□文/馬 強

支座作為橋梁不可或缺的組件，主要功能是傳遞橋梁上部結(jié)構(gòu)自重及車輛荷載，同時滿足橋梁上部結(jié)構(gòu)在溫度變化過程中的協(xié)調(diào)變形和轉(zhuǎn)動。目前，常溫狀態(tài)下橡膠支座的各指標(biāo)試驗研究已相對全面、完善，但嚴(yán)寒、凍融條件下支座對溫度敏感性、耐候性研究尚未深入進(jìn)行。

1 橡膠支座低溫性能研究必要性

近些年，國內(nèi)對橋梁橡膠支座的理論創(chuàng)新研究主要體現(xiàn)在常溫條件下材料本身性能、新材料研發(fā)及減震防滑措施上；對嚴(yán)寒、凍融條件下，橡膠支座的適用性、耐久性隨溫度變化呈現(xiàn)的規(guī)律及其低溫的敏感性、穩(wěn)定性尚缺乏研究和理論數(shù)據(jù)支撐，相關(guān)規(guī)范中對溫度適應(yīng)性方面也未作明文規(guī)定。

我國東北嚴(yán)寒地區(qū)如漠河等地，最低氣溫甚至達(dá)到-52.3 ℃[1]，對橋梁支座的科學(xué)選型和結(jié)構(gòu)安全可靠性設(shè)計提出嚴(yán)峻考驗。因此，研究橡膠支座在嚴(yán)寒地區(qū)的使用性能，可為我國東北、西北嚴(yán)寒地區(qū)的支座合理選型和科學(xué)設(shè)計提供參考。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗內(nèi)容

針對改性、天然橡膠兩種材料支座進(jìn)行低溫力學(xué)性能試驗，主要對比分析體現(xiàn)支座適用性、耐久性的抗壓彈性模量、抗剪彈性模量、容許剪切角及極限抗壓強度4個試驗指標(biāo)。

2.2 試驗方案

2.2.1 橡膠支座試件的選取

選取改性橡膠、天然橡膠兩種材料的圓形板式支座，見表1。

表1 支座參數(shù)

2.2.2 擬定試驗溫度

鑒于我國東北、西北等嚴(yán)寒地區(qū)的最低氣溫可達(dá)到-52.3℃，綜合目前國內(nèi)成熟研究成果，減少試驗不必要成本消耗，注重實效，本次擬定試驗溫度為-45、-50、-55 ℃3個等級。

2.2.3 低溫控制方法

通過對幾種制冷方案的比選及現(xiàn)有設(shè)備調(diào)研，低溫制冷控制設(shè)備選用D6-10低溫箱，該設(shè)備技術(shù)成熟、控制溫度精度高且容易計算擬定試驗溫度，準(zhǔn)確控制時間。試件制冷后迅速進(jìn)加載試驗，保證溫度最少損失。

2.2.4 試驗依據(jù)

試驗準(zhǔn)備、試驗過程嚴(yán)格按照J(rèn)T/T 4—2004《公路橋梁板式橡膠支座》、JT 3132.3—90《公路橋梁板式橡膠支座成品力學(xué)性能檢驗規(guī)則》的步驟要求進(jìn)行。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 抗壓彈性模量

根據(jù)JT/T 4—2004規(guī)定，抗壓彈性模量試驗時，每個試件均進(jìn)行三次重復(fù)加載，三次加載結(jié)果的平均值作為最終試驗值且偏差應(yīng)不大于標(biāo)準(zhǔn)值的±20%。見表2-表3和圖1。

表2 天然橡膠支座抗壓彈性模量試驗值

表3 改性橡膠支座抗壓彈性模量試驗值

圖1 抗壓彈性模量與溫度變化規(guī)律

試驗結(jié)果表明：

1）兩種材料支座在試驗溫度下抗壓彈性模量值偏差均小于標(biāo)準(zhǔn)值的20%，滿足規(guī)范規(guī)定；

2）溫度在-50℃時，兩種材料支座的抗壓彈性模量接近且曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)點；溫度在-45～-50 ℃時，天然橡膠支座抗壓彈性模量逐漸提高，而改性橡膠支座平穩(wěn)；溫度在-50～-55 ℃時，天然橡膠支座抗壓彈性模量逐漸下降，而改性橡膠支座反而提高，體現(xiàn)適應(yīng)性更好。

3.2 抗剪彈性模量

根據(jù)JT/T 4—2004規(guī)定，抗剪彈性模量試驗時，每個試件均進(jìn)行三次加載，三次加載結(jié)果的平均值作為最終試驗值且偏差應(yīng)不大于標(biāo)準(zhǔn)值的±15%。見表4-表5和圖2。

表4 天然橡膠支座抗剪彈性模量實測值

表5 改性橡膠支座抗剪彈性模量實測值

圖2 抗剪彈性模量與溫度關(guān)系

試驗結(jié)果表明：

1）兩種材料支座在試驗溫度時抗剪彈性模量值偏差小于標(biāo)準(zhǔn)值的15%，滿足規(guī)范規(guī)定；

2）隨著溫度的降低，兩種材料支座的抗剪彈性模量均增大，對應(yīng)縱向協(xié)調(diào)變形能力減退；但改性橡膠的變化速率相對較小，說明溫度變化對其影響較小、對低溫適應(yīng)性更強。

3.3 容許剪切變形

依據(jù)JT 3132.3—90 對兩種橡膠材料支座容許剪切角度進(jìn)行試驗研究[3]。試驗結(jié)果見表6，容許剪切角與溫度關(guān)系見圖3。

表6 支座容許剪切角正切值

結(jié)果表明：

1）兩種材料支座剪切角隨著試驗溫度降低而下降，剪切伸縮變形能力減弱；但兩種橡膠支座的剪切角最大值均在設(shè)計規(guī)范容許值范圍內(nèi)；

2）溫度在-45～-50 ℃時，天然橡膠支座剪切變形能力變化速率相對較小，與抗剪指標(biāo)試驗得出一致結(jié)論；溫度在-50～-55 ℃時，天然橡膠支座試驗值平穩(wěn)不變，而改性橡膠支座有所降低且溫度達(dá)到-55 ℃時，兩者基本重合。

3.4 極限強度

依據(jù)規(guī)范相關(guān)規(guī)定進(jìn)行極限抗壓破壞試驗。加載過程中，除破壞時內(nèi)部鋼板變形天然橡膠支座較改性橡膠支座要嚴(yán)重，出現(xiàn)鋼、膠剝離外；兩種支座的破壞形態(tài)、機理基本一致。見圖4和表7。

圖4 支座破壞形態(tài)

表7 支座極限抗壓破損強度

試驗結(jié)果表明：在低溫條件下，兩種材料支座的極限抗壓強度均滿足規(guī)范要求；改性橡膠支座的極限抗壓強度明顯較高，平均值較天然橡膠高26.8%。

4 結(jié)論

1）在試驗溫度條件下，兩種材料支座的4 個試驗指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2）在試驗溫度條件下，除容許剪切能力在-50～-55 ℃范圍內(nèi)天然橡膠支座對溫度變化適應(yīng)性較好外，其余各項指標(biāo)試驗結(jié)果顯示，在同等條件下改性橡膠支座均優(yōu)于天然橡膠，體現(xiàn)出更好的低溫適應(yīng)性和耐寒性，可作為設(shè)計優(yōu)先考慮。