公路橋梁板式橡膠支座失效條件和損傷機(jī)理的研究

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1、IlI結(jié)構(gòu)分析與試驗(yàn)研究953177．公路橋梁板式橡膠支座失效條件和損傷機(jī)理的研究黃躍平周明華胥明(東南大學(xué))摘要通過對目前廣泛使用的橋梁板式橡膠支座的病害調(diào)查研究，對板式橡膠支座的病害進(jìn)行了分類，對其失效機(jī)理機(jī)理及劣化過程進(jìn)行了取樣試驗(yàn)和量化分析。根據(jù)撕裂能理論提出了板式橡膠支座的臨界疲勞極限應(yīng)力(aTa)與形狀系數(shù)的關(guān)系，對支座的病害進(jìn)行損傷機(jī)理研究并分析了現(xiàn)行《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》(JTOD62--2004)中關(guān)于許用應(yīng)力[口]規(guī)定的10MPa取值不合理，提出了控制板式橡膠支座設(shè)計(jì)應(yīng)力取值的建議。關(guān)鍵詞板式橡膠支座撕裂能劣化疲勞極限應(yīng)力失效條件損傷

2、機(jī)理一、引言由于橡膠具有獨(dú)特的黏彈性行為，不僅可以像彈簧一樣通過彈性形變來吸收儲(chǔ)存能量，而且還可以通過分子鏈相對運(yùn)動(dòng)而大幅度地消耗能量。這種能力是任何其他材料所不具備的。所以橡膠材料通常作為減振隔振材料使用。尤其在房屋公路、鐵路等交通工程中得以廣泛應(yīng)用，如房屋隔振基礎(chǔ)、橋梁橡膠支座、軌下膠墊、支承塊下膠墊等。然而，由于橡膠材料配方和生產(chǎn)工藝不同，對其力學(xué)性能、耐磨性能和抗老化性能影響很大，甚至嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。近年來最突出的問題主要反映在橋梁橡膠支座產(chǎn)品質(zhì)量低劣，病害越來越多，早期劣化速度加快，使用壽命越來越短。墓崔墓崔a)b)童』量宣厚一I—l一—一—■1iP●-

3、—+c1純橡膠板支座m板式橡膠支座圖1板式橡膠支座的特點(diǎn)橋梁板式橡膠支座是由橡膠與鋼板疊合而成，具有構(gòu)造簡單、加工制造容易、用鋼量少、成本低廉，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，是國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的橋梁橡膠支座。在國內(nèi)公路橋梁盡管應(yīng)用很多，但對橡膠支座的設(shè)計(jì)、配料、生產(chǎn)工藝和安裝技術(shù)等研究的很少，幾乎處于盲目設(shè)計(jì)、盲目生產(chǎn)、盲目應(yīng)用、盲目安裝狀態(tài)。所以公路橋梁橡膠支座出現(xiàn)眾多病害是必然的，且越來越嚴(yán)重。國外對橡膠支座的研究歷史悠久，基礎(chǔ)研究很深入。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[1]～E9]研究報(bào)告，通過力學(xué)性能和老化性能試驗(yàn)的板式橋梁橡膠支座使用壽命可達(dá)到50～100年，而我國近幾年在公路橋梁橡膠支座為什么出

4、現(xiàn)大量過早劣化病害和損傷，究竟是什么原因?為此，我們對未使用和過早劣化板式橡膠支座，對已通車和未通車的橋梁出現(xiàn)病害的支座進(jìn)行了針對性調(diào)查研究、通過取樣試驗(yàn)和理論分析。對板式橡膠支座的病害類型、病害性質(zhì)、進(jìn)行了系統(tǒng)研究。954中國公路學(xué)會(huì)橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會(huì)2007年全國橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集二、板式橡膠支座材料組成及其特征1．組成材料及其作用板式橡膠支座的所組成材料為金屬板和橡膠層。金屬板采用Q235鋼板，金屬板在支座中起加勁作用。橡膠材料因具有高彈性、低彈性模量等性質(zhì)，是橡膠支座的主體材料，主要采用天然橡膠與氯丁橡膠兩種。2．橡膠與鋼材的性能差別橡膠的分子特征——構(gòu)成橡膠彈性體的

5、分子結(jié)構(gòu)由重復(fù)單元(鏈節(jié))構(gòu)成的長鏈分子。分子鏈柔軟且具有高度的活動(dòng)性；其分子間的吸引力(范德華力)較小，在常態(tài)(無應(yīng)力)下是非晶態(tài)，分子彼此間易于相對運(yùn)動(dòng)。在金屬中，每個(gè)原子都被原子間力保持在嚴(yán)格的晶格中，使金屬變形所做的功是用來改變原子間的距離，引起內(nèi)能的變化。其彈性變形的范圍比橡膠的變化范圍要小得多。橡膠材料具有高彈性變形能力，最高可達(dá)1000％，而金屬材料的彈性變形一般不超過1％。橡膠材料具有低彈性模量，約為1MPa，而金屬材料的彈性模量可達(dá)2×105MPa。橡膠的線膨脹系數(shù)約是鋼的20倍。應(yīng)特別注意體積收縮的影響，例如橡膠支座中橡膠與鋼板黏合界面會(huì)因溫度收縮或膨脹產(chǎn)

6、生過度的應(yīng)力而導(dǎo)致早期損壞。對于同一種橡膠，膠料的硬度與生膠含量密切相關(guān)，硬度與含膠率成反比。同時(shí)對膠料的收縮率也有較大的影響，收縮率與硬度成反比。因此，板式橡膠支座設(shè)計(jì)，就是根據(jù)橡膠和鋼板的各自特點(diǎn)和優(yōu)勢進(jìn)行科學(xué)配料和優(yōu)化組合而成，充分發(fā)揮兩種材料的特長，制成受力合理和耐用的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。三、板式橡膠支座使用情況與問題調(diào)查我們對在江蘇、安徽、貴州、福建、寧夏等省的高速公路安裝的板式橡膠支座的使用狀況開展了抽樣調(diào)查工作。對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分類和統(tǒng)計(jì)后，將板式橡膠支座的病害主要分為兩大類，一類源于支座內(nèi)在質(zhì)量因素，另一類源于支座設(shè)計(jì)、布置不當(dāng)，支座設(shè)計(jì)應(yīng)力過高，施工安裝質(zhì)量不到位和維護(hù)

7、不當(dāng)?shù)取?1)板式橡膠支座的產(chǎn)品質(zhì)量板式橡膠支座的產(chǎn)品質(zhì)量是影響其使用壽命主要因素之一。由于配料不科學(xué)和加工工藝落后，膠層厚度不均勻，導(dǎo)致支座產(chǎn)品質(zhì)量低劣，造成支座安裝初期就出現(xiàn)表面裂紋和龜裂現(xiàn)象，這將加速了鋼板的銹蝕和鋼板與橡膠層脫開。在調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)，由于支座內(nèi)部鋼板位置定位不準(zhǔn)，不僅造成支座膠層和保護(hù)層厚薄不均，還造成支座內(nèi)部各層性能的不同，導(dǎo)致支座局部承載能力大幅下降。因此，保證產(chǎn)品質(zhì)量對板式橡膠支座的使用壽命至關(guān)重要。(2)板式橡膠支座設(shè)計(jì)的問題’調(diào)查發(fā)現(xiàn)，許多橋梁設(shè)計(jì)圖紙中，通常僅僅對支座的規(guī)