胥 明，黃躍平，何頂頂，周明華

（東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

模數(shù)式伸縮裝置壓縮控制彈簧性能控制指標(biāo)的試驗(yàn)研究

胥 明，黃躍平，何頂頂，周明華

（東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

壓縮控制彈簧是模數(shù)式伸縮裝置中位移控制系統(tǒng)的重要彈性元件，其主要作用是當(dāng)伸縮裝置兩端發(fā)生位移時(shí)，通過(guò)壓縮控制彈簧中聚氨酯的壓縮彈性變形，調(diào)整中梁的間距，使伸縮縫的間隙均勻。文章探討了壓縮控制彈簧性能控制指標(biāo)和檢測(cè)方法，進(jìn)行了試驗(yàn)樣品的試驗(yàn)研究，對(duì)壓縮控制彈簧的沖擊彈性、壓縮剛度、全位移壓縮變形等性能控制指標(biāo)提出了一些建議。

模數(shù)式伸縮裝置；壓縮控制彈簧；沖擊彈性；壓縮剛度；全位移壓縮變形

1 壓縮控制彈簧的基本概念與作用

現(xiàn)代橋梁伸縮裝置一般由承重系統(tǒng)、位移控制系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、密封系統(tǒng)組成。壓縮和剪切控制彈簧是位移控制系統(tǒng)的重要彈性元件，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響橋梁伸縮裝置的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量，異型鋼間隙的均勻性，關(guān)系到車(chē)輛行駛在橋梁伸縮裝置上是否平穩(wěn)舒適。其中壓縮控制彈簧主要用于梁格式模數(shù)式伸縮裝置中［1-3］。

壓縮控制彈簧采用聚氨酯材料加工。聚氨酯為大分子鏈中含有氨酯型重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的一類聚合物，全稱為聚氨基甲酸酯（Polyurethane，簡(jiǎn)稱PU或PUR）。最早于1937年由德國(guó)公司合成，并很快進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用。聚氨酯彈性體的楊氏模量介于橡膠與塑料之間，具有耐磨耗、耐油、耐撕裂、耐化學(xué)腐蝕、耐射線輻射，與其他材質(zhì)粘結(jié)性好，高彈性和吸振能力強(qiáng)等優(yōu)異性能，因此德國(guó)毛勒公司最先開(kāi)發(fā)應(yīng)用壓縮控制彈簧來(lái)控制橋梁伸縮裝置中梁移動(dòng)的均勻性，見(jiàn)圖1。

圖1　 帶有壓縮控制彈簧的模數(shù)式伸縮縫構(gòu)造

當(dāng)伸縮縫縫寬變化時(shí)，壓縮控制彈簧通過(guò)聚氨酯的壓縮變形，使模數(shù)伸縮裝置的中梁受到水平方向的作用力，以克服摩擦阻力的影響，實(shí)現(xiàn)中梁移動(dòng)，保證各中梁之間縫隙的均勻。

壓縮控制彈簧一般多用于梁格式伸縮裝置，布置在橫梁之間、支承位移箱和橫梁之間。異型鋼間隙的調(diào)整依靠反裝和預(yù)裝的壓縮控制彈簧的彈力。氣溫升高時(shí)，壓縮控制彈簧伸長(zhǎng)，彈力降低，見(jiàn)圖2；氣溫降低時(shí)，壓縮控制彈簧縮短，彈力增加，見(jiàn)圖3。

圖2　 伸縮縫間隙最小時(shí)壓縮彈簧的狀態(tài)

圖3　 伸縮縫間隙最大時(shí)壓縮彈簧的狀態(tài)

壓縮控制彈簧可用于排梁式伸縮裝置，布置在異型鋼腹板之間，也可布置于異型鋼與橫梁的連接支架側(cè)面。其異型鋼間隙的調(diào)整依靠正裝和預(yù)裝的壓縮控制彈簧的彈力，見(jiàn)圖4。氣溫升高時(shí)，壓縮控制彈簧縮短，彈力增加；氣溫降低時(shí)，壓縮控制彈簧伸長(zhǎng)，彈力降低。

圖4　 壓縮控制彈簧與中梁連接方式

2 壓縮控制彈簧的材料性能指標(biāo)要求

2.1 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料性能的要求

對(duì)壓縮控制彈簧聚氨脂材料的沖擊彈性、密度、拉伸強(qiáng)度、拉伸伸長(zhǎng)率、殘余壓縮變形各項(xiàng)性能應(yīng)有嚴(yán)格的技術(shù)要求，毛勒公司和交通部標(biāo)準(zhǔn)JT/T 327—2004對(duì)聚氨脂性能要求見(jiàn)表1［4-5］。

從表1中可知，毛勒公司和交通部標(biāo)準(zhǔn)JT/T 327 —2004對(duì)聚氨酯材料性能要求差別較大。衡量壓縮控制彈簧的彈性或彈力的關(guān)鍵指標(biāo)——沖擊彈性、抗老化試驗(yàn)和殘余壓縮變形在JT/T 327—2004中沒(méi)有列出。

表1　 聚氨脂材料性能

2.2 沖擊彈性的基本概念與檢測(cè)方法

當(dāng)伸縮裝置上車(chē)輛剎車(chē)時(shí)產(chǎn)生的剎車(chē)力，對(duì)壓縮彈簧產(chǎn)生較大的沖擊力。在沖擊力的作用下彈簧會(huì)快速變形，伸縮裝置中梁間的寬度會(huì)改變；當(dāng)沖擊力消失后，壓縮彈簧能迅速回彈使伸縮裝置中梁間的寬度恢復(fù)到剎車(chē)前的位置。因此沖擊彈性檢驗(yàn)是保證壓縮彈簧所使用的材料具有足夠的回彈性能，使伸縮裝置中梁在剎車(chē)力沖擊作用后能迅速?gòu)?fù)位。

沖擊彈性試驗(yàn)用于評(píng)定彈性體聚氨酯在受到?jīng)_擊時(shí)的彈性性能。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖5?；貜椥裕≧）是指輸出能與輸入能的比值［6］。根據(jù)定義，從擺錘回彈高度hR和擺錘的落下高度h0的比值中求出回彈性R，見(jiàn)公式（1）。

圖5　 沖擊彈性試驗(yàn)裝置

試樣采用厚度d為（12.5±0.5）mm、直徑為29～ 33 mm 的試片。試樣數(shù)量至少2個(gè)。將試樣置于砧座上的夾具并結(jié)束溫度調(diào)節(jié)之后，使擺錘從水平位置落到試樣的同一位置上，共落下6 次。每次沖擊前夾持住試樣。前3次沖擊用于對(duì)試樣進(jìn)行機(jī)械調(diào)整；讀取第4、第5 和第6 次的回彈性數(shù)值，取后3次讀數(shù)的中值作為試驗(yàn)結(jié)果。

2.3 抗老化試驗(yàn)和殘余壓縮變形

聚氨酯是高分子材料和塑料一樣會(huì)老化。通過(guò)發(fā)泡工藝制作，內(nèi)部有氣孔，均質(zhì)性較低，反復(fù)壓縮會(huì)產(chǎn)生殘余壓縮變形。老化與殘余變形將會(huì)影響壓縮彈簧的使用壽命，因此應(yīng)將抗老化試驗(yàn)和殘余壓縮變形列入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確保壓縮彈簧的耐久性。

3 壓縮控制彈簧性能控制與試驗(yàn)檢測(cè)要求

3.1 壓縮剛度測(cè)試

3.1.1 測(cè)試裝置

在成品檢驗(yàn)中，壓縮剛度檢驗(yàn)方法是毛勒公司根據(jù)壓縮控制彈簧的實(shí)際工作狀態(tài)，采用了一種簡(jiǎn)便的檢驗(yàn)方法，即對(duì)壓縮控制彈簧做壓力檢驗(yàn)，檢驗(yàn)要求見(jiàn)表2［5］。后經(jīng)趙衡平的研究，在JTQX-2011-12-2模數(shù)式伸縮裝置通用技術(shù)條件中重新進(jìn)行了規(guī)定，見(jiàn)表3。本文按毛勒公司和JTQX-2011-12-2提出的壓縮剛度檢測(cè)方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究［7］。試樣采用圓形截面和橢圓截面聚氨酯壓縮彈簧進(jìn)行試驗(yàn)，每種各取3個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖6和圖7。

表2　 毛勒公司壓縮剛度檢驗(yàn)方法

表3　 JTQX-2011-12-2壓縮剛度檢驗(yàn)方法

3.1.2 測(cè)試要求

壓縮剛度試驗(yàn)采用壓縮位移進(jìn)行控制，加載變形量按壓縮應(yīng)變60%進(jìn)行，相當(dāng)于壓縮變形為80 mm左右。加載卸載反復(fù)3次，即：壓縮應(yīng)變按0～60%～0反復(fù)3次。加載過(guò)程的變形-時(shí)間曲線見(jiàn)圖8。

試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)記錄荷載-變形曲線。由于壓縮彈簧是在反復(fù)的位移作用下工作，因此試驗(yàn)的剛度應(yīng)在多次循環(huán)后進(jìn)行取值計(jì)算。因?yàn)榈谝谎h(huán)加載的曲線高于其余兩次循環(huán)的曲線，說(shuō)明第一循環(huán)的剛度略高，第二循環(huán)與第三循環(huán)的曲線基本重合，說(shuō)明隨著加載循環(huán)的增加，剛度基本趨于一致。取第三循環(huán)的數(shù)據(jù)作為剛度的數(shù)據(jù)，比較穩(wěn)定，接近實(shí)際使用的工作狀況。

圖6　 圓形截面聚氨酯壓縮彈簧壓縮

圖7　 橢圓截面聚氨酯壓縮彈簧壓縮

圖8　 加載變形與時(shí)間曲線

橢圓截面聚氨酯壓縮彈簧壓縮曲線見(jiàn)圖9，圓形截面聚氨酯壓縮彈簧壓縮曲線見(jiàn)圖10。通過(guò)實(shí)測(cè)曲線不難看出，第一循環(huán)的剛度高于其余循環(huán)的剛度，第二和第三循環(huán)曲線基本重合，說(shuō)明剛度隨循環(huán)次數(shù)增多有漸趨一致的特點(diǎn)。壓縮應(yīng)變達(dá)到60%時(shí)，最大荷載達(dá)到8 kN左右；壓縮應(yīng)變回到0時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)未恢復(fù)的變形，橢圓截面的大致在3～5 mm，圓形截面的大致在6～8 mm。

圖9　 橢圓截面聚氨酯壓縮彈簧壓縮曲線

圖10　 圓形截面聚氨酯壓縮彈簧壓縮曲線

測(cè)試試樣在2、4、6 kN對(duì)應(yīng)的變形量見(jiàn)表4，從表中可見(jiàn)圓形截面的試樣2 kN對(duì)應(yīng)的變形量大致在42～46 mm，4 kN對(duì)應(yīng)的變形量大致在65～68 mm，6 kN對(duì)應(yīng)的變形量大致在74～77 mm，基本符合毛勒允許范圍，2 kN對(duì)應(yīng)的變形量超出JTQX-2011允許范圍；橢圓截面的試樣2 kN對(duì)應(yīng)的變形量大致在39～42 mm，4 kN對(duì)應(yīng)的變形量大致在68～69 mm，6 kN對(duì)應(yīng)的變形量大致在77～79 mm，完全符合毛勒允許范圍，2 kN對(duì)應(yīng)的變形量超出JTQX—2011允許范圍。由于選取的數(shù)據(jù)是在第三次循環(huán)，因此要比第一次循環(huán)要低一些。如果選取第一次的循環(huán)數(shù)據(jù)，則全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4　 壓縮彈簧試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

以上的測(cè)試方法具有簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)，但是應(yīng)考慮壓縮彈簧使用位移時(shí)的荷載變化，使用時(shí)的最小荷載應(yīng)超過(guò)中梁的摩擦阻力，使中梁順利移動(dòng)達(dá)到伸縮縫間隙均勻。如果試樣預(yù)壓50 mm，在位移±20 mm的范圍變化時(shí)，圓形截面的試樣上升段最小荷載1.4 kN,最大荷載4.7 kN，下降段最小荷載0.85 kN，最大荷載3.4 kN；橢圓截面的試樣上升段最小荷載1.5 kN，最大荷載4.6 kN，下降段最小荷載0.86 kN,最大荷載3.3 kN。如果最小荷載0.85 kN能滿足調(diào)整伸縮縫寬度，說(shuō)明能滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)然還應(yīng)考慮壓縮彈簧的蠕變松弛效應(yīng)，荷載可能還會(huì)降低，至于下降多少需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。因此在剛度試驗(yàn)中除了前面的檢驗(yàn)，還應(yīng)進(jìn)行使用階段實(shí)際位移下的剛度變化，確保壓縮彈簧能提供足夠的恢復(fù)力，調(diào)整伸縮縫寬度。

3.2 全位移壓縮變形性能測(cè)試

3.2.1 全位移壓縮變形的概念

全位移是指壓縮控制彈簧在模數(shù)式伸縮裝置使用過(guò)程中達(dá)到的最大位移。主要考察壓縮控制彈簧在伸縮裝置全位移過(guò)程中壓縮彈簧的受力狀況。

3.2.2 全位移壓縮變形的測(cè)試方法

測(cè)試方法采用將壓縮控制彈簧預(yù)壓至控制高度90 mm，按極限位移±40 m m進(jìn)行試驗(yàn)。從試樣中選取一個(gè)橢圓截面的試樣進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)的荷載位移曲線見(jiàn)圖11。從圖中可知，壓縮變形達(dá)到90 mm時(shí)，即試樣高度壓縮到50 m m時(shí)，達(dá)到最大荷載13.65 kN；壓縮變形達(dá)到10 mm時(shí)，即試樣高度壓縮到130 mm時(shí)，最小荷載0.38 kN。根據(jù)測(cè)試曲線應(yīng)規(guī)定最大荷載和最小荷載的范圍，最小荷載應(yīng)能保證克服摩擦阻力移動(dòng)中梁，最大荷載應(yīng)不會(huì)使與中梁連接的裝置超過(guò)許用應(yīng)力。與中梁連接的裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮最大荷載的作用。

圖11　 壓縮彈簧全位移壓縮變形測(cè)試曲線

4 結(jié)論

（1）建議沖擊彈性應(yīng)該列入交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，聚氨酯材料的沖擊彈性是保證伸縮裝置中梁迅速?gòu)?fù)位的關(guān)鍵。另外抗老化試驗(yàn)和殘余壓縮變形也應(yīng)列入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以確保壓縮彈簧的耐久性。

（2）檢驗(yàn)壓縮剛度測(cè)試應(yīng)循環(huán)加載，記錄荷載變形曲線。壓縮剛度的控制參數(shù)應(yīng)取反復(fù)循環(huán)的第3次數(shù)據(jù)，在測(cè)試剛度的同時(shí)也應(yīng)根據(jù)荷載位移曲線，檢驗(yàn)壓縮彈簧實(shí)際移動(dòng)范圍的荷載變化，確保壓縮彈簧能提供足夠的恢復(fù)力，調(diào)整伸縮縫寬度。

（3）建議增設(shè)全位移壓縮變形檢測(cè)，用于檢驗(yàn)壓縮控制彈簧壓縮力的變化，彈簧壓縮力達(dá)到最小值時(shí)，能否使中梁克服摩擦阻力，使中梁的間隙均勻；彈簧壓縮力達(dá)到最大值時(shí)，與中梁連接的裝置受力是否滿足要求。

［1］中國(guó)交通企業(yè)管理協(xié)會(huì). JTQX-2011-12-1公路橋梁伸縮裝置設(shè)計(jì)指南［R］.2011.

［2］趙衡平.現(xiàn)代橋梁伸縮裝置［M］.北京：人民交通出版社2008.

［3］ 莊軍生，彭澤友，夏玉龍，等.公路橋梁伸縮裝置［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公路橋梁伸縮裝置［S］.

［6］DIN 53512橡膠和彈性體的檢驗(yàn)回彈性的測(cè)定［S］.

［7］中國(guó)交通企業(yè)管理協(xié)會(huì). JTQX-2011-12-2模數(shù)式伸縮裝置通用技術(shù)條件［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

江蘇省交通運(yùn)輸科技資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2013T09）

胥明（1969-），男，四川蓬溪人，高級(jí)工程師，主要從亊實(shí)驗(yàn)教學(xué)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究工作。

2016-07-15）