CN101842604A - 用于建筑工程的滑动支承和其材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于建筑工程应用的滑动支承，特别用于土木建筑例如桥梁、大楼、要求同时承受垂直负载并允许相对运动和/或旋转的结构和要在地震事件中受到保护的结构，所述支承具有低摩擦系数和适于在苛刻工况下使用，两者均是因为施加的负载和特别高的工作温度。该支承是这样一种类型，其包括连接到支撑结构(P)的第一部分(2)、连接到由所述支撑结构(P)支撑的元件(G)的第二部分(3)和适于允许所述第二部分(3)相对于所述第一部分(2)平移和/或旋转的装置，所述装置包括低摩擦聚合物材料板(4)和/或条带，其特征在于所述低摩擦材料是聚酰胺。

Description

用于建筑工程的滑动支承和其材料
技术领域
本发明涉及一种用于建筑工程应用的滑动支承(sliding bearing)，特别用于土木建筑例如桥梁、大楼、要求同时承受垂直负载并允许相对运动和/或旋转的结构和要在地震事件中受到保护的结构，所述支承具有低摩擦系数和适于在苛刻工况下使用，两者均是因为施加的负载和高的工作温度。
背景技术
在土木结构例如大楼和桥梁的建筑中，存在使用的结构支承设备，其具有允许在结构的两个或两个以上部分之间相对运动，通常是相对滑动或旋转的功能。为了允许上述运动，在结构中设置有铰链或滑动式的限制物(constraints)。
上述限制物通常包括一对适于相对滑动和/或旋转的平或曲表面以允许相对运动和/或旋转。为了尽量减少各部分中静态和动态摩擦，上述一对表面的第一表面由金属例如奥氏体不锈钢或铝合金或镀硬铬铁素体钢制成，而另一表面方便地由一种低摩擦聚合物制成。在滑动表面之间通常使用润滑剂用于进一步减少各部分之间的摩擦。
根据现有技术发展水平，主要用于制造滑动支承的低摩擦聚合物是聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)。这种材料已经用于这种类型的应用超过40年，积累的专业技术已经允许完全确定其性能和限度。这些性能和限度已经规定成本技术领域的标准，其中例如欧洲标准EN 1337-2“结构支承-第2部分：滑动元件”和用于美国州公路及运输协会(the American Association of State Highway and Transportation Officials，AASHTO)建筑的技术规格。
通过两表面的材料性能和可能的润滑剂的适宜组合，滑动支承的该对表面具有低摩擦系数，包括静态的和动态的，高耐磨性和适当的对来自结构固定负载和工作活动的压缩负载的抗性。
虽然PTFE在土木工程领域的应用经过40多年来现在巩固下来，但是许多该材料的失效已知主要是由于差的耐磨性和温度升高时PTFE特征性的抗压强度的过度减小。
通过在科学文献中已知为“冷流(cold flow)”的蠕变现象(creep phenomenon)，发生上述的PTFE的抗压强度的降低。该现象就是聚合物的连续蠕变，它被挤压出来，并从滑动支承侧面出来，从而产生由PTFE制成的表面元件的高度的连续降低。
在高温存在时，该现象进一步增强；冷流程度事实上与压缩负载和工作温度的高值的组合有关。
表述“支承工作温度”是指滑动表面达到的温度。如果在30℃和100℃之间，该工作温度被认为是高的。
考虑到PTFE显示的摩擦系数的低值，上述聚合物一直被认为是制造滑动支承的理想滑动材料，因此，已经开发技术以使PTFE的使用适应各种操作条件。在这一技术发展中，参考技术标准已经形成规定，在工作温度的基础上，确定在滑动支承中适于PTFE表面的最高压力的限度。例如，欧洲标准EN 1337-2强制性地规定对于暴露于高于30℃的最高工作温度的支承考虑相对于在30℃测得的特征强度，30℃以上每度减少2％PTFE的抗压强度的特征值。
但是，从经济角度来看，这个标准是不利的，因为它导致滑动支承的尺寸和相关费用的增加。
PTFE不能胜任在高的工作温度下使用的进一步的证据是这样的事实，即EN 1337系列的欧洲标准将滑动支承与一个或多个PTFE表面配合的使用限定至等于48℃的最高工作温度。超过这个温度，必须使用不同类型的结构支承，具有较高的成本和就摩擦系数而言较差的性能。在实践中，这些不同的结构支承是滚子支承(roller bearing)和摇臂支承(rockerbearing)，特别昂贵且部分地丧失最初效能，因为它们是完全由金属制成的，受大气物质(atmospheric agents)作用，在缺乏适当和昂贵的维修时，摩擦系数达到比滑动支承的摩擦系数高得多的值。
作为具有比西欧和北美地区温度更高的平均温度的特征的气候区域的国家的工业和基础设施日益发展的结果，从成本和设计的角度来看，PTFE在高的工作温度下的性能的失效是一种非常重要的处罚。事实上，已经注意到在过去几年中结构支承的许多失效是由PTFE的过度冷流造成的。这些失效的经济影响是显著的，包括对土木结构的不可逆转的损害和有关支承更换的费用。
然而，通常冷流现象不仅妨碍在具有高环境温度特征的气候区域的所有土木工程应用，而且还妨碍那些应用，其中滑动支承的表面经受高滑动速度，比如，例如由地震事件或剧烈交通状况或高速铁路交通造成的滑动速度。
为了满足高工作温度应用的需要，已经建议使用基于纤维填充的PTFE的工程聚合体(technopolymer)。如果与非填充的PTFE相比，这些工程聚合体具有更高的抗压强度，但是与具有非填充PTFE制成的表面的滑动支承相比，具有上述工程聚合体制成的表面的滑动支承不利地具有更高的摩擦系数和更低的耐磨性。
最近也已经提出使用超高分子量聚乙烯(ultra-high-molecular-weight polyethylene，UHMWPE)作为PTFE的一种聚合物替代物用于制造用于建筑工程应用的滑动支承，主要是由于其较高的耐磨性的特点。但是，上述材料也具有在高工作温度下其机械强度迅速衰减和使其不能用于高于48℃温度的性能的特征。
发明内容
本发明的目的是通过提供根据权利要求1所述的滑动支承克服上述缺陷，该滑动支承能用于建筑工程应用，特别用于土木建筑例如桥梁、大楼、要求同时承受垂直负载并允许相对运动和/或旋转的结构和要在地震事件中受到保护的结构，是这样一种类型，其包括连接到支撑结构的第一部分，连接到由所述支撑结构支撑的元件的第二部分和用于允许所述第二部分相对于所述第一部分平移和/或旋转的装置，所述装置包括低摩擦聚合物材料，其特征在于所述低摩擦材料是聚酰胺(polyamide)。
聚酰胺具有可以忽略不计的冷流，在室温和高温均具有高抗压强度，并提供了性能，其远远超出用于目前已知的和在建筑工程中使用的滑动支承的材料能提供的性能。
在不同材料的一系列测试中，实际上已经注意到聚酰胺具有使用在用于结构应用的滑动支承，特别使用在用于高工作温度应用的滑动支承所需的特征。
实验测试已经证明除了最大允许滑动路径以外，聚酰胺也符合其它要求，例如低摩擦系数、高耐磨性和最大允许滑动速度，这些特性与由欧洲标准EN 1337-2规定的对PTFE的要求类似，并比由纤维填充的PTFE制成的工程聚合体提供的特性更好。
为了进一步提高在高温特别是达到170℃时的抗性，有利地，上述聚酰胺可以进行交联。交联过程可以化学交联或通过将聚酰胺经受高辐射剂量γ射线或加速电子的辐射处理实现。
交联过程导致最高工作温度、机械强度和弹性模量、表面硬度和耐磨性的进一步提高，还进一步提高在高温下材料的尺寸稳定性和进一步增加冷流现象的减少。
相对于现有技术滑动支承，在不同使用条件，特别在高工作温度和高压缩负载存在条件下，用上述材料制成的支承具有特别显著地更高的性能。
总之，根据本发明的支承的特点是：
-低摩擦系数；
-耐磨性和最大滑动速度，可以比拟由关于用于结构支承的滑动支承的技术标准规定的由PTFE提供的耐磨性和最大滑动速度；
-更高的抗压强度，相对于由关于用于结构支承的滑动支承的技术标准规定的PTFE的抗压强度，在高工作温度存在下，特别允许上述材料使用在工作温度至少100℃下，通过对聚酰胺进行交联处理其限度可以提高至170℃。
从以下给出的作为非限制例子的两个优选具体实施例的详细描述，根据本发明的还以高工作温度为特征的用于建筑工程应用的滑动支承的进一步的优势和特征将变得清楚。
附图说明
该描述将参照附图进行，其中：
图1a和1b表示根据本发明的支承的两个具体实施例；
图2表示由聚酰胺制成的滑动表面的细节；及
图3表示沿图2的III-III线的横截面。
具体实施方式
参见图1a和1b，根据本发明，附图标记1表示平面型滑动支承，附图标记1a表示包括平面型(flat-type)滑动支承1和球面型(spherical-type)滑动支承1b的支承。两滑动支承的特征是低摩擦系数和高承载能力，并适于高工作温度。
根据本发明的平面型滑动支承1，其结构与现有技术滑动支承的结构相同，包括适于连接到支撑结构例如固定在地上的桩柱P的下板2，和例如连接到桥梁G的上板3。由聚酰胺制成的板4，将在下文更好地进行描述，和金属板5，例如由奥氏体不锈钢或铝合金或镀硬铬铁素体钢制成，插入到下板2和上板3之间。
此外，根据本发明的支承1和1b，形成支承1a，具有与现有技术支承的结构相同的结构。
支承1a包括适用于连接到支撑结构例如固定在地上的桩柱P的下板2a，和例如连接到桥梁G的上板3a。下板2a的顶部表面是凹的，并具有球冠形状以与中间板6相互配合从而形成球面型滑动支承1b。中间板6的顶部表面平整，与上板3a的底部表面相互配合，从而与后者形成用于线性运动的滑动支承1。
由聚酰胺制成的板4a，将在下文更好地进行描述，和金属板5a，例如由奥氏体不锈钢或铝合金或镀硬铬铁素体钢制成，插入到中间板6和上板3a之间。相似的，由聚酰胺制成的板4b，将在下文更好地进行描述，和金属板5b，例如由奥氏体不锈钢或铝合金或镀硬铬铁素体钢制成，插入到下板2a和中间板6之间。对于板5b，可选择的，中间板6本身在接触聚酰胺板4b的底部部分可以由奥氏体不锈钢或铝合金或镀硬铬铁素体钢制成。
为了允许只在一个方向平移，支承1和1a可以设置固定于上板3和3a的导件7，其沿固定于下板2和2a的由聚酰胺制成的条带8滑动。
通过在上述聚酰胺的表面设置许多适合充满润滑剂并当表面滑动时还保留额外润滑剂的润滑凹陷(lubrication dimples)9(见图2)，可以改善包括聚酰胺的滑动支承的低摩擦特性。
通过实验测试，已经发现图2显示的凹陷9的圆形设计和设置允许将摩擦系数减小至接近于使用PTFE时可测量的数值并改善滑动支承的耐磨性。
确定凹陷9的直径D，凹陷的优化设置是根据行距等于1.75D和列距等于3D的两个相同的矩阵模式，两矩阵模式这样布置以致每个凹陷与邻近凹陷均等间隔。
一个8mm的优化值可以用于表示直径D。凹陷的深度p不是关键性的，在2.5-3.5mm范围内，其目的是容纳润滑剂。
聚酰胺板4、4a和4b具有下列机械特性：
-抗压强度在30℃大于或等于200MPa，通过侧限压缩试验(confined compression test)方法测量；
-抗压强度在48℃大于或等于170MPa，通过侧限压缩试验(confined compression test)方法测量；
-抗压强度在80℃大于或等于100MPa，通过侧限压缩试验(confined compression test)方法测量；
-在根据图2设置的所述凹陷9存在下经受至少10000m的滑动路径，其中凹陷已经用润滑剂适当填充；
-在填充润滑剂的凹陷9存在下经受50mm/s滑动速度；
-在21℃具有低于1％的动态摩擦系数；
-符合由欧洲标准EN 1337-2建立的对与一个或更多个PTFE表面配合的滑动支承规定的在温度范围(-35℃；48℃)内有关静态和动态摩擦系数的要求；
-在高工作温度特别是在高于48℃的温度比PTFE具有更高的耐磨性。
用于制造这些板的合适的材料是一种铸型聚酰胺(cast polyamide)PA6，其性能列于表1中。
表1
  特性   单位   方法
  比重(Specific gravity)   1.14   g/cm3   EN ISO 1183-1
  熔点(Melting point)   215   ℃   ISO 11357
  拉伸屈服应力(Tensile yield stress)   75   MPa   EN ISO 527
 断裂伸长率(Elongation at break)  ＞35   ％   EN ISO 527
 抗拉强度弹性模量(Tensile strength modulusof elasticity)  3400   MPa   EN ISO 527
 使用球形穿透体的硬度(Hardness using aball penetrating body)  170   N/mm2   EN ISO 2039-1
 邵氏硬度(Shore Hardness)  81   D Scale   DIN 53505
 夏比型缺口试样上的冲击强度(Impactstrength on a notched sample(Charpy))  ＞3.5   kJ/m2   ISO 179/1eA/Pendel 1J
为了改善低摩擦特性，上述聚酰胺可以含有添加剂，比如固态润滑剂，例如聚乙烯(polyethylene)、含氟聚合物(fluoropolymers)的混合物、二硫化钼(molybdenum disulphide)和氧化钙(calcium oxide)。
实验测试已经证明相对于基材，加入20％重量百分含量的含氟聚合物导致磨损减少50倍。
为了改善抗压强度，上述聚酰胺可以加入填充材料，比如，例如玻璃和陶瓷微球和玻璃纤维。
由添加了玻璃微球的聚酰胺PA6制成的材料的一个例子是工程聚合体，其性能列于表2中。
表2
  特性   单位   方法
  比重(Specific gravity)  1.18   g/cm3   EN ISO 1183-1
  熔点(Melting point)  217   ℃   ISO 11357
  拉伸屈服应力(Tensile yield stress)  70   MPa   EN ISO 527
  断裂伸长率(Elongation at break)  ＞4   ％   EN ISO 527
  特性   单位   方法
  抗拉强度弹性模量(Tensile strength modulusof elasticity)  4000   MPa   EN ISO 527
  使用球形穿透体的硬度(Hardness using a ballpenetrating body)  180   N/mm2   EN ISO 2039-1
  邵氏硬度(Shore Hardness)  82   D Scale   DIN 53505
  夏比型缺口试样上的冲击强度(Impactstrength on a notched sample(Charpy))  ＞2.5   kJ/m2   ISO 179/1eA/Pendel 1J
为了进一步改善高温抗性，从而达到170℃工作温度，上述聚酰胺PA6可以交联。根据现有技术，交联过程可以化学交联或用γ射线或加速电子以优选25kGy和500kGy之间的高辐射剂量辐射实现。为了促进上述由辐射进行的交联过程，可以在聚酰胺PA6中加入交联化学试剂和自由基引发剂。辐射处理之后最好进行适于消除活性自由基存在的稳定热处理。
特别地，通过辐射处理实现的交联过程允许通过能改变聚合物化学/物理和机械特性的分子间化学键的形成增加聚酰胺PA6的分子量。交联过程导致进一步增加最高工作温度，达到170℃，机械强度和弹性模量，表面硬度和耐磨性，并最后导致在高温下材料的尺寸稳定性的增加和冷流现象的减少。
在辐射交联情况下，在辐射处理之前在配料阶段(compounding phase)将稳定剂和/或抗氧化剂引入聚合物中是有利的，从而消除使用γ或β射线进行辐射处理产生的自由基。
值得提出的是，在上述描述的基础上，根据本发明的用于建筑工程的滑动支承允许工作温度的范围延伸至170℃，即远远超出现有技术滑动支承的限度。
聚酰胺在滑动支承中作为低摩擦材料使用产生的进一步的优势包括：
-相对于非填充PTFE和由纤维填充的PTFE制成的工程聚合体，聚酰胺具有更低的比重，至少低50％；
--相对于非填充PTFE和由纤维填充的PTFE制成的工程聚合体，聚酰胺具有更低的工业成本；
-在使用范围内在任何温度，相对于PTFE，具有更高的抗压强度，允许制造具有更小尺寸和更高工作压力特征的滑动支承。
总之，上述优势导致当工作温度不超过48℃时，相对于传统滑动支承，成本大幅度降低，并导致在高达170℃时使用滑动支承的可能性，从而相对于目前采用的昂贵设备，实现了高度显著的经济效益。
很明显，为了满足可能的和特定的需要，本领域技术人员将能够对上述滑动支承和相关材料作出许多修改和变化，所有这些都落在在权利要求提出的本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种用于建筑工程应用的滑动支承(1，1a)，包括适于连接到支撑结构(P)的第一部分(2，2a)、适于连接到由所述支撑结构(P)支撑的元件(G)的第二部分(3，3a)和适于允许所述第二部分(3，3a)相对于所述第一部分(2，2a)平移和/或旋转的装置，所述装置包括由低摩擦聚合物材料制成的板和/或条带(4，4a，4b；8)，其特征在于，所述低摩擦材料是聚酰胺。
2.根据权利要求1所述的滑动支承，其特征在于，所述聚酰胺是聚酰胺6。
3.根据权利要求1或2所述的滑动支承，其特征在于，所述聚酰胺添加了适于减小摩擦系数值和改善耐磨性的固态润滑剂。
4.根据权利要求3所述的滑动支承，其特征在于，所述固态润滑剂选自聚乙烯、含氟聚合物的混合物、二硫化钼和氧化钙。
5.根据前述任一权利要求所述的滑动支承，其特征在于，所述聚酰胺是一种添加了适于改善其抗压强度的填充材料的聚酰胺。
6.根据权利要求5所述的滑动支承，其特征在于，所述填充材料选自玻璃和陶瓷微球和玻璃纤维。
7.根据前述任一权利要求所述的滑动支承，其特征在于，所述聚酰胺是一种交联聚酰胺。
8.根据前述任一权利要求所述的滑动支承，其特征在于，所述聚酰胺板(4，4a，4b)包括适于保留润滑剂的许多凹陷(9)。
9.根据权利要求8所述的滑动支承，其特征在于，所述凹陷(9)具有圆形横截面，并根据两相同矩阵模式布置，所述矩阵模式具有约1.75倍所述凹陷(9)的直径(D)的行距和约3倍所述直径(D)的列距，所述矩阵模式这样布置以致每个凹陷(9)与邻近凹陷(9)均等间隔。
10.根据权利要求9所述的滑动支承，其特征在于，所述直径(D)等于8mm。
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