支座損傷等級標(biāo)準(zhǔn)評估及更換研究

王建軍，陶俊，鄔曉光

（1.新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830006；2.長安大學(xué)，陜西西安710064）

支座損傷等級標(biāo)準(zhǔn)評估及更換研究

王建軍1，陶俊2，鄔曉光2

（1.新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830006；2.長安大學(xué)，陜西西安710064）

鑒于目前尚無適用于支座損傷等級標(biāo)準(zhǔn)評估研究理論，以新疆支座更換項(xiàng)目為依托的基礎(chǔ)上，針對支座損傷等級的特點(diǎn)，分析了支座損傷劣化機(jī)理，并采用該理論對支座損傷等級標(biāo)準(zhǔn)評估進(jìn)行研究，可為支座更換提供指導(dǎo)，并為新疆地區(qū)支座的更換提供理論支持。

支座；損傷；等級評估；劣化機(jī)理

0　引言

在橋梁結(jié)構(gòu)中，支座是橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)，其作用是將上部結(jié)構(gòu)的荷載順適、安全地傳遞到橋墩臺(tái)上去，同時(shí)保證上部結(jié)構(gòu)在荷載、溫度變化、混凝土收縮等因素作用下的自由變形，以便使結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況符合計(jì)算圖式，并保護(hù)梁端、墩臺(tái)帽不受損傷。這就要求它具有足夠的豎向剛度和彈性，能將橋梁上部結(jié)構(gòu)的全部荷載可靠地傳遞到墩臺(tái)上，并同時(shí)承受由荷載作用引起的橋跨結(jié)構(gòu)端部的水平位移、轉(zhuǎn)角和變形，減輕和緩解橋墩承受的震動(dòng)，適應(yīng)因溫度、濕度變化引起的橋跨結(jié)構(gòu)脹縮。

從支座所處的外界環(huán)境分析，新疆處于干旱和極干旱地區(qū)，多年平均降水量僅147mm，不足全國年平均降水量的1/4，而且受惡劣自然條件的制約，新疆廣大地區(qū)植被總表現(xiàn)為低矮而稀疏，由于低矮、稀疏植被所形成的生物保護(hù)層不健全且功能微弱，使得地表物質(zhì)易受到風(fēng)蝕和搬運(yùn)而形成沙塵暴。而且新疆由于氣候干旱，降水少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤的淋洗作用極其微弱，熱力作用所造成的水分上行過程占優(yōu)勢，造成土壤不同程度鹽漬化。這一系列惡劣的自然條件，使得橋梁支座出現(xiàn)病害的幾率大大增加，病害嚴(yán)重程度增大。支座作為橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的紐帶，在橋梁的建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用，它將直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能和壽命。為了保障橋梁能夠正常、安全的運(yùn)營，研究支座損傷識(shí)別及支座損傷等級標(biāo)準(zhǔn)評估具有重大意義，也是為促進(jìn)交通事業(yè)的發(fā)展的一項(xiàng)重大舉措。

1　支座損傷劣化機(jī)理研究

1.1支座劣化過程

（1）劣化初期（由施工安裝不當(dāng)、設(shè)計(jì)選型失誤和支座內(nèi)在質(zhì)量問題導(dǎo)致）；外鼓（起因膠料質(zhì)量差、膠料混煉不均勻和膠片坑凸不平整、支座內(nèi)部存留著空穴，造成膠層與鋼板膠結(jié)失效）；表面龜裂（外鼓局部應(yīng)變過大、老化、機(jī)械損傷）［1］。

（2）裂紋成長期（由表面應(yīng)變過大、鋼板膠結(jié)失效、老化、疲勞問題導(dǎo)致）。龜裂貫穿、層間裂紋、中度裂紋。

（3）銹蝕期（由裂紋貫穿、鋼板外露、支座運(yùn)行環(huán)境等因素導(dǎo)致）。加強(qiáng)鋼板外露、環(huán)形裂紋向縱深發(fā)展、層間裂紋擴(kuò)展。

（4）失效期（加強(qiáng)鋼板和橡膠喪失工作能力）。支座扭曲、支座失穩(wěn)、壓縮永久變形過大［2］。

板式橡膠支座劣化分類見表1。

表1　板式橡膠支座劣化分類

1.2支座劣化機(jī)理分析

板式橡膠支座為橡膠與鋼板疊合、粘結(jié)而成。由于生產(chǎn)工藝落后造成存在膠片厚薄不均和凹凸不平整、支座內(nèi)部殘留有空穴、固體雜質(zhì)等現(xiàn)象，

由此產(chǎn)生的潛在問題就是層間粘結(jié)失效和膠層初始空穴。在車輛等循環(huán)載荷作用下，此類缺陷在層間界面萌生裂紋并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致脫層破壞。為此，根據(jù)斷裂力學(xué)基本理論等對支座劣化機(jī)理進(jìn)行了分析研究。

膠層間開裂問題與裂紋增長特性

處方階段的用藥錯(cuò)誤發(fā)生在醫(yī)師預(yù)備下達(dá)處方或決定處方的過程中。醫(yī)師在處方階段出現(xiàn)的用藥錯(cuò)誤：混淆患者；處方重復(fù)下達(dá)；使用口頭處方、使用未經(jīng)規(guī)定的縮略語、手寫處方不規(guī)范（如書寫藥品名稱、規(guī)格、劑量、用法用量及給藥途徑時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)）；醫(yī)師專業(yè)知識(shí)不足導(dǎo)致藥品選擇錯(cuò)誤；醫(yī)師業(yè)務(wù)不熟練，缺乏藥物知識(shí)，對藥品的禁忌證不熟悉，聯(lián)合用藥時(shí)未考慮藥品之間的相互作用，藥效相同的藥品重復(fù)使用，聯(lián)合用藥中存在毒性較大的藥品沒有酌情減量等；忽視患者過敏史、忽視藥品使用說明。

根據(jù)JT/4 -2004和AASHT0 M251對抗壓彈性模量的定義和剪切模量值的取值范圍，計(jì)算出臨界壓應(yīng)力分布區(qū)域。根據(jù)形狀因數(shù)不同其疲勞極限應(yīng)力值分布在4～23 MPa之間。當(dāng)橡膠支座的工作應(yīng)力在此應(yīng)力水平之上時(shí)，橡膠支座在周期載荷下可能發(fā)生裂紋并擴(kuò)展。

歐標(biāo)PREN 1337-3：1996對于板式橡膠支座設(shè)計(jì)壓應(yīng)力取值規(guī)定為：σc≤Gs且σc不大于5G；美標(biāo)AASHT0 LRFD 2 000對于橡膠支座（PEP）設(shè)計(jì)壓應(yīng)力取值規(guī)定為：σc≤0.55Gs≤5.5 MPa；對于增強(qiáng)型板式橡膠支座（FGP）設(shè)計(jì)壓應(yīng)力取值規(guī)定為：σc≤1.0×Gs≤5.5 MPa。交通部標(biāo)準(zhǔn)JTG D62 -2004規(guī)定橡膠支座的許用應(yīng)力統(tǒng)一取為10 MPa，過于簡化，缺乏科學(xué)根據(jù)。當(dāng)支座形狀因數(shù)較小時(shí)，支座的工作應(yīng)力將大于疲勞極限值，由于周期載荷的作用，支座表面和內(nèi)部均有可能萌生裂紋。如果再考慮因支座安裝不當(dāng)（三點(diǎn)承力、偏心受力、初始剪切變形過大等現(xiàn)象）或支座質(zhì)量的偏差（內(nèi)部膠層分布不均勻、內(nèi)加強(qiáng)鋼板不平行、局部橡膠-鋼板粘合性差及初始空穴等），這些現(xiàn)象都會(huì)在橡膠支座中造成局部膠層的性能下降或造成局部的應(yīng)力集中，有限元研究表明其應(yīng)力集中因數(shù)高達(dá)16。

值得注意的是，根據(jù)撕裂能理論計(jì)算，隨著形狀因數(shù)的下降，橡膠支座的臨界承載能力也同步下降。當(dāng)形狀因數(shù)由12. 5下降至7時(shí)，橡膠支座的臨界承載能力下降約42% 。

支座設(shè)計(jì)應(yīng)力與形狀因數(shù)的關(guān)系［3］，有文獻(xiàn)根據(jù)有限元計(jì)算研究了橡膠支座設(shè)計(jì)應(yīng)力與形狀因數(shù)的關(guān)系。若支座的設(shè)計(jì)壓應(yīng)力為10 MPa，形狀因數(shù)為5，則支座的最大剪應(yīng)力為平均壓應(yīng)力的1. 63倍，為16. 3 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的膠層與鋼板之間的剝離強(qiáng)度10 MPa，接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的橡膠拉伸強(qiáng)度17 MPa。這說明：當(dāng)支座的形狀因數(shù)較小時(shí)，支座局部（膠層與鋼板結(jié)合邊緣處）的剪應(yīng)力放大因數(shù)高，在相同的設(shè)計(jì)應(yīng)力下，剪應(yīng)力將隨之提高，當(dāng)超出剝離強(qiáng)度時(shí)，膠層容易與鋼板剝離，形成空穴或裂紋，出現(xiàn)損傷現(xiàn)象。若膠層與鋼板之間的剝離強(qiáng)度10 MPa為控制應(yīng)力，則在設(shè)計(jì)壓應(yīng)力為10 MPa時(shí)，支座的形狀因數(shù)至少應(yīng)大于8。當(dāng)支座的形狀因數(shù)小于8時(shí)，支座設(shè)計(jì)應(yīng)力應(yīng)隨形狀因數(shù)大小進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。這在JTG 023 -1985《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］得到了體現(xiàn)。即板式橡膠支座的許用應(yīng)力或設(shè)計(jì)應(yīng)力與形狀因數(shù)是有緊密關(guān)聯(lián)的。形狀因數(shù)與支座幾何尺寸、膠層及鋼板厚度、支座力學(xué)性能息息相關(guān)。設(shè)計(jì)者必須根據(jù)實(shí)際負(fù)載設(shè)計(jì)或選擇板式橡膠支座，確保板式橡膠支座有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，并應(yīng)保證橡膠支座工作應(yīng)力在疲勞極限應(yīng)力內(nèi)。這有利于延長橡膠支座使用壽命和確保橋梁的安全營運(yùn)。然而，目前我國的支座設(shè)計(jì)人員和生產(chǎn)廠家技術(shù)人員對上述機(jī)理缺乏認(rèn)識(shí)，橡膠支座的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)處于盲目狀態(tài)，所以目前公路橋梁使用的板式橡膠支座不僅僅通車后損壞率高，未通車的橋梁支座也在大量損壞（過早顯現(xiàn)并加速了支座劣化進(jìn)程）。

1.3老化變質(zhì)現(xiàn)象

自19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)橡膠在使用過程中有老化變質(zhì)現(xiàn)象以來，普遍認(rèn)為氧氣的作用是引起橡膠老化的原因。因此，可以用吸氧量來表征橡膠老化的程度和速度，建立氧氣消耗速率與橡膠物理性能變化的關(guān)系。

支座老化的內(nèi)在原因有：高分子材料本身結(jié)構(gòu)上的弱點(diǎn)，如化學(xué)組成（分子鏈的組成元素）、分子鏈結(jié)構(gòu)（分子鏈的長度、有機(jī)基團(tuán)在鏈上的分布）、物理結(jié)構(gòu)（結(jié)晶性、玻璃化溫度及卷曲程度）；加工后高聚物中產(chǎn)生的新弱點(diǎn)（高分子鏈斷裂及氧化等）；添加劑如抗氧劑、增塑劑、交聯(lián)劑及有機(jī)溶劑等對材料的影響。

實(shí)驗(yàn)研究表明，橡膠在恒定表面張力作用下，經(jīng)過一定時(shí)間后，其表面必將萌生龜裂。這正是一些橋梁橡膠支座在產(chǎn)生外鼓后，即使尚未通車，也會(huì)在外鼓層出現(xiàn)龜裂。龜裂與層間橡膠外鼓相伴生成，這正是因與果的關(guān)系。橡膠支座的承壓力（恒載）和支座形狀因數(shù)決定了支座的外鼓量，形狀因數(shù)小則外鼓量大。如何控制支座的外鼓量于設(shè)計(jì)選型直接有關(guān)，因此，我們還需要進(jìn)一步論證合理的設(shè)計(jì)選型和外鼓量的控制值的關(guān)系。

2　支座損傷等級標(biāo)準(zhǔn)評估

2.1支座劣化等級評定

支座是連接橋梁上下部結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，其主要功能是將上部結(jié)構(gòu)承受的各種荷載傳遞給墩臺(tái)，并能適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)因荷載、溫度變化、混凝土收縮等原因產(chǎn)生的變形，以及減震、隔振的功能，使上部結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力符合設(shè)計(jì)要求。如果支座不能滿足上部結(jié)構(gòu)受力、變形的要求，即認(rèn)為支座失效［5］。

板式橡膠支座劣化等級評定見表2。

2.2板式橡膠支座的失效條件

公路橋梁板式橡膠支座的失效條件為：

（1）按劣化標(biāo)準(zhǔn)判斷，同一蓋梁上劣化等級為四類和五類的支座個(gè)數(shù)達(dá)到梁支座總數(shù)的20%以上，或相鄰兩支座劣化等級均為四類和五類。

（2）按失效條件判斷，同一蓋梁上的支座達(dá)到以上失效條件的個(gè)數(shù)超過支座總數(shù)的20%以上，或相鄰兩支座均達(dá)到以上失效條件。

（3）相鄰兩支座永久壓縮變形差超過支座厚度的5%。

3　結(jié)論

板式橡膠支座如果達(dá)到失效條件，必須進(jìn)行更換，還未達(dá)失效條件的支座以維修為主。板式橡膠支座更換應(yīng)遵循以下原則：

（1）一個(gè)支座失效，本跨同排支座需全部更換。因隨支座使用時(shí)間增長，支座逐漸老化，其彈模逐漸增大，新舊支座彈模不同，在荷載作用下受力不同，受力大的舊支座會(huì)過早損壞。同時(shí)舊支座存在永久變形，與新支座高度不同，墊石頂面標(biāo)高調(diào)整困難。

（2）偏壓、脫空、壓潰支座處應(yīng)調(diào)整支座墊石和梁底的標(biāo)高及平整度，確保支座受力均勻。

（3）支座型號應(yīng)滿足承載力及上部結(jié)構(gòu)變形需要。

（4）支座更換應(yīng)避開極端氣溫易出現(xiàn)的1月、7月份，盡量在春秋季更換，避免支座變形過大。當(dāng)需要在極端氣溫更換時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大支座厚度，滿足上部結(jié)構(gòu)變形要求。

（5）超靜定結(jié)構(gòu)橋梁支座脫空或壓潰時(shí)，應(yīng)檢查各支承點(diǎn)處的沉降、各支座永久壓縮變形，依此計(jì)算支座的最大豎向壓力和可能出現(xiàn)的最大上拔力，選擇適宜支座類型和型號［6］［7］。

［1］ 黃躍平，胥明，周明華.板式橡膠支座膠層厚度不均勻?qū)αW(xué)性能的影響［A］.2005橋梁隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)研討會(huì)［C］.2005.

［2］ 楊曉翔.橡膠一鋼雙材料界面斷裂韌性的實(shí)驗(yàn)測定［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，22（6）：65-67，104.

［3］ 胥明，黃躍平，周明華.板式橡膠支座形狀系數(shù)與損傷關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究［R］.2005.

［4］ JTG62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］ 王樹芝.鐵路板式橡膠支座失效條件和使用壽命的研究［J］.鐵道建筑，2003（7）：27-29.

［6］ JT/T4-2004，公路橋梁板式橡膠支座［S］.

［7］ 周明華，葛寶翔.公路橋梁橡膠支座的使用壽命與應(yīng)用對策［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2005，38（6）：95-99.

表2　板式橡膠支座劣化等級評定

U448.2

A

1009-7716（2015）01-0075-03

2014-09-02

王建軍（1973-），男，新疆烏魯木齊人，高級工程師，從事公路勘察設(shè)計(jì)工作。