支座損傷等級標準評估及更換研究

王建軍，陶俊，鄔曉光

（1.新疆交通規劃勘察設計研究院，新疆烏魯木齊830006；2.長安大學，陜西西安710064）

支座損傷等級標準評估及更換研究

王建軍1，陶俊2，鄔曉光2

（1.新疆交通規劃勘察設計研究院，新疆烏魯木齊830006；2.長安大學，陜西西安710064）

鑒于目前尚無適用于支座損傷等級標準評估研究理論，以新疆支座更換項目為依托的基礎上，針對支座損傷等級的特點，分析了支座損傷劣化機理，并采用該理論對支座損傷等級標準評估進行研究，可為支座更換提供指導，并為新疆地區支座的更換提供理論支持。

支座；損傷；等級評估；劣化機理

0　引言

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

從支座所處的外界環境分析，新疆處于干旱和極干旱地區，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，新疆廣大地區植被總表現為低矮而稀疏，由于低矮、稀疏植被所形成的生物保護層不健全且功能微弱，使得地表物質易受到風蝕和搬運而形成沙塵暴。而且新疆由于氣候干旱，降水少，蒸發強烈，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，使得橋梁支座出現病害的幾率大大增加，病害嚴重程度增大。支座作為橋梁上部結構和下部結構的紐帶，在橋梁的建設中起著至關重要的作用，它將直接影響橋梁結構的使用性能和壽命。為了保障橋梁能夠正常、安全的運營，研究支座損傷識別及支座損傷等級標準評估具有重大意義，也是為促進交通事業的發展的一項重大舉措。

1　支座損傷劣化機理研究

1.1支座劣化過程

（1）劣化初期（由施工安裝不當、設計選型失誤和支座內在質量問題導致）；外鼓（起因膠料質量差、膠料混煉不均勻和膠片坑凸不平整、支座內部存留著空穴，造成膠層與鋼板膠結失效）；表面龜裂（外鼓局部應變過大、老化、機械損傷）［1］。

（2）裂紋成長期（由表面應變過大、鋼板膠結失效、老化、疲勞問題導致）。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、支座運行環境等因素導致）。加強鋼板外露、環形裂紋向縱深發展、層間裂紋擴展。

（4）失效期（加強鋼板和橡膠喪失工作能力）。支座扭曲、支座失穩、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支座劣化機理分析

板式橡膠支座為橡膠與鋼板疊合、粘結而成。由于生產工藝落后造成存在膠片厚薄不均和凹凸不平整、支座內部殘留有空穴、固體雜質等現象，

由此產生的潛在問題就是層間粘結失效和膠層初始空穴。在車輛等循環載荷作用下，此類缺陷在層間界面萌生裂紋并擴展，最終導致脫層破壞。為此，根據斷裂力學基本理論等對支座劣化機理進行了分析研究。

膠層間開裂問題與裂紋增長特性

處方階段的用藥錯誤發生在醫師預備下達處方或決定處方的過程中。醫師在處方階段出現的用藥錯誤：混淆患者；處方重復下達；使用口頭處方、使用未經規定的縮略語、手寫處方不規范（如書寫藥品名稱、規格、劑量、用法用量及給藥途徑時出現差錯）；醫師專業知識不足導致藥品選擇錯誤；醫師業務不熟練，缺乏藥物知識，對藥品的禁忌證不熟悉，聯合用藥時未考慮藥品之間的相互作用，藥效相同的藥品重復使用，聯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，計算出臨界壓應力分布區域。根據形狀因數不同其疲勞極限應力值分布在4～23 MPa之間。當橡膠支座的工作應力在此應力水平之上時，橡膠支座在周期載荷下可能發生裂紋并擴展。

歐標PREN 1337-3：1996對于板式橡膠支座設計壓應力取值規定為：σc≤Gs且σc不大于5G；美標AASHT0 LRFD 2 000對于橡膠支座（PEP）設計壓應力取值規定為：σc≤0.55Gs≤5.5 MPa；對于增強型板式橡膠支座（FGP）設計壓應力取值規定為：σc≤1.0×Gs≤5.5 MPa。交通部標準JTG D62 -2004規定橡膠支座的許用應力統一取為10 MPa，過于簡化，缺乏科學根據。當支座形狀因數較小時，支座的工作應力將大于疲勞極限值，由于周期載荷的作用，支座表面和內部均有可能萌生裂紋。如果再考慮因支座安裝不當（三點承力、偏心受力、初始剪切變形過大等現象）或支座質量的偏差（內部膠層分布不均勻、內加強鋼板不平行、局部橡膠-鋼板粘合性差及初始空穴等），這些現象都會在橡膠支座中造成局部膠層的性能下降或造成局部的應力集中，有限元研究表明其應力集中因數高達16。

值得注意的是，根據撕裂能理論計算，隨著形狀因數的下降，橡膠支座的臨界承載能力也同步下降。當形狀因數由12. 5下降至7時，橡膠支座的臨界承載能力下降約42% 。

支座設計應力與形狀因數的關系［3］，有文獻根據有限元計算研究了橡膠支座設計應力與形狀因數的關系。若支座的設計壓應力為10 MPa，形狀因數為5，則支座的最大剪應力為平均壓應力的1. 63倍，為16. 3 MPa，遠遠超過標準規定的膠層與鋼板之間的剝離強度10 MPa，接近標準規定的橡膠拉伸強度17 MPa。這說明：當支座的形狀因數較小時，支座局部（膠層與鋼板結合邊緣處）的剪應力放大因數高，在相同的設計應力下，剪應力將隨之提高，當超出剝離強度時，膠層容易與鋼板剝離，形成空穴或裂紋，出現損傷現象。若膠層與鋼板之間的剝離強度10 MPa為控制應力，則在設計壓應力為10 MPa時，支座的形狀因數至少應大于8。當支座的形狀因數小于8時，支座設計應力應隨形狀因數大小進行相應的調整。這在JTG 023 -1985《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》［4］得到了體現。即板式橡膠支座的許用應力或設計應力與形狀因數是有緊密關聯的。形狀因數與支座幾何尺寸、膠層及鋼板厚度、支座力學性能息息相關。設計者必須根據實際負載設計或選擇板式橡膠支座，確保板式橡膠支座有一定的強度儲備，并應保證橡膠支座工作應力在疲勞極限應力內。這有利于延長橡膠支座使用壽命和確保橋梁的安全營運。然而，目前我國的支座設計人員和生產廠家技術人員對上述機理缺乏認識，橡膠支座的設計和生產處于盲目狀態，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（過早顯現并加速了支座劣化進程）。

1.3老化變質現象

自19世紀發現橡膠在使用過程中有老化變質現象以來，普遍認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系。

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

實驗研究表明，橡膠在恒定表面張力作用下，經過一定時間后，其表面必將萌生龜裂。這正是一些橋梁橡膠支座在產生外鼓后，即使尚未通車，也會在外鼓層出現龜裂。龜裂與層間橡膠外鼓相伴生成，這正是因與果的關系。橡膠支座的承壓力（恒載）和支座形狀因數決定了支座的外鼓量，形狀因數小則外鼓量大。如何控制支座的外鼓量于設計選型直接有關，因此，我們還需要進一步論證合理的設計選型和外鼓量的控制值的關系。

2　支座損傷等級標準評估

2.1支座劣化等級評定

支座是連接橋梁上下部結構的重要構件，其主要功能是將上部結構承受的各種荷載傳遞給墩臺，并能適應上部結構因荷載、溫度變化、混凝土收縮等原因產生的變形，以及減震、隔振的功能，使上部結構的實際受力符合設計要求。如果支座不能滿足上部結構受力、變形的要求，即認為支座失效［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）按劣化標準判斷，同一蓋梁上劣化等級為四類和五類的支座個數達到梁支座總數的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到以上失效條件的個數超過支座總數的20%以上，或相鄰兩支座均達到以上失效條件。

（3）相鄰兩支座永久壓縮變形差超過支座厚度的5%。

3　結論

板式橡膠支座如果達到失效條件，必須進行更換，還未達失效條件的支座以維修為主。板式橡膠支座更換應遵循以下原則：

（1）一個支座失效，本跨同排支座需全部更換。因隨支座使用時間增長，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，受力大的舊支座會過早損壞。同時舊支座存在永久變形，與新支座高度不同，墊石頂面標高調整困難。

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

（3）支座型號應滿足承載力及上部結構變形需要。

（4）支座更換應避開極端氣溫易出現的1月、7月份，盡量在春秋季更換，避免支座變形過大。當需要在極端氣溫更換時，應適當增大支座厚度，滿足上部結構變形要求。

（5）超靜定結構橋梁支座脫空或壓潰時，應檢查各支承點處的沉降、各支座永久壓縮變形，依此計算支座的最大豎向壓力和可能出現的最大上拔力，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對力學性能的影響［A］.2005橋梁隧道養護技術研討會［C］.2005.

［2］ 楊曉翔.橡膠一鋼雙材料界面斷裂韌性的實驗測定［J］.大慶石油學院學報，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與損傷關系的實驗研究［R］.2005.

［4］ JTG62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［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用對策［J］.土木工程學報，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，從事公路勘察設計工作。