凍融條件下公路橋梁板式天然橡膠支座初步研究

【摘要】為研究板式天然橡膠支座在凍融交替循環(huán)環(huán)境下能否按預(yù)定的要求起到其應(yīng)有的效果，及力學(xué)性能的改變情況，設(shè)計(jì)將一批橡膠支座置于標(biāo)準(zhǔn)凍融試驗(yàn)箱中，控制一定的溫度與濕度，分別進(jìn)行25次、50次、75次、100次和150次凍融循環(huán)處理，模擬自然界中我國(guó)北方大部分地區(qū)冬季凍融交替環(huán)境對(duì)天然橡膠支座的影響。對(duì)經(jīng)處理過(guò)的試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，從極限抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量、抗剪彈性模量、豎向剛度及水平等效剛度等方面研究其力學(xué)性能的變化。采用最小二乘法建立天然橡膠支座的衰減模型，推導(dǎo)出相應(yīng)的擬合曲線(xiàn)及衰減函數(shù)，用于粗略估算環(huán)境因子對(duì)于橡膠支座力學(xué)性能的改變情況。

【關(guān)鍵詞】橡膠支座；凍融處理；力學(xué)性能

一、 試件設(shè)計(jì)

依據(jù)交通部《公路橋梁板式橡膠支座規(guī)格系列》（JT/T663-2006）選取試件，選取GJZ200×300×41（NR），分為6組，其中1組為自然狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)試件，其余5組為經(jīng)不同凍融循環(huán)處理過(guò)的試件，凍融處理的次數(shù)分別為25、50、75、100和150次。

二、 處理過(guò)程

所有橡膠支座做凍融處理，凍融循環(huán)次數(shù)分別為25、50、75、100和150次，在高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱中進(jìn)行。經(jīng)過(guò)凍融處理后，天然橡膠支座的外形尺寸發(fā)生了細(xì)微變化，故須在試件處理前后對(duì)其進(jìn)行尺寸測(cè)量。尺寸測(cè)量的具體方法參照《公路橋梁板式橡膠支座技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JT/T4-2004）進(jìn)行。經(jīng)凍融處理后，天然橡膠支座較處理前從外形、尺寸等各方面均未發(fā)生明顯變化，可以忽略不計(jì)。

三、 加載方案

采用千斤頂進(jìn)行加載。

四、 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)開(kāi)始初期，位移較荷載變化快，橡膠支座出現(xiàn)較明顯的壓縮變形，但變形處在彈性發(fā)展階段，無(wú)明顯裂紋出現(xiàn)；隨著荷載的增加，荷載-位移曲線(xiàn)基本呈線(xiàn)性規(guī)律持續(xù)變化，在達(dá)到3000kN左右，荷載增加較位移減緩，出現(xiàn)較明顯的塑性變形，水平及豎向均發(fā)生較大位移，橡膠支座表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋，支座四周邊緣開(kāi)始出現(xiàn)鼓凸現(xiàn)象，鋼板與橡膠粘合處出現(xiàn)脫膠痕跡，支座下方橡膠層發(fā)生外翻現(xiàn)象并伴有壓潰的趨勢(shì)，荷載繼續(xù)增加，荷載-位移曲線(xiàn)漸漸趨于平緩；當(dāng)接近極限荷載時(shí)，荷載陡然下降，水平及豎向位移出現(xiàn)少量回縮現(xiàn)象，試件壓潰破壞。試驗(yàn)現(xiàn)象主要是橡膠層大面積開(kāi)裂，開(kāi)裂處殘留有絮狀橡膠碎屑，鋼板斷裂，呈層狀破壞分布，試件較試驗(yàn)前有明顯脹大且彎曲嚴(yán)重，觀察試件四周邊緣可以發(fā)現(xiàn)一圈明顯的脫膠痕跡。從各組試件的破壞現(xiàn)象來(lái)看，標(biāo)準(zhǔn)試件較經(jīng)凍融處理過(guò)的試件彈性階段要長(zhǎng)，極限承載力更大；而經(jīng)凍融處理過(guò)的試件，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，彈性階段縮短及極限承載力降低更為明顯，試件出現(xiàn)更多、更寬、更長(zhǎng)的裂縫，破壞更為嚴(yán)重。

五、 結(jié)果分析

天然橡膠支座為彈塑性體，在工程實(shí)際應(yīng)用中，彈性階段的力學(xué)性能研究更具有實(shí)踐價(jià)值，對(duì)于不同的凍融環(huán)境處理，其各項(xiàng)指標(biāo)呈現(xiàn)出的不同變化情況。

處在彈性階段的矩形板式天然橡膠支座，其極限承載力、極限抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加、凍融損傷程度的加深而不斷減小。同時(shí)，經(jīng)凍融處理過(guò)的試件其水平及豎向位移較標(biāo)準(zhǔn)試件要小，但從試驗(yàn)現(xiàn)象中觀察到，位移越小，試件破壞的越為嚴(yán)重，而變形、裂縫越為明顯。

依據(jù)《軍用設(shè)備氣候極值》（GJB1172.11-91）全國(guó)180個(gè)測(cè)站年凍融循環(huán)單站記錄，我國(guó)東北、華北和西北地區(qū)（除青海），平均年凍融循環(huán)日數(shù)單站最大值一般為60-130天，35°N-12°N范圍內(nèi)為高值區(qū)，在80-130天之間。根據(jù)1961-2007年我國(guó)累年年平均氣溫年較差的空間分布圖，我國(guó)氣溫年較差從南向北隨緯度的升高而增大，直到黑龍江漠河地區(qū)達(dá)到最大值49℃。黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、新疆地區(qū)平均氣溫年較差大多在40℃左右。而本實(shí)驗(yàn)采用的凍融循環(huán)溫差約為35℃，據(jù)此，本試驗(yàn)中的25、50、75、100、150次凍融循環(huán)處理分別相當(dāng)于自然環(huán)境中1、2、3、4、5年的情況。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，極限抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，但不會(huì)一直減少，當(dāng)達(dá)到一定程度后下降過(guò)程變得很慢而趨于穩(wěn)定，基本符合指數(shù)函數(shù)的規(guī)律：

（1）

式中，n為侵蝕年數(shù)；Ru為極限抗壓強(qiáng)度。

將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，公式理論計(jì)算值與試驗(yàn)值比值平均值為0.994，標(biāo)準(zhǔn)差為0.054，變異系數(shù)為5.476%，由此說(shuō)明，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的矩形板式天然橡膠支座極限抗壓強(qiáng)度的衰減函數(shù)與現(xiàn)實(shí)情況基本吻合。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到不同凍融處理?xiàng)l件下的矩形板式橡膠支座抗壓彈性模量，采用最小二乘法擬合得到50年天然橡膠支座抗壓彈性模量的衰減曲線(xiàn)。且隨著凍融循環(huán)處理程度的加深，抗壓彈性模量呈下降趨勢(shì)，基本符合指數(shù)函數(shù)的規(guī)律：

（2）

式中，n為侵蝕年數(shù)；E1為抗壓彈性模量。

將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，公式理論計(jì)算值與試驗(yàn)值比值平均值為1.002，標(biāo)準(zhǔn)差為0.050，變異系數(shù)為5.000%，由此說(shuō)明，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的矩形板式天然橡膠支座抗壓彈性模量的衰減函數(shù)與現(xiàn)實(shí)情況基本吻合。

矩形板式天然橡膠支座豎向剛度的大小，隨著豎向荷載的增加而呈現(xiàn)出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，在2000kN左右，豎向剛度達(dá)到最大值，即荷載-位移曲線(xiàn)斜率最大處，而后隨著豎向荷載的增大而不斷減少，試件變形速度加快。同時(shí)，豎向剛度直接影響橡膠支座受力變形的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性越差，越容易發(fā)生破壞，而標(biāo)準(zhǔn)試件的豎向剛度均大于經(jīng)凍融處理過(guò)的試件。

六、 小結(jié)

（1）經(jīng)凍融處理過(guò)的矩形板式天然橡膠支座，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，局部變形越為明顯，彈性階段縮短，更容易發(fā)生脆性破壞，試件變形越大，橡膠層開(kāi)裂及鋼板暴露斷裂現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

（2）經(jīng)凍融處理過(guò)的矩形板式天然橡膠支座的極限抗壓強(qiáng)度不如標(biāo)準(zhǔn)試件，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，極限抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，采用最小二乘法建立天然橡膠支座極限抗壓強(qiáng)度的衰減模型，得到50年板式天然橡膠支座極限抗壓強(qiáng)度的衰減函數(shù)及衰減曲線(xiàn)。

（3）經(jīng)凍融處理過(guò)的矩形板式天然橡膠支座的抗壓彈性模量不如標(biāo)準(zhǔn)試件，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗壓彈性模量呈下降趨勢(shì)。同樣，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，采用最小二乘法建立天然橡膠支座抗壓彈性模量的衰減模型，得到50年板式天然橡膠支座抗壓彈性模量的衰減函數(shù)及衰減曲線(xiàn)。

作者簡(jiǎn)介：王曉強(qiáng)（1987-），男，漢族，遼寧省丹東市人，中鐵九局第六工程有限公司助理工程師，學(xué)歷：本科