專利名稱：用于建筑工程的滑動支承和其材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于建筑工程應(yīng)用的滑動支承(sliding bearing)，特別用于土 木建筑例如橋梁、大樓、要求同時承受垂直負(fù)載并允許相對運動和/或旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)和要在 地震事件中受到保護(hù)的結(jié)構(gòu)，所述支承具有低摩擦系數(shù)和適于在苛刻工況下使用，兩者均 是因為施加的負(fù)載和高的工作溫度。
背景技術(shù)：
在土木結(jié)構(gòu)例如大樓和橋梁的建筑中，存在使用的結(jié)構(gòu)支承設(shè)備，其具有允許在 結(jié)構(gòu)的兩個或兩個以上部分之間相對運動，通常是相對滑動或旋轉(zhuǎn)的功能。為了允許上述 運動，在結(jié)構(gòu)中設(shè)置有鉸鏈或滑動式的限制物(constraints)。上述限制物通常包括一對適于相對滑動和/或旋轉(zhuǎn)的平或曲表面以允許相對運 動和/或旋轉(zhuǎn)。為了盡量減少各部分中靜態(tài)和動態(tài)摩擦，上述一對表面的第一表面由金屬 例如奧氏體不銹鋼或鋁合金或鍍硬鉻鐵素體鋼制成，而另一表面方便地由一種低摩擦聚合 物制成。在滑動表面之間通常使用潤滑劑用于進(jìn)一步減少各部分之間的摩擦。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平，主要用于制造滑動支承的低摩擦聚合物是聚四氟乙烯 (polytetrafluoroethylene, PTFE)。這種材料已經(jīng)用于這種類型的應(yīng)用超過40年，積累 的專業(yè)技術(shù)已經(jīng)允許完全確定其性能和限度。這些性能和限度已經(jīng)規(guī)定成本技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo) 準(zhǔn)，其中例如歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1337-2“結(jié)構(gòu)支承-第2部分滑動元件”和用于美國州公路及運 輸協(xié)會(the American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHT0)建筑的技術(shù)規(guī)格。通過兩表面的材料性能和可能的潤滑劑的適宜組合，滑動支承的該對表面具有低 摩擦系數(shù)，包括靜態(tài)的和動態(tài)的，高耐磨性和適當(dāng)?shù)膶碜越Y(jié)構(gòu)固定負(fù)載和工作活動的壓 縮負(fù)載的抗性。雖然PTFE在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)過40多年來現(xiàn)在鞏固下來，但是許多該材料 的失效已知主要是由于差的耐磨性和溫度升高時PTFE特征性的抗壓強(qiáng)度的過度減小。通過在科學(xué)文獻(xiàn)中已知為“冷流(cold flow)”的蠕變現(xiàn)象(ere印phenomenon), 發(fā)生上述的PTFE的抗壓強(qiáng)度的降低。該現(xiàn)象就是聚合物的連續(xù)蠕變，它被擠壓出來，并從 滑動支承側(cè)面出來，從而產(chǎn)生由PTFE制成的表面元件的高度的連續(xù)降低。在高溫存在時，該現(xiàn)象進(jìn)一步增強(qiáng)；冷流程度事實上與壓縮負(fù)載和工作溫度的高 值的組合有關(guān)。表述“支承工作溫度”是指滑動表面達(dá)到的溫度。如果在30°C和100°C之間，該工 作溫度被認(rèn)為是高的?？紤]到PTFE顯示的摩擦系數(shù)的低值，上述聚合物一直被認(rèn)為是制造滑動支承的 理想滑動材料，因此，已經(jīng)開發(fā)技術(shù)以使PTFE的使用適應(yīng)各種操作條件。在這一技術(shù)發(fā)展 中，參考技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)形成規(guī)定，在工作溫度的基礎(chǔ)上，確定在滑動支承中適于PTFE表面 的最高壓力的限度。例如，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1337-2強(qiáng)制性地規(guī)定對于暴露于高于30°C的最高工作溫度的支承考慮相對于在30°C測得的特征強(qiáng)度，300C以上每度減少2% PTFE的抗壓強(qiáng) 度的特征值。但是，從經(jīng)濟(jì)角度來看，這個標(biāo)準(zhǔn)是不利的，因為它導(dǎo)致滑動支承的尺寸和相關(guān)費 用的增加。 PTFE不能勝任在高的工作溫度下使用的進(jìn)一步的證據(jù)是這樣的事實，即EN 1337 系列的歐洲標(biāo)準(zhǔn)將滑動支承與一個或多個PTFE表面配合的使用限定至等于48°C的最高工 作溫度。超過這個溫度，必須使用不同類型的結(jié)構(gòu)支承，具有較高的成本和就摩擦系數(shù)而言 較差的性能。在實踐中，這些不同的結(jié)構(gòu)支承是滾子支承(roller bearing)和搖臂支承 (rockerbearing)，特別昂貴且部分地喪失最初效能，因為它們是完全由金屬制成的，受大 氣物質(zhì)(atmospheric agents)作用，在缺乏適當(dāng)和昂貴的維修時，摩擦系數(shù)達(dá)到比滑動支 承的摩擦系數(shù)高得多的值。作為具有比西歐和北美地區(qū)溫度更高的平均溫度的特征的氣候區(qū)域的國家的工 業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施日益發(fā)展的結(jié)果，從成本和設(shè)計的角度來看，PTFE在高的工作溫度下的性能 的失效是一種非常重要的處罰。事實上，已經(jīng)注意到在過去幾年中結(jié)構(gòu)支承的許多失效是 由PTFE的過度冷流造成的。這些失效的經(jīng)濟(jì)影響是顯著的，包括對土木結(jié)構(gòu)的不可逆轉(zhuǎn)的 損害和有關(guān)支承更換的費用。然而，通常冷流現(xiàn)象不僅妨礙在具有高環(huán)境溫度特征的氣候區(qū)域的所有土木工程 應(yīng)用，而且還妨礙那些應(yīng)用，其中滑動支承的表面經(jīng)受高滑動速度，比如，例如由地震事件 或劇烈交通狀況或高速鐵路交通造成的滑動速度。為了滿足高工作溫度應(yīng)用的需要，已經(jīng)建議使用基于纖維填充的PTFE的工程聚 合體(technopolymer)。如果與非填充的PTFE相比，這些工程聚合體具有更高的抗壓強(qiáng)度， 但是與具有非填充PTFE制成的表面的滑動支承相比，具有上述工程聚合體制成的表面的 滑動支承不利地具有更高的摩擦系數(shù)和更低的耐磨性。最近也已經(jīng)提出使用超高分子量聚乙烯(ultra-high-molecular-weight polyethylene,UHMWPE)作為PTFE的一種聚合物替代物用于制造用于建筑工程應(yīng)用的滑動 支承，主要是由于其較高的耐磨性的特點。但是，上述材料也具有在高工作溫度下其機(jī)械強(qiáng) 度迅速衰減和使其不能用于高于48°C溫度的性能的特征。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過提供根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動支承克服上述缺陷，該滑動 支承能用于建筑工程應(yīng)用，特別用于土木建筑例如橋梁、大樓、要求同時承受垂直負(fù)載并允 許相對運動和/或旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)和要在地震事件中受到保護(hù)的結(jié)構(gòu)，是這樣一種類型，其包 括連接到支撐結(jié)構(gòu)的第一部分，連接到由所述支撐結(jié)構(gòu)支撐的元件的第二部分和用于允許 所述第二部分相對于所述第一部分平移和/或旋轉(zhuǎn)的裝置，所述裝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計的冷流，在室溫和高溫均具有高抗壓強(qiáng)度，并提供了性 能，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出用于目前已知的和在建筑工程中使用的滑動支承的材料能提供的性能。在不同材料的一系列測試中，實際上已經(jīng)注意到聚酰胺具有使用在用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用 的滑動支承，特別使用在用于高工作溫度應(yīng)用的滑動支承所需的特征。
實驗測試已經(jīng)證明除了最大允許滑動路徑以外，聚酰胺也符合其它要求，例如低摩擦系數(shù)、高耐磨性和最大允許滑動速度，這些特性與由歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1337-2規(guī)定的對 PTFE的要求類似，并比由纖維填充的PTFE制成的工程聚合體提供的特性更好。為了進(jìn)一步提高在高溫特別是達(dá)到170°C時的抗性，有利地，上述聚酰胺可以進(jìn)行 交聯(lián)。交聯(lián)過程可以化學(xué)交聯(lián)或通過將聚酰胺經(jīng)受高輻射劑量Y射線或加速電子的輻射 處理實現(xiàn)。交聯(lián)過程導(dǎo)致最高工作溫度、機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量、表面硬度和耐磨性的進(jìn)一步提高，還進(jìn)一步提高在高溫下材料的尺寸穩(wěn)定性和進(jìn)一步增加冷流現(xiàn)象的減少。相對于現(xiàn)有技術(shù)滑動支承，在不同使用條件，特別在高工作溫度和高壓縮負(fù)載存在條件下，用上述材料制成的支承具有特別顯著地更高的性能。總之，根據(jù)本發(fā)明的支承的特點是-低摩擦系數(shù)；-耐磨性和最大滑動速度，可以比擬由關(guān)于用于結(jié)構(gòu)支承的滑動支承的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的由PTFE提供的耐磨性和最大滑動速度；_更高的抗壓強(qiáng)度，相對于由關(guān)于用于結(jié)構(gòu)支承的滑動支承的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 PTFE的抗壓強(qiáng)度，在高工作溫度存在下，特別允許上述材料使用在工作溫度至少100°C下， 通過對聚酰胺進(jìn)行交聯(lián)處理其限度可以提高至170°C。從以下給出的作為非限制例子的兩個優(yōu)選具體實施例的詳細(xì)描述，根據(jù)本發(fā)明的 還以高工作溫度為特征的用于建筑工程應(yīng)用的滑動支承的進(jìn)一步的優(yōu)勢和特征將變得清
林 疋。


該描述將參照附圖進(jìn)行，其中圖Ia和Ib表示根據(jù)本發(fā)明的支承的兩個具體實施例；圖2表示由聚酰胺制成的滑動表面的細(xì)節(jié)；及圖3表示沿圖2的III-III線的橫截面。
具體實施例方式參見圖Ia和Ib，根據(jù)本發(fā)明，附圖標(biāo)記1表示平面型滑動支承，附圖標(biāo)記Ia表示包括平面型(flat-type)滑動支承1和球面型(spherical-type)滑動支承Ib的支承。兩 滑動支承的特征是低摩擦系數(shù)和高承載能力，并適于高工作溫度。根據(jù)本發(fā)明的平面型滑動支承1，其結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)滑動支承的結(jié)構(gòu)相同，包括適于連接到支撐結(jié)構(gòu)例如固定在地上的樁柱P的下板2，和例如連接到橋梁G的上板3。由聚 酰胺制成的板4，將在下文更好地進(jìn)行描述，和金屬板5，例如由奧氏體不銹鋼或鋁合金或 鍍硬鉻鐵素體鋼制成，插入到下板2和上板3之間。此外，根據(jù)本發(fā)明的支承1和lb，形成支承l(wèi)a，具有與現(xiàn)有技術(shù)支承的結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)。支承Ia包括適用于連接到支撐結(jié)構(gòu)例如固定在地上的樁柱P的下板2a，和例如連接到橋梁G的上板3a。下板2a的頂部表面是凹的，并具有球冠形狀以與中間板6相互配合從而形成球面型滑動支承l(wèi)b。中間板6的頂部表面平整，與上板3a的底部表面相互配合， 從而與后者形成用于線性運動的滑動支承1。由聚酰胺制成的板4a，將在下文更好地進(jìn)行描述，和金屬板5a，例如由奧氏體不 銹鋼或鋁合金或鍍硬鉻鐵素體鋼制成，插入到中間板6和上板3a之間。相似的，由聚酰胺 制成的板4b，將在下文更好地進(jìn)行描述，和金屬板5b，例如由奧氏體不銹鋼或鋁合金或鍍 硬鉻鐵素體鋼制成，插入到下板2a和中間板6之間。對于板5b，可選擇的，中間板6本身在 接觸聚酰胺板4b的底部部分可以由奧氏體不銹鋼或鋁合金或鍍硬鉻鐵素體鋼制成。
為了允許只在一個方向平移，支承1和Ia可以設(shè)置固定于上板3和3a的導(dǎo)件7， 其沿固定于下板2和2a的由聚酰胺制成的條帶8滑動。通過在上述聚酰胺的表面設(shè)置許多適合充滿潤滑劑并當(dāng)表面滑動時還保留額外 潤滑劑的潤滑凹陷(lubrication dimples) 9 (見圖2)，可以改善包括聚酰胺的滑動支承的 低摩擦特性。通過實驗測試，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)圖2顯示的凹陷9的圓形設(shè)計和設(shè)置允許將摩擦系數(shù)減 小至接近于使用PTFE時可測量的數(shù)值并改善滑動支承的耐磨性。確定凹陷9的直徑D，凹陷的優(yōu)化設(shè)置是根據(jù)行距等于1. 75D和列距等于3D的兩 個相同的矩陣模式，兩矩陣模式這樣布置以致每個凹陷與鄰近凹陷均等間隔。一個8mm的優(yōu)化值可以用于表示直徑D。凹陷的深度ρ不是關(guān)鍵性的，在 2. 5-3. 5mm范圍內(nèi)，其目的是容納潤滑劑。聚酰胺板4、4a和4b具有下列機(jī)械特性-抗壓強(qiáng)度在30°C大于或等于200MPa，通過側(cè)限壓縮試驗(confined compression test)方法測量；-抗壓強(qiáng)度在48°C大于或等于170MPa，通過側(cè)限壓縮試驗(confined compression test)方法測量；-抗壓強(qiáng)度在80°C大于或等于lOOMPa，通過側(cè)限壓縮試驗(confined compression test)方法測量；-在根據(jù)圖2設(shè)置的所述凹陷9存在下經(jīng)受至少10000m的滑動路徑，其中凹陷已 經(jīng)用潤滑劑適當(dāng)填充；-在填充潤滑劑的凹陷9存在下經(jīng)受50mm/s滑動速度；-在21°C具有低于的動態(tài)摩擦系數(shù)；-符合由歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1337-2建立的對與一個或更多個PTFE表面配合的滑動支承 規(guī)定的在溫度范圍(_35°C ；48°C )內(nèi)有關(guān)靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數(shù)的要求；-在高工作溫度特別是在高于48°C的溫度比PTFE具有更高的耐磨性。用于制造這些板的合適的材料是一種鑄型聚酰胺(cast p0lyamide)PA6，其性能 列于表1中。表 1 為了改善低摩擦特性，上述聚酰胺可以含有添加劑，比如固態(tài)潤滑劑，例如聚乙 烯(polyethylene)、含氟聚合物(f luoropolymers)的混合物、二 硫化鉬(molybdenum disulphide)禾口氧化 丐(calcium oxide)。實驗測試已經(jīng)證明相對于基材，加入20%重量百分含量的含氟聚合物導(dǎo)致磨損減 少50倍。為了改善抗壓強(qiáng)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 玻璃纖維。由添加了玻璃微球的聚酰胺PA6制成的材料的一個例子是工程聚合體，其性能列 于表2中。表 2 為了進(jìn)一步改善高溫抗性，從而達(dá)到170°C工作溫度，上述聚酰胺PA6可以交聯(lián)。 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，交聯(lián)過程可以化學(xué)交聯(lián)或用Y射線或加速電子以優(yōu)選25kGy和500kGy之 間的高輻射劑量輻射實現(xiàn)。為了促進(jìn)上述由輻射進(jìn)行的交聯(lián)過程，可以在聚酰胺PA6中加 入交聯(lián)化學(xué)試劑和自由基引發(fā)劑。輻射處理之后最好進(jìn)行適于消除活性自由基存在的穩(wěn)定 熱處理。特別地，通過輻射處理實現(xiàn)的交聯(lián)過程允許通過能改變聚合物化學(xué)/物理和機(jī)械 特性的分子間化學(xué)鍵的形成增加聚酰胺PA6的分子量。交聯(lián)過程導(dǎo)致進(jìn)一步增加最高工作 溫度，達(dá)到170°C，機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量，表面硬度和耐磨性，并最后導(dǎo)致在高溫下材料的尺 寸穩(wěn)定性的增加和冷流現(xiàn)象的減少。在輻射交聯(lián)情況下，在輻射處理之前在配料階段(compounding phase)將穩(wěn)定劑 和/或抗氧化劑引入聚合物中是有利的，從而消除使用Y或β射線進(jìn)行輻射處理產(chǎn)生的
自由基。值得提出的是，在上述描述的基礎(chǔ)上，根據(jù)本發(fā)明的用于建筑工程的滑動支承允 許工作溫度的范圍延伸至170°C，即遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有技術(shù)滑動支承的限度。聚酰胺在滑動支承中作為低摩擦材料使用產(chǎn)生的進(jìn)一步的優(yōu)勢包括-相對于非填充PTFE和由纖維填充的PTFE制成的工程聚合體，聚酰胺具有更低的 比重，至少低50% ；-相對于非填充PTFE和由纖維填充的PTFE制成的工程聚合體，聚酰胺具有更低 的工業(yè)成本；-在使用范圍內(nèi)在任何溫度，相對于PTFE，具有更高的抗壓強(qiáng)度，允許制造具有更 小尺寸和更高工作壓力特征的滑動支承。總之，上述優(yōu)勢導(dǎo)致當(dāng)工作溫度不超過48°C時，相對于傳統(tǒng)滑動支承，成本大幅度 降低，并導(dǎo)致在高達(dá)170°C時使用滑動支承的可能性，從而相對于目前采用的昂貴設(shè)備，實 現(xiàn)了高度顯著的經(jīng)濟(jì)效益。很明顯，為了滿足可能的和特定的需要，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠?qū)ι鲜龌瑒又С?和相關(guān)材料作出許多修改和變化，所有這些都落在在權(quán)利要求提出的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于建筑工程應(yīng)用的滑動支承(1，1a)，包括適于連接到支撐結(jié)構(gòu)(P)的第一部分(2，2a)、適于連接到由所述支撐結(jié)構(gòu)(P)支撐的元件(G)的第二部分(3，3a)和適于允許所述第二部分(3，3a)相對于所述第一部分(2，2a)平移和/或旋轉(zhuǎn)的裝置，所述裝置包括由低摩擦聚合物材料制成的板和/或條帶(4，4a，4b；8)，其特征在于，所述低摩擦材料是聚酰胺。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動支承，其特征在于，所述聚酰胺是聚酰胺6。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的滑動支承，其特征在于，所述聚酰胺添加了適于減小摩擦 系數(shù)值和改善耐磨性的固態(tài)潤滑劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的滑動支承，其特征在于，所述固態(tài)潤滑劑選自聚乙烯、含氟聚 合物的混合物、二硫化鉬和氧化鈣。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的滑動支承，其特征在于，所述聚酰胺是一種添加了適 于改善其抗壓強(qiáng)度的填充材料的聚酰胺。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的滑動支承，其特征在于，所述填充材料選自玻璃和陶瓷微球 和玻璃纖維。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的滑動支承，其特征在于，所述聚酰胺是一種交聯(lián)聚酰胺。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的滑動支承，其特征在于，所述聚酰胺板(4，4a，4b)包 括適于保留潤滑劑的許多凹陷(9)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的滑動支承，其特征在于，所述凹陷(9)具有圓形橫截面，并根 據(jù)兩相同矩陣模式布置，所述矩陣模式具有約1. 75倍所述凹陷(9)的直徑(D)的行距和約 3倍所述直徑(D)的列距，所述矩陣模式這樣布置以致每個凹陷(9)與鄰近凹陷(9)均等間 隔。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的滑動支承，其特征在于，所述直徑(D)等于8mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于建筑工程應(yīng)用的滑動支承，特別用于土木建筑例如橋梁、大樓、要求同時承受垂直負(fù)載并允許相對運動和/或旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)和要在地震事件中受到保護(hù)的結(jié)構(gòu)，所述支承具有低摩擦系數(shù)和適于在苛刻工況下使用，兩者均是因為施加的負(fù)載和特別高的工作溫度。該支承是這樣一種類型，其包括連接到支撐結(jié)構(gòu)(P)的第一部分(2)、連接到由所述支撐結(jié)構(gòu)(P)支撐的元件(G)的第二部分(3)和適于允許所述第二部分(3)相對于所述第一部分(2)平移和/或旋轉(zhuǎn)的裝置，所述裝置包括低摩擦聚合物材料板(4)和/或條帶，其特征在于所述低摩擦材料是聚酰胺。
文檔編號E04B1/36GK101842604SQ200880024182
公開日2010年9月22日 申請日期2008年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月17日
發(fā)明者夏洛特·塔韋基奧 申請人:Cvi工程有限公司