基于酸腐蝕的板式氯丁橡膠支座受壓試驗研究＊

張延年 馬 良 劉 寧 鄭 怡 沈小俊 高 飛

（沈陽建筑大學土木工程學院1） 沈陽 110168） （遼寧省建筑材料監督檢驗院2） 沈陽 110032）（重慶市公路工程質量檢測中心3） 重慶 400060）

隔振技術對于降低橋梁地震反應具有良好的效果［1］，公路橋梁橡膠支座具有構造簡單、價格低廉、無需養護、易于更換、緩沖隔振等優點，因而被廣泛應用于公路橋梁中．國外很多國家針對橡膠支座的可靠性和耐久性等都出臺了相關規范及標準，我國也針對橡膠支座頒布了多部有關橡膠支座的設計規范、規程細則、指南、手冊等［2］，其中對氯丁橡膠支座提出了相關試驗方法、檢測方法等．李慧、由世岐等［3－4］研究了低溫條件對橡膠支座垂直壓縮剛度和水平剛度的影響．許冬華［5］等研究了不同環境溫度對支座抗壓彈性模量、抗剪彈性模量的影響．但是基于酸腐蝕的公路橋梁板式氯丁橡膠支座的研究十分匱乏，考慮酸腐蝕條件下的氯丁橡膠支座的受力性能研究具有重要的意義．因此對公路橋梁板式氯丁橡膠支座進行不同時間長度的酸腐蝕處理，并對其受壓性能進行試驗研究．

1 試驗概況

1．1 試件設計

根據公路橋梁板式氯丁橡膠支座規格系列［6］選取公路橋梁板式氯丁橡膠支座的規格為GJZ200×300×41（CR），試件由衡水鑫力工程橡膠有限公司提供，其材料屬性見表1．

表1 氯丁橡膠支座材料屬性

氯丁橡膠支座共分為5組試件，其中1組為標準試件，在自然條件下不做任何處理，其他4組試件分別進行20，40，60，80d的酸腐蝕處理，試件分組情況見表2．

表2 氯丁橡膠支座酸腐蝕處理分組

1．2 試件酸腐蝕處理

4組進行酸腐蝕處理的公路橋梁氯丁橡膠支座都浸泡在3．0%的硫酸溶液中，根據表2的要求對試件進行不同天數的腐蝕，圖1為正在進行酸腐蝕處理的公路橋梁板式氯丁橡膠支座．

圖1 試件酸腐蝕形態

1．3 試驗裝置及測試方法

試驗在沈陽建筑大學結構工程實驗室進行．采用5 000kN壓力試驗機進行豎向加載，測點布置如圖2所示，W1～W6為位移計，W1～W4分別測量試件水平方向位移，W5和W6分別測量試件兩端豎向位移；Y1～Y12為應變片，分別對試件的局部應變進行監測．

圖2 測點布置圖

1．4 加載制度

首先進行預壓．將壓應力以0．03～0．04 MPa／s速率連續地增至平均壓應力σ＝10MPa，持荷2min，然后以連續均勻的速度將壓應力卸至1．0MPa．然后進行正式加載，采用分級加載，加載自1．0MPa開始，將壓應力以0．03～0．04 MPa／s的速率均勻加載，每級荷載增量約為2 MPa，每級持荷2min，待穩定后采集支座各個方向變形值，再進行下一級加載，直至加載到10 MPa，然后以連續均勻的速度卸載至壓應力為1．0 MPa．10min后進行下一加載循環，加載過程連續進行3次，最后1次直接加載至試件抗壓強度不小于70MPa，試件發生破壞．要求相同位置的各測點測得的數據基本保持一致，偏差控制在15%左右．

2 試驗現象分析

在豎向荷載加載至開裂荷載前，試件的水平和豎向方向位移均隨荷載增加不斷增大．當豎向荷載加載至開裂荷載左右時，試件上下表面的4個邊緣開始出現細微裂縫．繼續增加荷載，裂縫長度和寬度隨荷載增大繼續增加，水平方向位移也急劇增加，豎向壓縮變形卻隨荷載的增加變化緩慢．當荷載加載至試件的破壞荷載時，試件的裂縫基本不再增加，各個方向的位移也變化較小．酸腐蝕后的氯丁橡膠支座的彈性階段明顯縮短，且腐蝕時間越長，彈性階段越短，且更容易發生脆性破壞．

3 試驗結果分析

3．1 各項指標對比分析

分別對支座外形的初始尺寸和腐蝕后的尺寸進行測量，采用鋼直尺、游標卡尺及量規進行量測；支座外觀質量采用目測方法或量具逐塊進行檢查，不同腐蝕條件下公路橋梁氯丁橡膠支座的尺寸變化、極限抗壓強度和壓應力為70MPa下對應的各向位移見表3．

表3 氯丁橡膠支座各項指標對比

不同腐蝕條件下的公路橋梁板式氯丁橡膠支座尺寸有微小變形，但沒有出現側面裂紋、鋼板外露、掉塊、崩裂等現象，符合規范中的規定．對比5組試件的極限抗壓強度，經過酸腐蝕處理過的極限抗壓強度要低于標準試件的極限抗壓強度．隨著腐蝕程度的加深，公路橋梁板式氯丁橡膠支座的極限抗壓強度有逐漸降低的趨勢．

3．2 極限抗壓強度分析

根據文獻［7］，沈陽每年發生酸雨的頻率約為16．69%，采用3．0%的硫酸溶液進行20d快速腐蝕相當于1a的酸雨腐蝕．采用最小二乘法擬合50a的氯丁橡膠支座的極限抗壓強度衰減曲線如圖3所示，其衰減模型為

式中：x為腐蝕年數；y為極限抗壓強度．

圖3 極限抗壓強度衰減曲線

公式計算值與試驗實測結果進行對比分析，公式計算值與試驗實測結果的比值平均值為1．0034，標 準 差 為 0．051，變 異 系 數 為0．051，結果表明公路橋梁板式氯丁橡膠支座的極限抗壓強度的衰減模型擬合公式與實際情況符合較好．

3．3 豎向剛度分析

實測壓縮豎向剛度為

式中：P1為第3次循環加載時的較小壓力；P2為第3次循環加載時的較大壓力；Y1為第3次循環加載時的較小位移；Y2為第3次循環加載時的較大位移．

豎向荷載與豎向剛度曲線見圖4．公路橋梁板式氯丁橡膠支座的豎向剛度與豎向荷載有關，隨著豎向荷載的增大，豎向剛度呈逐漸下降的趨勢．5組試件中經過酸腐蝕處理的公路橋梁板式氯丁橡膠支座的豎向剛度要小于標準試件．

圖4 荷載－豎向剛度曲線

3．4 彈性模量分析

實測抗壓彈性模量為

式中：E1為試樣實測抗壓彈性模量計算值，精確至1MPa；σ4，ε4分別為第4MPa級試驗荷載下壓應力和累計壓縮應變值；σ10，ε10分別為第10 MPa級試驗荷載下的壓應力和累計壓縮應變值．

圖5 抗壓彈性模量衰減曲線

采用最小二乘法擬合成50年氯丁橡膠支座的抗壓彈性模量衰減曲線（見圖5），其衰減模型為：

式中：x為腐蝕年數；z為抗壓彈性模量．

抗壓彈性模量試驗實測值與計算值對比見表4，公式計算值與試驗實測值的比值平均值為1．005 5，標準差為0．011，變異系數為0．010，結果表明抗壓彈性模量的衰減模型與實際符合較好．

表4 抗壓彈性模量試驗實測值與計算值對比MPa

4 結 論

1）腐蝕時間越長，公路橋梁板式氯丁橡膠支座的局部變形越明顯，彈性階段縮短，更容易發生脆性破壞，加載后的試件四邊橡膠裂縫開裂越大，鋼板外露現象明顯．

2）經過酸腐蝕處理的公路橋梁板式氯丁橡膠支座的抗壓承載能力和極限抗壓強度小于標準試件，其下降趨勢比較明顯．采用最小二乘法建立的氯丁橡膠支座極限抗壓強度衰減模型與實際情況符合較好．

3）酸雨腐蝕對公路橋梁板式氯丁橡膠支座的豎向剛度和實測彈性模量影響較大，且下降趨勢十分顯著，采用最小二乘法擬合的氯丁橡膠支座抗壓彈性模量衰減模型與實際情況符合較好．

4）當腐蝕到一定程度，極限抗壓強度、豎向剛度和抗壓彈性模量等已無法滿足實際工程要求，建議在實際工程中要避免氯丁橡膠支座受到酸腐蝕的破壞．

［1］馬涌泉，陳水生．基于自振與頻譜特性影響的LRB連續梁橋隔震效果研究［J］．武漢理工大學學報，2011，33（7）：101－106．

［2］中華人民共和國鐵道部．鐵路橋梁板式橡膠支座TB／T1893—2006［S］．北京：中國標準出版社，2007．

［3］李 慧，鄧學晶，杜永峰，等．寒區疊層橡膠隔震支座擬靜力試驗研究［J］．低溫建筑技術，2003（4）：33－35．

［4］由世岐，劉 斌，樓永林．低溫環境對疊層橡膠支座變形特性影響的試驗研究［J］．東北大學學報：自然科學版，2005，26（3）：297－299．

［5］許東華，吳華豐，王建芬．環境溫度對氯丁橡膠支座壓剪性能試驗的影響［J］．公路，2010（1）：76－78．

［6］中華人民共和國交通運輸部．JT／T663—2006公路橋梁板式橡膠支座規格系列［S］．北京：中國標準出版社，2007．

［7］洪 也，董德文，馬雁軍．2004～2008年遼寧酸雨時空分布特征研究［J］．氣象與環境學報，2009，25（2）：28－32．