既有山區(qū)高速公路橋梁板式橡膠支座試驗分析研究

文/甘賢軍、陳宇嘯

1 前言

板式橡膠支座具有構(gòu)造簡單、安裝方便、節(jié)省鋼材、價格低廉、養(yǎng)護簡便、易于更換等特點，是我國高速公路橋梁使用最廣泛的橋梁支座。近年來，高速公路橋梁板式橡膠支座的病害呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，部分公路通車不到5年就開始大量更換板式橡膠支座，但其遠未達到設(shè)計使用壽命，這引起了管理方、設(shè)計方及行業(yè)主管部門關(guān)注，已有很多文獻對支座病害原因進行了分析，其主要原因是支座產(chǎn)品使用了再生膠、安裝不合格等[1]。為此，有些地區(qū)出臺了橋梁板式橡膠支座更換和維護的地方標準，為公路橋梁支座管養(yǎng)提供了依據(jù)和技術(shù)支撐。但是，已有文獻針對已使用較長時間的支座性能劣化程度、剩余壽命和力學指標等研究不多，由此本文對更換下來的既有支座進行了一系列力學指標檢測，并取得了很有參考價值的試驗數(shù)據(jù)，為進一步研究橋梁支座有關(guān)問題打下基礎(chǔ)。

2 重慶G42 滬蓉高速萬梁段橋梁概況

G42 滬蓉高速萬梁段位于大巴山區(qū)域，于2003年建成通車，是典型山區(qū)高速公路。其中，主線橋共74 座，預應力混凝土簡支T 梁橋31 座，預應力混凝土簡支空心板橋37 座，連續(xù)剛構(gòu)橋1 座，拱橋5 座。該段橋梁支座主要為板式橡膠支座，簡支T 梁橋板式橡膠支座共4740 個，簡支空心板橋（包括5 座箱型拱橋拱上建筑的8m 實心板）板式橡膠支座共14720 個。經(jīng)過十多年的運營，部分橋梁板式橡膠支座陸續(xù)出現(xiàn)了開裂、老化、剪切變形、橡膠層不均勻鼓突等病害。

3 試驗內(nèi)容

為掌握支座病害對支座使用功能的影響、評估支座剩余使用壽命，選取兩座典型T 梁和空心板橡膠支座進行抽樣檢測，包括支座病害調(diào)查、更換受檢支座，檢測更換下的舊支座力學性能；比對舊支座的檢測數(shù)據(jù)與安裝時的檢測數(shù)據(jù)，分析支座產(chǎn)生病害的原因和防治措施。

支座檢查試驗結(jié)果：共檢查支座45 個，病害等級為3 級的支座共17 個，占37.8%；病害等級為2 級的支座25 個，占55.6%；病害等級為1級的支座共3 個，占6.7%。病害嚴重的支座比例高達37.8%。另外，選取更換下的舊支座進行了極限抗壓強度、抗壓彈性模量、抗剪彈性模量試驗，結(jié)果如下表1、表2、表3。

表1 極限抗壓強度試驗結(jié)果

表2 抗壓彈性模量試驗結(jié)果

表3 抗剪彈性模試驗結(jié)果

4 試驗主要結(jié)論

支座病害現(xiàn)場檢查記錄顯示，支座開裂、局部脫空、不均勻鼓突、剪切變形等病害主要分布在支座縱向前、后側(cè)；支座病害、支座墊石與梁底夾角均出現(xiàn)在縱橋向，表明支座局部脫空、開裂、不均勻鼓突、剪切變形等病害與支座安裝不平關(guān)系密切，如下圖1。橡膠支座病害等級與支座墊石和梁底夾角大小呈正變關(guān)系，夾角越大，即支座水平度越差，支座病害等級越高，如下圖2[2]。

圖1 支座病害與支座不平關(guān)系示意圖

圖2 支座病害等級與支座墊石和梁底夾角的關(guān)系曲線

各病害等級的板式橡膠支座極限抗壓強度均合格。板式橡膠支座局部開裂、膠層不均勻鼓突、剪切變形等病害，對支座的承載能力無明顯影響[3]。

5 支座病害原因分析

5.1 支座病害與支承面水平度存在關(guān)聯(lián)

根據(jù)支座病害現(xiàn)場檢查結(jié)果，支座開裂、局部脫空、不均勻鼓突、剪切變形等病害主要分布在支座縱向前、后側(cè)；而支座墊石頂面、梁底支承面在橫橋方向基本平行，在縱橋方向大多不平行，即梁底支承面縱坡i1≠墊石頂面縱坡i2；墊石頂面與梁底面存在夾角，θ=i1-i2；支座病害、支座墊石與梁底夾角均出現(xiàn)在縱橋向，說明支座局部脫空、開裂、不均勻鼓突、剪切變形等病害與支座安裝不平關(guān)系密切。

5.2 支座病害等級與墊石和梁底間夾角θ存在關(guān)聯(lián)

依據(jù)詳細檢查，病害等級為3 級的支座17個，17 個支座墊石梁底間夾角θ 取平均值，得到∑θi/17 = 1.02°；病害等級為2 級的支座25個，25 個支座墊石梁底間夾角θ 取平均值，得到∑θi/25 = 0.68°；病害等級為1 級的支座3個，3 個支座墊石梁底間夾角θ 取平均值得到∑θi/3 = 0.23°。

支座病害等級與支座墊石和梁底間夾角平均值呈正變關(guān)系，板式橡膠支座病害等級與支座墊石和梁底夾角大小呈正變關(guān)系，夾角越大，即支座水平度越差，支座病害等級越高。

通過以上定性、定量分析，部分橋梁板式橡膠支座病害主要原因為支座上下支承面不平行，進而導致支座局部承壓而出現(xiàn)局部脫空、開裂、鼓突等現(xiàn)象。病害等級與夾角大小呈正變關(guān)系，夾角越大，支座病害越嚴重。

5.3 支座老化原因分析

部分板式橡膠支座表層橡膠出現(xiàn)細密的龜裂裂紋，這是支座老化的表現(xiàn)。

氧化是影響橡膠材料老化的最主要因素。橡膠內(nèi)部與表面的老化程度、速度明顯不同，因為氧在氧化橡膠中的擴散遠比在新橡膠中要慢得多,所以支座表面的橡膠氧化層成為了保護層。值得注意的是，橋梁板式橡膠支座龜裂主要出現(xiàn)在偏壓脫空的支座上；板式橡膠支座在受偏壓部位會產(chǎn)生過大的壓縮或剪切變形，造成支座表面受拉或受壓，進而出現(xiàn)裂紋，使橡膠支座表層的氧化層破壞，失去保護作用，加快橡膠支座內(nèi)部老化。因此，支座安裝不平造成的支座偏壓開裂，是渝宜路萬梁段橋梁支座內(nèi)部老化的重要原因[4]。

6 結(jié)語

病害等級為1 級的支座，抗壓彈性模量、抗剪彈性模量實測值合格，即支座滿足結(jié)構(gòu)變形的使用功能。

病害等級為2 級的支座，其抗壓彈性模量實測值合格，抗剪彈性模量實測值不合格。病害已對支座使用功能產(chǎn)生影響，但通過加強外防護處理或修復，并定期觀察，嚴格控制病害發(fā)展后仍可使用，因此支座病害屬于中度病害。

病害等級為3 級的支座，其抗壓彈性模量實測值為E-E23.3%，略超規(guī)定值（E±E20%），支座的豎向變形、轉(zhuǎn)角功能有輕度影響；抗剪彈性模量實測值不合格；支座不能滿足梁體縱向變形需求。梁體伸長或縮短時，可能帶動支座滑移，甚至出現(xiàn)支座滑出墊石而落梁。另外，因其變形能力差，繼續(xù)使用會加速破損，直至壓潰，不能有效傳遞豎向荷載；同時，還會引起裝配式梁橫向聯(lián)結(jié)損壞，最終可能導致單板受力、梁板斷裂，所以對病害等級達到3 級的支座，建議盡快更換。