循環荷載下橋梁板式橡膠支座剪切滑移特征及處理方法研究

橋梁板式橡膠支座是我國公路梁橋結構體系的重要構件，但普遍存在因剪切引起的滑移和變形問題。為改善車輛循環荷載下橋梁板式橡膠支座剪切滑移問題，文章提出一種利用雙面砂紙改變橡膠支座接觸條件的方法，并基于室內循環剪切試驗驗證了該方法的可行性。研究表明，采用雙面砂紙能夠有效增大橡膠支座與橋梁間的摩擦力，從而大幅減小了循環剪切條件下橡膠支座的滑移現象，增強了橡膠支座的抗剪切變形能力。

循環剪切;橋梁橡膠支座;循環荷載;剪切變形;滑移

文獻標識碼：U443.36-A-32-106-3

0 引言

橋梁板式橡膠支座是我國公路梁橋結構體系的重要構件，但普遍存在著由剪切引起的滑移和變形問題，因此，如何改善橋梁橡膠支座工作環境從而提升其抗剪切變形能力，具有重要研究意義[1-3]。

由于橋梁支座病害嚴重，引起了我國學者的廣泛關注[4-8]。李悅等[9]對其極限剪切破壞狀態展開了系統研究，深入研究不同固定方式下板式橡膠支座的抗震性能。徐略勤等[10]深入研究了四川地震后的震害調查資料，并深入分析了橋梁板式橡膠支座橫向震害特征及力學機理，進一步提出通過提高傳統擋塊的變形角度，能夠有效改善板式橡膠支座摩擦滑移，實現預期的抗震目標。

上述研究采取不同方式研究振動荷載對橋梁橡膠支座滑移現象的影響，但提出的解決方法均比較復雜。本文提出一種利用砂紙增大接觸摩阻力的方法，從而實現有效增大橡膠支座抗剪切變形能力，較好地解決了橋梁板式橡膠支座的滑移問題。

1 工程概況

本次研究依托于廣西某立交橋老舊橋梁改造工程。橋梁呈東西向，全長約525.15 m。橋梁左右幅均采用雙立柱式橋墩，以保持橋面的穩定性。橋面鋪裝厚200 mm的防水混凝土及100 mm厚的瀝青混凝土作為防水層，以滿足該分離式立交橋長期運營的防水要求。根據現場調查結果反饋，由于交通流量大、橋梁使用年限較長等原因，該橋梁的橋梁板式橡膠支座出現了嚴重的磨損、滑移和變形問題，亟須處理。

2 試驗設計

2.1 工況設計

本次試驗的主要目的是研究不同工況下橋梁板式橡膠支座剪切變形特征及工程性能，因此設計了無砂紙、單面砂紙和雙面砂紙三種不同工況下的橋梁板式橡膠支座循環剪切試驗（見圖1）。板式橡膠支座為圓盤形支座，圓盤直徑為300 mm，圓盤支座總厚度為63 mm，支座橡膠厚度為45 mm。見表1。

2.2 試驗方案

采用穩定軸壓σ1為10 MPa、變水平應力方式進行循環剪切實驗，試驗加載方式如圖2所示。本次剪切試驗操作步驟如下：（1）將加載儀器上下表面清理干凈，避免雜物出現使得在試樣受力面出現受力不均現象;（2）放置試樣于加載儀器上，調整試樣位置，使試樣幾何中心位于加載儀器中心軸線上。手動控制使試樣夾持在儀器上，接觸力控制在0.5～1 kN;（3）采用力控模式將軸向應力提升至10 MPa，加載速率為10 kN/min;（4）采用力控模式按照圖2所示加載路徑進行加載，加載速率為10 kN/min。當總剪應變達到4%時或加卸載循環次數>10時停止試驗;（5）全程采用程序控制，自動記錄試驗結果數值。

3 試驗結果分析

3.1 剪應力-應變曲線

圖3為不同接觸工況條件下橋梁板式橡膠支座剪應力-應變曲線圖。由圖3可知，在無砂紙條件下，橡膠支座在第二個加卸載循環的加載過程中剪應變已達到4%，而單面砂紙工況下則能承受到第三個加卸載循環，雙面砂紙工況下橡膠支座的抗剪切性能最優，其在第10個加卸載循環后仍未破壞。此外，進一步觀察到，隨著接觸條件的變化，橡膠-砂紙接觸面越多，則支座的抗剪切變形能力越強。對于無砂紙情況，循環荷載下橡膠支座的剪切變形現象十分明顯，在第二個循環加載過程中橡膠支座的剪切變形已達到最大，此時橫向剪應力為0.9 MPa，支座剪應變為4%。對于單面砂紙工況下，橡膠支座在第一個循環加卸載的水平應力為0.9 MPa時，其最大剪應變為2.98%，較無砂紙工況下降低25.5%。而在雙面砂紙工況下，橡膠支座的抗剪切變形能力有著非常明顯的提升，在10次剪切加卸載循環后其最大剪應變僅達到1.43%。綜上所述可知，橋梁橡膠支座在車輛循環荷載作用下會產生一定的剪切變形和滑移，但通過改變橡膠支座的接觸條件，能夠大幅度提升其在循環荷載影響下的變形能力，從而有效克服了橋梁橡膠支座剪切滑移問題。

3.2 支座有效剪應變

在進行橋梁板式橡膠支座循環剪切試驗過程中，由于支座與加載板之間會產生相互滑動，因此產生的總剪應變實際上由橡膠支座的有效剪應變及滑移應變組成。有效剪應變是分析橡膠支座變形的重要參數，基于剪應力-應變曲線得到橋梁橡膠支座的有效剪應變隨剪應力的變化關系如下頁圖4所示。由圖4可知，對于不同工況下的橡膠支座，隨著剪應力的逐漸增大，其有效剪應變亦逐漸增大，有效剪應變和剪應力之間呈線性正相關關系，相關系數R2均>0.98。進一步觀察到，在相同的剪應力作用下，橡膠支座的有效剪應變符合雙面砂紙>單面砂紙>無砂紙的變化規律，當水平剪應力達到1.0 MPa時，無砂紙情況下橡膠支座的有效剪應變為1.08%，單面砂紙和雙面砂紙情況下的有效剪應變較無砂紙情況分別增大26.59%和44.67%。分析認為，在無砂紙情況下，橡膠支座和加載板之間的摩擦較小，因此在剪切作用下其發生了很大剪切滑移而橡膠支座本身發生的剪切變形卻比較小;而雙面砂紙情況下橡膠支座的滑移很小，因此其有效剪應變與總應變值接近一致。有效剪應變分析結果表明，在車輛循環荷載作用下無砂紙接觸會導致橡膠支座與橋梁板之間產生很大滑移且其對剪應力的承載效果較差，這也是我國大多數板式橋梁橡膠支座產生較大橫向滑移的原因。因此可見，通過采用添加雙面砂紙、增大橡膠支座與橋梁板和橋墩之間摩擦力的方式，能夠有效改善橋梁橡膠支座的滑移問題。

3.3 支座剪切剛度

《公路橋梁抗震設計細則》中橋梁橡膠支座剪切剛度計算方法如式（1）所示[11]：

K=G（A/te）（1）

式中：K——剪切剛度（kN/m）;

G——橡膠支座的剪切模量（kPa）;

A——橡膠支座的剪切面積（m2）。

由此可得到橡膠支座的剪切剛度設計值。進一步根據《公路橋梁板式橡膠支座》規定[12]，橡膠支座的剪切模量計算方法如式（2）所示：

G=τ1.0-τ0.3γ1.0-γ0.3（2）

式中：τ0.3——水平應力為0.3 MPa條件下材料的剪應力（MPa）;

τ1.0——水平應力為1.0 MPa條件下材料的剪應力（MPa）;

γ0.3——水平應力為0.3 MPa條件下材料的剪應變;

γ1.0——水平應力為1.0 MPa條件下材料的剪應變。

基于剪應力-應變曲線及式（1）、式（2）可得到不同工況下橡膠支座的剪切剛度計算結果如表2所示。由表2可知，隨著剪應變的增大，橡膠支座的剪切剛度也逐漸增大;隨著接觸面砂紙數目的增大，橡膠支座的剪切剛度也逐漸增大，這表明增加砂紙能促進橡膠材料的抗剪切能力。

4 結語

為研究三種不同接觸條件下橋梁板式橡膠支座的抗剪切能力，室內設計了無砂紙、單面砂紙和雙面砂紙三種不同工況下橡膠支座的循環剪切試驗。研究主要結論如下：

（1）橋梁橡膠支座在車輛循環荷載作用下會產生一定的剪切變形和滑移，但通過改變橡膠支座的接觸條件，能夠大幅度增大其在循環荷載影響下的變形能力，從而有效克服橋梁橡膠支座剪切滑移問題。雙面砂紙工況下，橡膠支座的抗剪切變形能力有著非常明顯的提升，在10次剪切加卸載循環后其最大剪應變僅達到1.43%。

（2）通過采用添加雙面砂紙，增大橡膠支座與橋梁板、橋墩之間摩擦力的方式，使橡膠支座產生的滑移很小，其有效剪應變與總應變值接近一致。

參考文獻

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[12]JT/T 4-2004，公路橋梁板式橡膠支座[S].

收稿日期：2021-03-18

作者簡介：

鐘學文（1984—），工程師，主要從事道路橋梁檢測工作。