凍融條件下公路橋梁板式氯丁橡膠支座受壓試驗研究

張延年　單春紅　鄭怡　熊衛(wèi)士　沈小俊　高飛

摘要：公路橋梁橡膠支座比建筑橡膠支座更容易受到氣候的影響，為了研究公路橋梁板式氯丁橡膠支座經過凍融循環(huán)后的承載力變化情況，采用標準凍融試驗箱對氯丁橡膠支座進行25、50、75、100次的凍融循環(huán)處理并進行軸心受壓試驗，研究其在不同凍融循環(huán)次數(shù)的承載力、極限抗壓強度、豎向剛度、彈性模量等各項性能指標的變化，并與標準試件進行對比分析。結果表明經過凍融循環(huán)處理的氯丁橡膠支座更容易發(fā)生脆性破壞，且鋼板外露、裂縫等破壞現(xiàn)象比標準試件更嚴重。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融程度的加深，氯丁橡膠支座極限承載力、極限抗壓強度、抗壓彈性模量都逐漸降低；采用最小二乘法得出50 a抗壓強度和抗壓彈性模量的衰減曲線和衰減公式，其變化趨勢基本符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律。凍融循環(huán)后的公路橋梁板式氯丁橡膠支座的各項力學性能指標顯著降低，因此應嚴格控制公路橋梁板式氯丁橡膠支座的溫度適用范圍，并建議提高其最低適用溫度，在寒冷地區(qū)盡量采用天然橡膠支座。

關鍵詞：氯丁橡膠支座；軸心受壓試驗；承載力；豎向剛度

中圖分類號：U443文獻標志碼：A文章編號：16744764（2013）06004006

板式橡膠支座由多層均勻分布的橡膠與鋼板粘接疊合而成，是重要的承力和抗震減振裝置，其質量直接影響支座的作用功能、安全可靠度和使用壽命。針對板式橡膠支座耐久性的研究已有較多[12]，Kalpakidis與杜永峰[35]等對高溫下疊層橡膠支座的受力性能進行研究；Takenaka[6]對疊層橡膠支座的熱力學性能進行了實驗研究；由世岐等[7]對低溫環(huán)境下疊層橡膠支座變形特性進行研究；吳波等[8]對隔震橡膠支座防火性能進行了研究；Gu等[911]對橋梁天然橡膠支座的老化性能進行了研究；李慧等[12]進行了-20～-50℃寒冷環(huán)境下的隔震疊層橡膠支座的性能試驗。許冬華等[13]研究表明氯丁橡膠在低于10℃時開始出現(xiàn)輕微結晶現(xiàn)象，低于0℃時，結晶現(xiàn)象加劇，橡膠變硬，硬度和定伸應力的增大，影響支座的彈性模量，溫度繼續(xù)降低，這種現(xiàn)象更加明顯[13]。在世界的溫帶及寒帶地區(qū)，氣溫變化較大，在這種環(huán)境下，公路橋梁橡膠支座比建筑橡膠支座更容易受到氣候的影響。迄今關于氯丁橡膠支座在凍融循環(huán)下的耐久性研究十分匱乏。因此對橋梁板式氯丁橡膠支座進行凍融循環(huán)處理，而后對其進行軸心受壓試驗，研究其受壓性能，并利用最小二乘法給出相關的衰減曲線和衰減模型。

2.2加載方案

試驗為軸心受壓試驗，采用分級加載方式，進行預壓與正式加載。在預壓時進行物理對中與幾何對中，檢測各測點的穩(wěn)定性，其數(shù)值應基本一致，偏差應在15%以內[14]。加載過程持續(xù)到出現(xiàn)極限荷載，承載力下降，試件破壞為止。

2.3試驗現(xiàn)象

進行軸心受壓試驗時，觀察試驗現(xiàn)象。逐級增加豎向荷載，未達到開裂荷載時，試件處于彈性狀態(tài)，水平和豎向位移隨荷載增加而增加，且與荷載的增加基本呈線性關系，此時觀察試件表面，并未產生裂縫，外觀變化較小；繼續(xù)加載，達到開裂荷載時，試件邊緣鋼板與橡膠粘合處出現(xiàn)細微裂縫，此時荷載稍微有停滯狀態(tài)，但很快恢復，而后荷載繼續(xù)增加，水平位移也急劇增加，豎向位移變化較慢，裂縫變寬、變長，試件邊緣開始產生凸出現(xiàn)象；當快達到破壞荷載時，水平位移及豎向位移增加較小；達到破壞荷載，承載力陡然下降，迅速減小，水平位移及豎向位移不再增加，裂縫達到最大，試件破壞。破壞位置主要是橡膠與鋼板的粘合處，鋼板與橡膠產生脫離，出現(xiàn)層狀破壞。從各組試件的破壞現(xiàn)象觀察，ZYBZ01的彈性階段比凍融循環(huán)處理過的試件長，極限承載力較大；而凍融循環(huán)處理的試件，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，彈性階段縮短，極限承載力減小，試件裂縫較多、較大，破壞嚴重。圖6為試件的破壞形態(tài)。

根據《軍用設備氣候極值》（GJB1172.11-91）[15]數(shù)據及統(tǒng)計溫帶地區(qū)在冬季的最高及最低平均氣溫顯示，中國東北、華北及西北地區(qū)（除青海）的平均年凍融循環(huán)日數(shù)一般為60～130 d，實際冬季的晝夜溫差約為12℃，而實驗的溫差為35℃，因此1次快速凍融循環(huán)約為實際1次凍融循環(huán)的3倍，此時25、50、75、100次凍融循環(huán)大約為實際的1、2、3、4 a的凍融情況，將極限抗壓強度的數(shù)據通過曲線擬合成50 a氯丁橡膠支座的極限抗壓強度，采用最小二乘法進行處理，其擬合曲線如圖8所示。

4結論

1）經過凍融循環(huán)處理的氯丁橡膠支座的破壞情況比標準試件嚴重，且循環(huán)次數(shù)越多，裂縫越大，鋼板外露情況越明顯，層狀破壞越嚴重。

2）氯丁橡膠支座的彈性階段隨凍融循環(huán)增加而縮短，經過處理的試件的極限承載力較標準試件低，極限承載力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低。

3）凍融循環(huán)處理的試件的極限抗壓強度小于標準試件，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，極限抗壓強度逐漸降低，采用最小二乘法對數(shù)據進行擬合，得出的50 a的衰減模型符合實際情況。

4）氯丁橡膠支座的豎向剛度受凍融循環(huán)影響，經過凍融循環(huán)處理試件的豎向剛度低于標準試件。

5）凍融循環(huán)對氯丁橡膠支座的抗壓彈性模量影響較大，采用最小二乘法對數(shù)據進行擬合，得出的50 a的衰減模型符合實際情況。

6）凍融循環(huán)后，公路橋梁板式氯丁橡膠支座的各項力學性能指標顯著降低，已無法滿足實際工程需求，因此應嚴格控制公路橋梁板式氯丁橡膠支座的溫度適用范圍，并建議提高其最低適用溫度，在寒冷地區(qū)盡量采用天然橡膠支座。

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[16]GB/T20688.1-2007 橡膠支座：第1部分，隔震橡膠支座試驗方法[S].北京：中國標準出版社， 2007.

（編輯胡玲）