在发达国家的安全要害部门、电子计算机房、信息通讯中心和高档写字楼已得到普遍应用。

1、隔震原理

隔震技术是采用一种特殊的措施来隔离地震对上部结构的影响,使建筑物在地震时只产生很小的振动,不至于造成结构和设施的破坏,并能保证结构物上的重要设备和仪表正常运行。隔震、耗能减震与其它结构控制技术能为结构控制提供有效、经济、简单、可靠的抗震新方法。

2、建筑闸北隔震橡胶支座的分类及力学性能

2.1分类

(1)夹层橡胶垫支座。这种支座由薄橡胶板与薄钢板分层交替叠合在高温、高压下整体硫化而成,橡胶层与钢板紧密结合确保了钢板对橡胶层的变形约束,使其具有较高的纵向受压承载能力、水平变形能力和耐疲劳能力。在地震作用下,夹层橡胶垫支座可以隔离水平方向的运动分量,但在垂直方向保持不动。这种支座柔度大、阻尼小,实际应用时应与单独的耗能装置组合在一起使用。

(2)闸北铅芯橡胶支座。这种闸北橡胶支座由橡胶片和薄片增强钢板粘合硫化加工而成,在夹层橡胶垫支座中心钻孔并插入一个铅芯,铅芯水平方向刚度较低、垂直方向刚度很高,使支座具有滞后阻尼特性,支座的临界阻尼比可从3%增大到10%到15%。这样,即使不适用其他阻尼器也可满足隔震设计的阻尼要求。在地震载荷作用下,铅芯橡胶支座可以隔离水平方向的运动分量,但自身在垂直方向保持不动。

2.1隔震橡胶支座的典型构造主要包括以下3个部分。

夹层钢板橡胶:由1层钢板和1层橡胶经过特殊工艺叠合而成,具有较高的纵向承载能力和较小的水平刚度,用来承担纵向载荷和隔离水平地震作用。

铅芯:具有较高的阻尼,能消耗地震能量,避免隔震结构与长周期的地震发生共振。

橡胶防护层:用来防止内部钢板被腐蚀,保证橡胶支座的耐久性能。

(3)闸北高阻尼支座。这种支座采用高阻尼橡胶制成,具有良好的耗能能力。

(4)其他。在桥梁工程上广泛采用的橡胶支座除了上述3种外,还有四氟板橡胶支座和盆式橡胶支座。高衰减层压橡胶类型的盆式橡胶支座中橡胶本身起挡板作用。

隔震橡胶支座

2.2力学性能

隔震橡胶支座的力学性能特点如下。

(1)受压性能。隔震橡胶支座被施加纵向载荷时,纵向收缩,横向扩张,由于钢板与橡胶垫弹性模量和横向变形系数的差异,钢板会对橡胶垫弹性模量和横向变形系数的差异,钢板会对橡胶垫的横向变
形产生约束,使橡胶垫内部处于三向受压状态,因此,隔震橡胶支座的纵向承载能力比橡胶自身大得多,与同样截面的钢筋混凝土柱子相当。

(2)受拉性能。隔震橡胶支座受拉时的弹性刚度只有受压时的1/10左右。多层橡胶经过较大的受拉变形后再压缩时,受压刚度降低为初期刚度的1/2左右。

(3)耐久性能。隔震橡胶支座的耐久性能取决于橡胶。影响橡胶耐久性能的主要原因是氧化反应和蠕变。由于橡胶片和钢板叠合,与氧化物接触的表面积有限,因此,即使橡胶表面产生氧化,其内部仍基本完好。实验结果表明,经过60年左右,橡胶的刚度增大10%到22%,破坏位移降低10%左右;据此推断,经过100年后橡胶片的蠕变量不到其总厚度的10%。此外,还可以采用耐久性能好的橡胶防护层,以NR表面覆CR和聚四氟乙烯的橡胶复合支撑的耐久性能可长达100年,这成功地解决了多年来一直令人担心的隔震橡胶支座使用寿命问题。因此,隔震橡胶支座作为结构构件,其耐久性能与建筑物寿命相当。

3、隔震技术的适用范围

隔震技术并不是对所有建筑都适用,其具有一定的局限性。首先,当建筑物的结构周期大于1.5s时,隔震效果很差;其次,隔震技术对硬土场地比较适合,因为软土场地滤掉了地震波的中高频分量,延长了结构周期,使地震反应增大;此外,隔震橡胶支座只具有隔离水平地震的功能,对纵向地震没有隔离效果;最后,没有空间安装隔震橡胶支座并提供足够宽的隔震沟时难以采用隔震技术。

4、研究现状与发展趋势

4.1研究现状

4.1.1配合体系

(1)生胶

一般在常温地区,生胶可采用邵尔A型硬度为55-60度的CR,其具有良好的耐天候性能;在低温严寒地区,可采用硬度稍低的NR或耐热性能良好的EPDM。IIR或CIIR可用作缓冲或隔离冲击的高阻尼橡胶材料。当前用作桥梁隔震橡胶支座的橡胶材料主要为CR和NR,也有采用EPMD,IIR和CIIR的。采用NR,CR或EPMD制造的隔震橡胶支座各具优缺点,因此这三种橡胶并用是研究和发展方向。就单一胶种而言,从经济性和物理性能方面考虑,NR仍为主要选择。近年来胶料共混改性方面有较大的进展,例如NR/CR并用胶选用可以硫化NR的促进剂,其衰减特性由CR组分体现出来;用二甲基亚改性剂对NR进行异构化改性后,NR的滞后损失接近未改性时的2倍;纤维与NR共混、采用接枝或嵌段改性NR可以提高阻尼性能;EPDM与炭黑以及部分有机改性蒙脱土进行共混,共混物具有很好的隔震性能和相对较小的动态移动;SBR/BR/NR并用,在保持相对于NR较好的隔震性能的基础上,可以改善其他综合性能。

(2)硫化体系

硫化体系主要有两类,一类是硫磺硫化体系,七教联键为多硫键,硫化胶具有强度高、弹性好的特点;另一类是硫给予体硫化体系,其交联键多为碳-碳键,硫化胶具有形变性和动态性能好而弹性差的特点。由于隔震橡胶支座属于厚制品,尺寸大、胶层多,因此硫化体系对生产工艺性能、胶料性能和产品整体性能影响极大,若选择不当会导致胶料内外硫化程度不一致。隔震橡胶支座可以采用较低温度和较长硫化时间,以使产品内外均达到良好的硫化效果。目前国内虽然也开始采用两种硫化体系并用的方式,但采用何种并用方式和比例能使胶料具有良好的静态和动态性能还有待于进一步研究。

(3)补强填充体系

胶层硬度是隔震橡胶支座刚性要求的重要参数之一。炭黑是对胶料硬度影响较大的补强剂,槽法炭黑硫化胶拉伸强度高、拉断伸长率和压缩永久变形大、弹性差;半补强炭黑硫化胶压缩永久变形小、弹性好、拉伸强度低;高耐磨炭黑硫化胶拉伸强度高、耐磨性能好。为克服目前选择单一品种炭黑导致的胶料性能缺陷,可采用2种甚至2种以上炭黑并用,以满足隔震橡胶支座强度高、拉断伸长率大和压缩永久变形小的要求。降低硫化胶的动态疲劳生热可以提高隔震橡胶支座的使用寿命,已经成为减震、隔震用橡胶的新研究方向。采用乙烯单体对炭黑表面进行接枝改性,可以提高胶料的物理性能,特别是老化后的物理性能,同时可以显著降低胶料动态疲劳生热。补强填充体系采用高结构炭黑和蒙脱土并用具有良好效果,蒙脱土不仅可以显著提高胶料的定伸应力、拉伸强度和撕裂强度,而且还可以减小高结构炭黑的用量,改进交联网络结构,从而使材料的疲劳生热显著降低,疲劳破坏过程延缓;此外,由于蒙脱土的屏蔽作用,还能提高胶料抗氧、臭氧和光老化的能力。

(4)防护体系

采用CR和NR等橡胶制造隔震橡胶支座时,采用防老化剂D与4010或4010NA并用,则制品的抗热、氧、屈挠龟裂以及抗臭氧老化性能均显著增强;采用酮芳胺缩合物和防老剂DBH并用体系也具有良好的防护效果。此外,硫代二苯胺对提高CR的热稳定性也很有效。因此,防护体系以并用为佳。考虑到隔震橡胶多处于压缩状态,易发生疲劳和产生永久变形,而氧化反应会促进疲劳龟裂,橡胶疲劳变形时其表面可能产生静电导致臭氧氧化作用发生,因此应在隔震橡胶制品中添加抗氧剂和抗臭氧剂。

(5)软化剂

软化剂在隔震橡胶制品中除提高加工性能和改善耐低温性能外,还用于调节动态弹性模量。软化剂用量不宜过大,因为随着软化剂用量的增大,硫化胶的弹性模量降低、蠕变量增大。

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