公路桥梁板式橡胶支座的抗剪弹性模量研究.pdf

中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 170 公路桥梁板式橡胶支座的抗剪弹性模量研究 毛 燕1 谢进财2 1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088 2.中路高科交通检测检验认证有限公司，北京 100088 摘要：摘要：普通板式橡胶支座作是我国中小跨径公路钢筋混凝土梁桥的重要支承构件，其抗剪性能影响着结构的整体服役安全。对使用 14 年的公路桥梁板式橡胶支座进行抗剪弹性模量试验研究，表明支座的抗剪弹性模量值与支座的裂缝状况有关，且随着裂缝状况的变差，其抗剪弹性模量增大。相比单纯老化，实际工程中的荷载、环境等共同作用对支座的抗剪切变形能力影响较大。在支座日常养护中应加强有明显裂缝支座的变形观测。关键词：关键词：公路桥梁；板式橡胶支座；抗剪弹性模量 中图中图分类号：分类号：U446 1 研究背景 板式橡胶支座是我国中小跨径桥梁的主要支座形式，但是板式橡胶支座的老化问题一直是工程上人们最关心的问题，板式橡胶支座材料老化，将不同程度的影响支座的正常变形、剪切性能等正常使用功能。交通运输部公路科学研究院李健等1对全国使用 212 年的高速公路桥梁板式橡胶支座进行了调研，发现许多运营 5 年以下的桥梁就有 40%的支座产生病害，而支座的老化开裂是较为严重的问题。对于橡胶支座老化的研究，主要从橡胶材料老化性能分析、支座加速老化试验、支座老化理论分析三个方面展开。学者们对热老化对板式橡胶支座的性能影响的相关研究已经很成熟2，董振华等3采用试验和有限元模拟分析表明，橡胶等效老化年限小于 20 年，其橡胶老化对支座剪切性能的影响较小，则当橡胶等效老化时间大于 50 年，其剪切模量和剪切刚度增加，剪切变形能力降低。少量学者进行了实桥替换支座的研究，如王树芝4对 1970 至 1994 年铁路桥梁使用的1622 年的板式橡胶支座进行了研究，从抗压弹性模量、剪切弹性模量和橡胶物理力学性能试验给出了板式橡胶支座的寿命最少可达 50 年。陈浩5对六种板式橡胶支座进行试验，通过对比板式橡胶支座在经受极限抗压试验前后抗剪弹性模量的变化，总结和验证超重荷载对板式橡胶支座抗剪弹性模量的影响程度。李冰6对板式橡胶支座进行了压剪性能的相关研究，发现随着竖向压应力的增大，支座的刚度减小较为明显，且其减小趋势逐渐变缓，最终趋于稳定。竖向荷载的作用，会导致支座的剪切性能等发生变化，伴随着环境作用和自然老化，严重时会导致支座完全失效。因此，确定支座的抗剪性能在实际工程中的变化规律是十分必要的，对桥梁安全性能的评估有着重要作用。为了明确荷载、环境因素作用下实际支座抗剪力学性能，我们对实桥支座依据支座裂缝开展情况进行分类，分析不同裂缝开展程度的支座的抗剪性能，为桥梁工程安全评估及延长桥梁使用寿命提供参考。2 板式橡胶支座的剪切性能试验结果分析 2.1 试验方案 本次试验选取安徽省某省道简支梁桥板式橡胶支座样本进行试验，支座型号为 GYZ25063，橡胶层总厚度 te 为 45mm，支座使用年限为 14 年。为确定支座状况与抗剪性能的关系，按照支座的裂缝状况对支座进行分类，分类参照公路桥梁技术状况评定标准中支座评定标度进行，选取有细微裂缝（裂缝宽度小于 1mm）的支座为一组进行 8 对试验，选取有明显裂缝(裂缝宽度大于 1mm)的支座为一组进行 3 对试验。选取无裂缝的支座为一组进行 5 对试验。试验板式橡胶支座参数如表 1 所示。表 1 试验支座参数 试验组 试件状态 服役年限/年 试验组数量 实验编号 L1 有细微裂缝 14 8 L1-1L1-8 L2 有明显裂缝 14 3 L2-1L2-3 L3 无裂缝 14 5 L3-1L3-5 根据公路桥梁板式橡胶支座剪切试验方法进中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 171 行试验。板式橡胶支座的剪切试验在压剪试验机上完成，其加载示意图见图 1 所示。试验进行三次预压，每次持荷 5min。支座的竖向压应力为恒定值 10MPa。加载水平方向以剪应力控制加载，水平应力的加载速率为 0.003MPa/S，逐级加载至 1MPa，并持荷 1min。然后，以均匀的速率逐级卸载至水平应力为 0.1MPa。根据支座的滑动位移量，水平加载循环 3 次。支座剪切试验加载制度示意图如图 2 所示。试验条件控制为室温 235。图 1 试验加载示意图 图 2 试验加载制度示意图 （a）L1-1 （b）L1-2 （c）L1-3 （d）L3-1 （e）L3-2 （f）L3-3 图 3 部分支座剪应变-剪应力曲线 2.2 剪应力-剪应变试验结果 提取 L1 实验组中的 3 对支座的剪应变-剪应力曲线，L3 组的 3 对支座的剪应变-剪应力曲线，如图 3所示。由图 3 可知：（1）对于 L1 组的支座，随着循环次数的增加，支座的剪切变形增大，且滞回面积有所增大。结合试验观测到的支座剪切变形状态，变形明显，但未发现支座产生更严重的损伤破坏。（2）对比中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 172 L1 组各支座的曲线形态无明显的区别，说明细微裂缝与无裂缝支座的变形能力基本一致。L1 组与 L3 组支座的剪应变-剪应力曲线进行对比，各组的残余剪应变相差不大，说明有微裂纹的支座的延性变形能力整体较好，可满足工程需求。2.3 抗剪弹性模量试验结果 试件的实测抗剪弹性模量按下列公式计算：1.00.311.00.3=G （1）式中：试件的实测抗剪弹性模量计算值，MPa；1.0、0.3第 1.0MPa 级试验荷载下的剪应力和累积剪切应变值，MPa；1.0、0.3第 0.3MPa 级试验荷载下的剪应力和累积剪切应变值，MPa。抗剪弹性模量为试件的综合抗剪弹性模量，是一对试件三次加载所得到的三个结果的算数平均值。根据式（1）得到支座的抗剪弹性模量值，如表 2 所示。表 2 抗剪切弹性模量 编号 抗剪弹性模量值/Mpa 偏差率 第一次加载值 第二次加载值 第三次加载值 实测值 L1-1 1.71 1.71 1.71 1.71 71.00%L1-2 1.72 1.72 1.72 1.72 72.00%L1-3 1.63 1.63 1.63 1.63 63.00%L1-4 1.82 1.81 1.81 1.81 81.00%L1-5 1.78 1.78 1.77 1.78 78.00%L1-6 1.68 1.68 1.68 1.68 68.00%L1-7 1.75 1.75 1.75 1.75 75.00%L1-8 1.65 1.66 1.66 1.66 66.00%L2-1 1.8 1.79 1.79 1.79 79.00%L2-2 1.86 1.86 1.86 1.86 86.00%L2-3 1.82 1.82 1.81 1.82 82.00%L3-1 1.38 1.38 1.38 1.38 38.00%L3-2 1.37 1.37 1.37 1.37 37.00%L3-3 1.47 1.47 1.47 1.47 47.00%L3-4 1.43 1.44 1.44 1.44 44.00%L3-5 1.50 1.50 1.50 1.50 50.00%注：偏差率指实测值与标准值 1.0MPa 之差与标准值之比。由表 2 可知：（1）整体来看，L3 组支座的实测抗剪弹性模量值为 1.37MPa1.5MPa 范围；除 L1-4 支座实测抗剪弹性模量为 1.81MPa，其他支座的实测抗剪弹性模量值为 1.63MPa1.78MPa；L2 组支座抗剪弹性模量值为 1.79MPa1.86MPa。支座的抗剪弹性模量值与支座的状况相关，支座的状况越差，抗剪弹性模量值越大。（2）L3 组支座为无裂缝的完好支座，根据公路桥梁技术状况评定标准，支座技术状况标度为 1。若以 L3 组支座的实测抗剪弹性模量值的平均值1.43MPa 作为基准值，则其他支座的抗剪弹性模量增长值为16%30%。细微裂缝支座的增长值平均约为20.1%，明显裂缝支座的增长值平均约为 27.5%。对比已有加速老化研究2，对比仅考虑老化的支座平均剪切模量，随老化时间的增长而增大，最大增加量为 12.8%（等效橡胶老化时间为 79 年），而采用实桥使用 14 年支座进行试验，支座的剪切模量增加量为 16%以上（与状态完好的服役 14 年支座对比）。说明单纯老化对支座的抗剪切变形能力影响不大，荷载、环境等共同作用对支座的抗剪切变形能力影响较大，在进行支座抗剪力学性能分析时，荷载作用是不可忽略的因素。（3）一般环境下支座力学性能要求抗剪弹性模量一般取值为1.0MPa，完好试验支座的抗剪弹性模量偏差值最大为50%，有细微裂缝支座的抗剪弹性模量偏差值最大为81%，主要分布在 63%78%范围内，出现明显裂缝支座的抗剪弹性模量偏差值最大为 86%。参考已有研究4支座抗剪弹性模量最多提高 100%来考虑，存在明显裂缝支座的抗剪模量已经接近上限值，在日常的桥梁养护中应注意观测支座的变形情况。3 结论 采用试验的方法对实桥板式橡胶支座的剪切性能进行分析，表明：出现细微裂缝的支座与完好支座的变形能力基本一致，支座的残余剪应变相差不大，存在微裂纹的支座其延性变形能力整体较好，可满足工程需求；支座的抗剪弹性模量值与支座裂缝的开展状况相关，且随着裂缝状况的变差，其抗剪模量增大；相比单纯老化，实际工程中的荷载、环境等共同作用对支座的抗剪切变形能力影响较大。在日常养护中应加强出现明显裂缝支座的变形观测。以上试验结论仅针对一般环境下服役14年的一种支座抗剪性能进行研究，在研究中未考虑具体荷载范围和交替作用的影响、支座养护情况、支座胶种等因素，具有一定的局限性，但试验支座为实际桥梁运营更换的支座，试验结果可对桥梁工程服役状况评估等工作提供参考。参考文献 1李健,赵巧燕.桥梁板式橡胶支座病害调研及早期1G中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 173 病 害 分 析 J.公 路 交 通 科 技(应 用 技 术版),2018,14(10):201-203.2吴宜峰,徐泓,李爱群,张琰.桥梁板式橡胶支座运营病害及影响研究综述J.工程抗震与加固改造,2021,43(5):104-113.3董振华,张劲泉,韦韩,王仙.老化普通板式橡胶支座的剪切性能研究J.工程力学,2020,37(S1):208-216.4王树芝.铁路板式橡胶支座失效条件和使用寿命的研究J.铁道建筑,2003(7):26-29.5陈浩.板式橡胶支座极限抗压后的抗剪弹性模量性能研究J.福建建材,2018,(11):10-12.6李冰.板式橡胶支座压剪性能试验研究J.黑龙江工程学院学报,2019,33(02):21-27.作者简介：作者简介：毛燕(1981),女,山东烟台人,硕士研究生,副研究员。基金项目：科技创新专项资金项目（2019-I112）。