基于酸腐蝕的板式氯丁橡膠支座受壓試驗(yàn)研究＊

張延年 馬 良 劉 寧 鄭 怡 沈小俊 高 飛

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院1） 沈陽(yáng) 110168） （遼寧省建筑材料監(jiān)督檢驗(yàn)院2） 沈陽(yáng) 110032）（重慶市公路工程質(zhì)量檢測(cè)中心3） 重慶 400060）

隔振技術(shù)對(duì)于降低橋梁地震反應(yīng)具有良好的效果［1］，公路橋梁橡膠支座具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、無(wú)需養(yǎng)護(hù)、易于更換、緩沖隔振等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于公路橋梁中．國(guó)外很多國(guó)家針對(duì)橡膠支座的可靠性和耐久性等都出臺(tái)了相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也針對(duì)橡膠支座頒布了多部有關(guān)橡膠支座的設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程細(xì)則、指南、手冊(cè)等［2］，其中對(duì)氯丁橡膠支座提出了相關(guān)試驗(yàn)方法、檢測(cè)方法等．李慧、由世岐等［3－4］研究了低溫條件對(duì)橡膠支座垂直壓縮剛度和水平剛度的影響．許冬華［5］等研究了不同環(huán)境溫度對(duì)支座抗壓彈性模量、抗剪彈性模量的影響．但是基于酸腐蝕的公路橋梁板式氯丁橡膠支座的研究十分匱乏，考慮酸腐蝕條件下的氯丁橡膠支座的受力性能研究具有重要的意義．因此對(duì)公路橋梁板式氯丁橡膠支座進(jìn)行不同時(shí)間長(zhǎng)度的酸腐蝕處理，并對(duì)其受壓性能進(jìn)行試驗(yàn)研究．

1 試驗(yàn)概況

1．1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)公路橋梁板式氯丁橡膠支座規(guī)格系列［6］選取公路橋梁板式氯丁橡膠支座的規(guī)格為GJZ200×300×41（CR），試件由衡水鑫力工程橡膠有限公司提供，其材料屬性見(jiàn)表1．

表1 氯丁橡膠支座材料屬性

氯丁橡膠支座共分為5組試件，其中1組為標(biāo)準(zhǔn)試件，在自然條件下不做任何處理，其他4組試件分別進(jìn)行20，40，60，80d的酸腐蝕處理，試件分組情況見(jiàn)表2．

表2 氯丁橡膠支座酸腐蝕處理分組

1．2 試件酸腐蝕處理

4組進(jìn)行酸腐蝕處理的公路橋梁氯丁橡膠支座都浸泡在3．0%的硫酸溶液中，根據(jù)表2的要求對(duì)試件進(jìn)行不同天數(shù)的腐蝕，圖1為正在進(jìn)行酸腐蝕處理的公路橋梁板式氯丁橡膠支座．

圖1 試件酸腐蝕形態(tài)

1．3 試驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

試驗(yàn)在沈陽(yáng)建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行．采用5 000kN壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行豎向加載，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，W1～W6為位移計(jì)，W1～W4分別測(cè)量試件水平方向位移，W5和W6分別測(cè)量試件兩端豎向位移；Y1～Y12為應(yīng)變片，分別對(duì)試件的局部應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)．

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖

1．4 加載制度

首先進(jìn)行預(yù)壓．將壓應(yīng)力以0．03～0．04 MPa／s速率連續(xù)地增至平均壓應(yīng)力σ＝10MPa，持荷2min，然后以連續(xù)均勻的速度將壓應(yīng)力卸至1．0MPa．然后進(jìn)行正式加載，采用分級(jí)加載，加載自1．0MPa開(kāi)始，將壓應(yīng)力以0．03～0．04 MPa／s的速率均勻加載，每級(jí)荷載增量約為2 MPa，每級(jí)持荷2min，待穩(wěn)定后采集支座各個(gè)方向變形值，再進(jìn)行下一級(jí)加載，直至加載到10 MPa，然后以連續(xù)均勻的速度卸載至壓應(yīng)力為1．0 MPa．10min后進(jìn)行下一加載循環(huán)，加載過(guò)程連續(xù)進(jìn)行3次，最后1次直接加載至試件抗壓強(qiáng)度不小于70MPa，試件發(fā)生破壞．要求相同位置的各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)基本保持一致，偏差控制在15%左右．

2 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

在豎向荷載加載至開(kāi)裂荷載前，試件的水平和豎向方向位移均隨荷載增加不斷增大．當(dāng)豎向荷載加載至開(kāi)裂荷載左右時(shí)，試件上下表面的4個(gè)邊緣開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)微裂縫．繼續(xù)增加荷載，裂縫長(zhǎng)度和寬度隨荷載增大繼續(xù)增加，水平方向位移也急劇增加，豎向壓縮變形卻隨荷載的增加變化緩慢．當(dāng)荷載加載至試件的破壞荷載時(shí)，試件的裂縫基本不再增加，各個(gè)方向的位移也變化較小．酸腐蝕后的氯丁橡膠支座的彈性階段明顯縮短，且腐蝕時(shí)間越長(zhǎng)，彈性階段越短，且更容易發(fā)生脆性破壞．

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3．1 各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比分析

分別對(duì)支座外形的初始尺寸和腐蝕后的尺寸進(jìn)行測(cè)量，采用鋼直尺、游標(biāo)卡尺及量規(guī)進(jìn)行量測(cè)；支座外觀質(zhì)量采用目測(cè)方法或量具逐塊進(jìn)行檢查，不同腐蝕條件下公路橋梁氯丁橡膠支座的尺寸變化、極限抗壓強(qiáng)度和壓應(yīng)力為70MPa下對(duì)應(yīng)的各向位移見(jiàn)表3．

表3 氯丁橡膠支座各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比

不同腐蝕條件下的公路橋梁板式氯丁橡膠支座尺寸有微小變形，但沒(méi)有出現(xiàn)側(cè)面裂紋、鋼板外露、掉塊、崩裂等現(xiàn)象，符合規(guī)范中的規(guī)定．對(duì)比5組試件的極限抗壓強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)酸腐蝕處理過(guò)的極限抗壓強(qiáng)度要低于標(biāo)準(zhǔn)試件的極限抗壓強(qiáng)度．隨著腐蝕程度的加深，公路橋梁板式氯丁橡膠支座的極限抗壓強(qiáng)度有逐漸降低的趨勢(shì)．

3．2 極限抗壓強(qiáng)度分析

根據(jù)文獻(xiàn)［7］，沈陽(yáng)每年發(fā)生酸雨的頻率約為16．69%，采用3．0%的硫酸溶液進(jìn)行20d快速腐蝕相當(dāng)于1a的酸雨腐蝕．采用最小二乘法擬合50a的氯丁橡膠支座的極限抗壓強(qiáng)度衰減曲線如圖3所示，其衰減模型為

式中：x為腐蝕年數(shù)；y為極限抗壓強(qiáng)度．

圖3 極限抗壓強(qiáng)度衰減曲線

公式計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，公式計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果的比值平均值為1．0034，標(biāo) 準(zhǔn) 差 為 0．051，變 異 系 數(shù) 為0．051，結(jié)果表明公路橋梁板式氯丁橡膠支座的極限抗壓強(qiáng)度的衰減模型擬合公式與實(shí)際情況符合較好．

3．3 豎向剛度分析

實(shí)測(cè)壓縮豎向剛度為

式中：P1為第3次循環(huán)加載時(shí)的較小壓力；P2為第3次循環(huán)加載時(shí)的較大壓力；Y1為第3次循環(huán)加載時(shí)的較小位移；Y2為第3次循環(huán)加載時(shí)的較大位移．

豎向荷載與豎向剛度曲線見(jiàn)圖4．公路橋梁板式氯丁橡膠支座的豎向剛度與豎向荷載有關(guān)，隨著豎向荷載的增大，豎向剛度呈逐漸下降的趨勢(shì)．5組試件中經(jīng)過(guò)酸腐蝕處理的公路橋梁板式氯丁橡膠支座的豎向剛度要小于標(biāo)準(zhǔn)試件．

圖4 荷載－豎向剛度曲線

3．4 彈性模量分析

實(shí)測(cè)抗壓彈性模量為

式中：E1為試樣實(shí)測(cè)抗壓彈性模量計(jì)算值，精確至1MPa；σ4，ε4分別為第4MPa級(jí)試驗(yàn)荷載下壓應(yīng)力和累計(jì)壓縮應(yīng)變值；σ10，ε10分別為第10 MPa級(jí)試驗(yàn)荷載下的壓應(yīng)力和累計(jì)壓縮應(yīng)變值．

圖5 抗壓彈性模量衰減曲線

采用最小二乘法擬合成50年氯丁橡膠支座的抗壓彈性模量衰減曲線（見(jiàn)圖5），其衰減模型為：

式中：x為腐蝕年數(shù)；z為抗壓彈性模量．

抗壓彈性模量試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比見(jiàn)表4，公式計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的比值平均值為1．005 5，標(biāo)準(zhǔn)差為0．011，變異系數(shù)為0．010，結(jié)果表明抗壓彈性模量的衰減模型與實(shí)際符合較好．

表4 抗壓彈性模量試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比MPa

4 結(jié) 論

1）腐蝕時(shí)間越長(zhǎng)，公路橋梁板式氯丁橡膠支座的局部變形越明顯，彈性階段縮短，更容易發(fā)生脆性破壞，加載后的試件四邊橡膠裂縫開(kāi)裂越大，鋼板外露現(xiàn)象明顯．

2）經(jīng)過(guò)酸腐蝕處理的公路橋梁板式氯丁橡膠支座的抗壓承載能力和極限抗壓強(qiáng)度小于標(biāo)準(zhǔn)試件，其下降趨勢(shì)比較明顯．采用最小二乘法建立的氯丁橡膠支座極限抗壓強(qiáng)度衰減模型與實(shí)際情況符合較好．

3）酸雨腐蝕對(duì)公路橋梁板式氯丁橡膠支座的豎向剛度和實(shí)測(cè)彈性模量影響較大，且下降趨勢(shì)十分顯著，采用最小二乘法擬合的氯丁橡膠支座抗壓彈性模量衰減模型與實(shí)際情況符合較好．

4）當(dāng)腐蝕到一定程度，極限抗壓強(qiáng)度、豎向剛度和抗壓彈性模量等已無(wú)法滿足實(shí)際工程要求，建議在實(shí)際工程中要避免氯丁橡膠支座受到酸腐蝕的破壞．

［1］馬涌泉，陳水生．基于自振與頻譜特性影響的LRB連續(xù)梁橋隔震效果研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（7）：101－106．

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部．鐵路橋梁板式橡膠支座TB／T1893—2006［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007．

［3］李 慧，鄧學(xué)晶，杜永峰，等．寒區(qū)疊層橡膠隔震支座擬靜力試驗(yàn)研究［J］．低溫建筑技術(shù)，2003（4）：33－35．

［4］由世岐，劉 斌，樓永林．低溫環(huán)境對(duì)疊層橡膠支座變形特性影響的試驗(yàn)研究［J］．東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，26（3）：297－299．

［5］許東華，吳華豐，王建芬．環(huán)境溫度對(duì)氯丁橡膠支座壓剪性能試驗(yàn)的影響［J］．公路，2010（1）：76－78．

［6］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部．JT／T663—2006公路橋梁板式橡膠支座規(guī)格系列［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007．

［7］洪 也，董德文，馬雁軍．2004～2008年遼寧酸雨時(shí)空分布特征研究［J］．氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，25（2）：28－32．