板式橡膠支座在缺陷狀態(tài)下的力學(xué)性能分析

陳順林

(河北省高速公路沿海管理處，河北 秦皇島 066000)

0 引言

目前公路橋梁支座主要采用板式橡膠支座和盆式支座，尤以板式橡膠支座應(yīng)用最為廣泛。而由于支座所處的環(huán)境比較惡劣，維護(hù)較少，相對不受重視，致使支座出現(xiàn)裂紋、脫空等病害現(xiàn)象屢有發(fā)生。剪切變形后橡膠支座如圖1所示，板式、圓式橡膠支座如圖2所示。

圖1 剪切變形后的橡膠支座

圖2 板式、圓式橡膠支座

1 板式橡膠支座主要力學(xué)性能

一般來說，力學(xué)性能是工程材料研究和應(yīng)用的關(guān)鍵問題，主要是因?yàn)榱W(xué)性能通常是工程結(jié)構(gòu)和構(gòu)件設(shè)計中的主要依據(jù)；力學(xué)性能通常是新材料能否由研制狀態(tài)進(jìn)入工程應(yīng)用的基本考核指標(biāo)，尤其是綜合性能（包括強(qiáng)度和塑性）的優(yōu)劣常常是決定性因素。

我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在對支座用橡膠的物理機(jī)械性能檢驗(yàn)之外，對成品支座的力學(xué)性能在工程使用前，應(yīng)進(jìn)行必要的抽查檢驗(yàn)，目前我國有關(guān)板式橡膠支座力學(xué)性能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要采用《公路橋梁板式橡膠支座》（JT／T 4—2004）。

1.1 橡膠支座的抗壓性能

進(jìn)行中心受壓試驗(yàn)的目的是為了測定受壓時壓力σ與壓應(yīng)變ε的關(guān)系，實(shí)測出使用應(yīng)力下支座的最大壓縮量以及觀察支座在受壓條件下的工作狀態(tài)，并據(jù)此求出支座的抗壓彈性模量E值。橡膠支座的形狀系數(shù)是影響支座抗壓力學(xué)性能的一個重要因素。通常情況下，板式橡膠支座形狀系數(shù)越大，其壓應(yīng)變越小。當(dāng)支座的形狀系數(shù)較低時（S＜8）支座的設(shè)計應(yīng)力應(yīng)隨形狀系數(shù)的大小進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，這可有效降低支座損傷發(fā)生的概率。

1.2 橡膠支座的抗剪性能

剪切試驗(yàn)的目的是為了測定剪應(yīng)力τ與γ 剪應(yīng)變的關(guān)系，并從中計算抗剪彈性模量G，從而確定G 是否超出限值。剪應(yīng)變與支座厚度的關(guān)系為

式中：Δs——支座的平均剪切變形；

te——膠層總厚度。

我國現(xiàn)行的《公路橋梁板式橡膠支座》（JT／T 4—2004），其支座養(yǎng)護(hù)一項(xiàng)中規(guī)定，應(yīng)檢查支座的剪切位移是否過大，并指出剪切角應(yīng)不大于35°。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 支座抗壓試驗(yàn)

模擬支座帶病害狀態(tài)下的力學(xué)性能試驗(yàn)是采用抗壓彈性模量增大50%的板式橡膠支座進(jìn)行抗壓、抗剪力學(xué)性能測試，并與成品支座的抗壓、抗剪力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對比。

試驗(yàn)用支座尺寸為850mm×450mm×106mm，支座形狀系數(shù)S=12.32，標(biāo)準(zhǔn)抗壓彈性模量為：

表1、表2分別為合格支座與帶缺陷支座抗壓性能試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)。

表1 合格支座抗壓性能試驗(yàn)豎向變形值

表2 帶缺陷支座抗壓性能試驗(yàn)豎向變形值

圖3為帶缺陷板式橡膠支座與正常支座的豎向變形值對比。

圖3 帶缺陷板式橡膠支座與正常支座豎向變形值對比

由以上數(shù)據(jù)可以看出，抗壓彈性模量比標(biāo)準(zhǔn)值低約50%下的板式橡膠支座，其豎向變形約為正常支座豎向變形的3倍。

2.2 支座抗剪試驗(yàn)

表3 合格支座抗剪切變形值

表4 帶缺陷支座抗剪變形

合格支座實(shí)測抗剪彈性模量Gi=（τ1.0-τ0.3）/（γ1.0-γ0.3）=0.7/（0.88-0.27）=1.14（MPa），與標(biāo)準(zhǔn)值（1MPa）相差14%，小于15%，符合規(guī)范要求。

圖4為帶缺陷板式橡膠支座與正常支座的剪切變形值對比。

圖4 帶缺陷板式橡膠支座與正常支座剪切變形值對比

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出，抗剪彈性模量與標(biāo)準(zhǔn)值相差46%的支座，在10MPa壓應(yīng)力下，支座抗剪切變形減少了6.78mm。

3 結(jié)語

通過對帶缺陷狀態(tài)下的支座抗壓、抗剪性能試驗(yàn)研究表明：抗壓彈性模量比標(biāo)準(zhǔn)值小40%的板式橡膠支座，相同壓應(yīng)力的支座豎向變形比成品支座的變形值約大3倍；抗剪彈性模量比標(biāo)準(zhǔn)值大46%的支座，相同剪應(yīng)力下的支座剪切變形比合格支座剪切變形值約小17%。可見支座的抗壓、抗剪彈性模量與其豎向、剪切變形密切相關(guān)。

[1]JT/T 4—2004，公路橋梁板式橡膠支座[S].

[2]黃躍平，胥明，周明華.公路橋梁板式橡膠支座抗壓彈性模量測試[J].橡膠工業(yè)，2006，9（53）：561-564.

[3]胥明，黃躍平，周明華.板式橡膠支座抗剪彈性模量不確定度的研究[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)，2005，45（3）：43-48.

[4]崔俊，王凱，等.疊層橡膠支座在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].河南科學(xué)，2002，20（5）：591-593.

[5]范立礎(chǔ).橋梁工程（上）[M].2版.北京：人民交通出版社，1996.

[6]汪潔，劉健新，童申家.板式橡膠支座設(shè)計承載力與恒載支反力分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，37（3）：378-380.

[7]Husam Najm,Raxit Patel,Hani Nassif.Evaluation of laminated circular elastomeric bearings[J].Journal of Bridge Engineering,2007,12（1）：89-96.

[8]A.Rahman Bhuiyan,Ehsan Ahmed,M.Rafiqul Islam.FE stress analysis of laminated rubber bearings under compression and shear[J].Sustainability of Structures in Civil Engineering,2005，（2）：1604-1611.

[9]Ahmet Yakut,Joseph A Yura.Evaluation of Elastomeric Bearing Performance[J].Journal of Str-uctural Engineering,2002,128（8）：995-1002.