循環(huán)荷載下橋梁板式橡膠支座剪切滑移特征及處理方法研究

橋梁板式橡膠支座是我國公路梁橋結(jié)構(gòu)體系的重要構(gòu)件，但普遍存在因剪切引起的滑移和變形問題。為改善車輛循環(huán)荷載下橋梁板式橡膠支座剪切滑移問題，文章提出一種利用雙面砂紙改變橡膠支座接觸條件的方法，并基于室內(nèi)循環(huán)剪切試驗驗證了該方法的可行性。研究表明，采用雙面砂紙能夠有效增大橡膠支座與橋梁間的摩擦力，從而大幅減小了循環(huán)剪切條件下橡膠支座的滑移現(xiàn)象，增強(qiáng)了橡膠支座的抗剪切變形能力。

循環(huán)剪切;橋梁橡膠支座;循環(huán)荷載;剪切變形;滑移

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：U443.36-A-32-106-3

0 引言

橋梁板式橡膠支座是我國公路梁橋結(jié)構(gòu)體系的重要構(gòu)件，但普遍存在著由剪切引起的滑移和變形問題，因此，如何改善橋梁橡膠支座工作環(huán)境從而提升其抗剪切變形能力，具有重要研究意義[1-3]。

由于橋梁支座病害嚴(yán)重，引起了我國學(xué)者的廣泛關(guān)注[4-8]。李悅等[9]對其極限剪切破壞狀態(tài)展開了系統(tǒng)研究，深入研究不同固定方式下板式橡膠支座的抗震性能。徐略勤等[10]深入研究了四川地震后的震害調(diào)查資料，并深入分析了橋梁板式橡膠支座橫向震害特征及力學(xué)機(jī)理，進(jìn)一步提出通過提高傳統(tǒng)擋塊的變形角度，能夠有效改善板式橡膠支座摩擦滑移，實現(xiàn)預(yù)期的抗震目標(biāo)。

上述研究采取不同方式研究振動荷載對橋梁橡膠支座滑移現(xiàn)象的影響，但提出的解決方法均比較復(fù)雜。本文提出一種利用砂紙增大接觸摩阻力的方法，從而實現(xiàn)有效增大橡膠支座抗剪切變形能力，較好地解決了橋梁板式橡膠支座的滑移問題。

1 工程概況

本次研究依托于廣西某立交橋老舊橋梁改造工程。橋梁呈東西向，全長約525.15 m。橋梁左右幅均采用雙立柱式橋墩，以保持橋面的穩(wěn)定性。橋面鋪裝厚200 mm的防水混凝土及100 mm厚的瀝青混凝土作為防水層，以滿足該分離式立交橋長期運(yùn)營的防水要求。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果反饋，由于交通流量大、橋梁使用年限較長等原因，該橋梁的橋梁板式橡膠支座出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損、滑移和變形問題，亟須處理。

2 試驗設(shè)計

2.1 工況設(shè)計

本次試驗的主要目的是研究不同工況下橋梁板式橡膠支座剪切變形特征及工程性能，因此設(shè)計了無砂紙、單面砂紙和雙面砂紙三種不同工況下的橋梁板式橡膠支座循環(huán)剪切試驗（見圖1）。板式橡膠支座為圓盤形支座，圓盤直徑為300 mm，圓盤支座總厚度為63 mm，支座橡膠厚度為45 mm。見表1。

2.2 試驗方案

采用穩(wěn)定軸壓σ1為10 MPa、變水平應(yīng)力方式進(jìn)行循環(huán)剪切實驗，試驗加載方式如圖2所示。本次剪切試驗操作步驟如下：（1）將加載儀器上下表面清理干凈，避免雜物出現(xiàn)使得在試樣受力面出現(xiàn)受力不均現(xiàn)象;（2）放置試樣于加載儀器上，調(diào)整試樣位置，使試樣幾何中心位于加載儀器中心軸線上。手動控制使試樣夾持在儀器上，接觸力控制在0.5～1 kN;（3）采用力控模式將軸向應(yīng)力提升至10 MPa，加載速率為10 kN/min;（4）采用力控模式按照圖2所示加載路徑進(jìn)行加載，加載速率為10 kN/min。當(dāng)總剪應(yīng)變達(dá)到4%時或加卸載循環(huán)次數(shù)>10時停止試驗;（5）全程采用程序控制，自動記錄試驗結(jié)果數(shù)值。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3為不同接觸工況條件下橋梁板式橡膠支座剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。由圖3可知，在無砂紙條件下，橡膠支座在第二個加卸載循環(huán)的加載過程中剪應(yīng)變已達(dá)到4%，而單面砂紙工況下則能承受到第三個加卸載循環(huán)，雙面砂紙工況下橡膠支座的抗剪切性能最優(yōu)，其在第10個加卸載循環(huán)后仍未破壞。此外，進(jìn)一步觀察到，隨著接觸條件的變化，橡膠-砂紙接觸面越多，則支座的抗剪切變形能力越強(qiáng)。對于無砂紙情況，循環(huán)荷載下橡膠支座的剪切變形現(xiàn)象十分明顯，在第二個循環(huán)加載過程中橡膠支座的剪切變形已達(dá)到最大，此時橫向剪應(yīng)力為0.9 MPa，支座剪應(yīng)變?yōu)?%。對于單面砂紙工況下，橡膠支座在第一個循環(huán)加卸載的水平應(yīng)力為0.9 MPa時，其最大剪應(yīng)變?yōu)?.98%，較無砂紙工況下降低25.5%。而在雙面砂紙工況下，橡膠支座的抗剪切變形能力有著非常明顯的提升，在10次剪切加卸載循環(huán)后其最大剪應(yīng)變僅達(dá)到1.43%。綜上所述可知，橋梁橡膠支座在車輛循環(huán)荷載作用下會產(chǎn)生一定的剪切變形和滑移，但通過改變橡膠支座的接觸條件，能夠大幅度提升其在循環(huán)荷載影響下的變形能力，從而有效克服了橋梁橡膠支座剪切滑移問題。

3.2 支座有效剪應(yīng)變

在進(jìn)行橋梁板式橡膠支座循環(huán)剪切試驗過程中，由于支座與加載板之間會產(chǎn)生相互滑動，因此產(chǎn)生的總剪應(yīng)變實際上由橡膠支座的有效剪應(yīng)變及滑移應(yīng)變組成。有效剪應(yīng)變是分析橡膠支座變形的重要參數(shù)，基于剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到橋梁橡膠支座的有效剪應(yīng)變隨剪應(yīng)力的變化關(guān)系如下頁圖4所示。由圖4可知，對于不同工況下的橡膠支座，隨著剪應(yīng)力的逐漸增大，其有效剪應(yīng)變亦逐漸增大，有效剪應(yīng)變和剪應(yīng)力之間呈線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2均>0.98。進(jìn)一步觀察到，在相同的剪應(yīng)力作用下，橡膠支座的有效剪應(yīng)變符合雙面砂紙>單面砂紙>無砂紙的變化規(guī)律，當(dāng)水平剪應(yīng)力達(dá)到1.0 MPa時，無砂紙情況下橡膠支座的有效剪應(yīng)變?yōu)?.08%，單面砂紙和雙面砂紙情況下的有效剪應(yīng)變較無砂紙情況分別增大26.59%和44.67%。分析認(rèn)為，在無砂紙情況下，橡膠支座和加載板之間的摩擦較小，因此在剪切作用下其發(fā)生了很大剪切滑移而橡膠支座本身發(fā)生的剪切變形卻比較小;而雙面砂紙情況下橡膠支座的滑移很小，因此其有效剪應(yīng)變與總應(yīng)變值接近一致。有效剪應(yīng)變分析結(jié)果表明，在車輛循環(huán)荷載作用下無砂紙接觸會導(dǎo)致橡膠支座與橋梁板之間產(chǎn)生很大滑移且其對剪應(yīng)力的承載效果較差，這也是我國大多數(shù)板式橋梁橡膠支座產(chǎn)生較大橫向滑移的原因。因此可見，通過采用添加雙面砂紙、增大橡膠支座與橋梁板和橋墩之間摩擦力的方式，能夠有效改善橋梁橡膠支座的滑移問題。

3.3 支座剪切剛度

《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》中橋梁橡膠支座剪切剛度計算方法如式（1）所示[11]：

K=G（A/te）（1）

式中：K——剪切剛度（kN/m）;

G——橡膠支座的剪切模量（kPa）;

A——橡膠支座的剪切面積（m2）。

由此可得到橡膠支座的剪切剛度設(shè)計值。進(jìn)一步根據(jù)《公路橋梁板式橡膠支座》規(guī)定[12]，橡膠支座的剪切模量計算方法如式（2）所示：

G=τ1.0-τ0.3γ1.0-γ0.3（2）

式中：τ0.3——水平應(yīng)力為0.3 MPa條件下材料的剪應(yīng)力（MPa）;

τ1.0——水平應(yīng)力為1.0 MPa條件下材料的剪應(yīng)力（MPa）;

γ0.3——水平應(yīng)力為0.3 MPa條件下材料的剪應(yīng)變;

γ1.0——水平應(yīng)力為1.0 MPa條件下材料的剪應(yīng)變。

基于剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線及式（1）、式（2）可得到不同工況下橡膠支座的剪切剛度計算結(jié)果如表2所示。由表2可知，隨著剪應(yīng)變的增大，橡膠支座的剪切剛度也逐漸增大;隨著接觸面砂紙數(shù)目的增大，橡膠支座的剪切剛度也逐漸增大，這表明增加砂紙能促進(jìn)橡膠材料的抗剪切能力。

4 結(jié)語

為研究三種不同接觸條件下橋梁板式橡膠支座的抗剪切能力，室內(nèi)設(shè)計了無砂紙、單面砂紙和雙面砂紙三種不同工況下橡膠支座的循環(huán)剪切試驗。研究主要結(jié)論如下：

（1）橋梁橡膠支座在車輛循環(huán)荷載作用下會產(chǎn)生一定的剪切變形和滑移，但通過改變橡膠支座的接觸條件，能夠大幅度增大其在循環(huán)荷載影響下的變形能力，從而有效克服橋梁橡膠支座剪切滑移問題。雙面砂紙工況下，橡膠支座的抗剪切變形能力有著非常明顯的提升，在10次剪切加卸載循環(huán)后其最大剪應(yīng)變僅達(dá)到1.43%。

（2）通過采用添加雙面砂紙，增大橡膠支座與橋梁板、橋墩之間摩擦力的方式，使橡膠支座產(chǎn)生的滑移很小，其有效剪應(yīng)變與總應(yīng)變值接近一致。

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收稿日期：2021-03-18

作者簡介：

鐘學(xué)文（1984—），工程師，主要從事道路橋梁檢測工作。