冻融条件下公路桥梁板式氯丁橡胶支座受压试验研究

张延年　单春红　郑怡　熊卫士　沈小俊　高飞

摘要：公路桥梁橡胶支座比建筑橡胶支座更容易受到气候的影响，为了研究公路桥梁板式氯丁橡胶支座经过冻融循环后的承载力变化情况，采用标准冻融试验箱对氯丁橡胶支座进行25、50、75、100次的冻融循环处理并进行轴心受压试验，研究其在不同冻融循环次数的承载力、极限抗压强度、竖向刚度、弹性模量等各项性能指标的变化，并与标准试件进行对比分析。结果表明经过冻融循环处理的氯丁橡胶支座更容易发生脆性破坏，且钢板外露、裂缝等破坏现象比标准试件更严重。随着冻融循环次数的增加，冻融程度的加深，氯丁橡胶支座极限承载力、极限抗压强度、抗压弹性模量都逐渐降低；采用最小二乘法得出50 a抗压强度和抗压弹性模量的衰减曲线和衰减公式，其变化趋势基本符合指数函数规律。冻融循环后的公路桥梁板式氯丁橡胶支座的各项力学性能指标显著降低，因此应严格控制公路桥梁板式氯丁橡胶支座的温度适用范围，并建议提高其最低适用温度，在寒冷地区尽量采用天然橡胶支座。

关键词：氯丁橡胶支座；轴心受压试验；承载力；竖向刚度

中图分类号：U443文献标志码：A文章编号：16744764（2013）06004006

板式橡胶支座由多层均匀分布的橡胶与钢板粘接叠合而成，是重要的承力和抗震减振装置，其质量直接影响支座的作用功能、安全可靠度和使用寿命。针对板式橡胶支座耐久性的研究已有较多[12]，Kalpakidis与杜永峰[35]等对高温下叠层橡胶支座的受力性能进行研究；Takenaka[6]对叠层橡胶支座的热力学性能进行了实验研究；由世岐等[7]对低温环境下叠层橡胶支座变形特性进行研究；吴波等[8]对隔震橡胶支座防火性能进行了研究；Gu等[911]对桥梁天然橡胶支座的老化性能进行了研究；李慧等[12]进行了-20～-50℃寒冷环境下的隔震叠层橡胶支座的性能试验。许冬华等[13]研究表明氯丁橡胶在低于10℃时开始出现轻微结晶现象，低于0℃时，结晶现象加剧，橡胶变硬，硬度和定伸应力的增大，影响支座的弹性模量，温度继续降低，这种现象更加明显[13]。在世界的温带及寒带地区，气温变化较大，在这种环境下，公路桥梁橡胶支座比建筑橡胶支座更容易受到气候的影响。迄今关于氯丁橡胶支座在冻融循环下的耐久性研究十分匮乏。因此对桥梁板式氯丁橡胶支座进行冻融循环处理，而后对其进行轴心受压试验，研究其受压性能，并利用最小二乘法给出相关的衰减曲线和衰减模型。

2.2加载方案

试验为轴心受压试验，采用分级加载方式，进行预压与正式加载。在预压时进行物理对中与几何对中，检测各测点的稳定性，其数值应基本一致，偏差应在15%以内[14]。加载过程持续到出现极限荷载，承载力下降，试件破坏为止。

2.3试验现象

进行轴心受压试验时，观察试验现象。逐级增加竖向荷载，未达到开裂荷载时，试件处于弹性状态，水平和竖向位移随荷载增加而增加，且与荷载的增加基本呈线性关系，此时观察试件表面，并未产生裂缝，外观变化较小；继续加载，达到开裂荷载时，试件边缘钢板与橡胶粘合处出现细微裂缝，此时荷载稍微有停滞状态，但很快恢复，而后荷载继续增加，水平位移也急剧增加，竖向位移变化较慢，裂缝变宽、变长，试件边缘开始产生凸出现象；当快达到破坏荷载时，水平位移及竖向位移增加较小；达到破坏荷载，承载力陡然下降，迅速减小，水平位移及竖向位移不再增加，裂缝达到最大，试件破坏。破坏位置主要是橡胶与钢板的粘合处，钢板与橡胶产生脱离，出现层状破坏。从各组试件的破坏现象观察，ZYBZ01的弹性阶段比冻融循环处理过的试件长，极限承载力较大；而冻融循环处理的试件，随冻融循环次数增加，弹性阶段缩短，极限承载力减小，试件裂缝较多、较大，破坏严重。图6为试件的破坏形态。

根据《军用设备气候极值》（GJB1172.11-91）[15]数据及统计温带地区在冬季的最高及最低平均气温显示，中国东北、华北及西北地区（除青海）的平均年冻融循环日数一般为60～130 d，实际冬季的昼夜温差约为12℃，而实验的温差为35℃，因此1次快速冻融循环约为实际1次冻融循环的3倍，此时25、50、75、100次冻融循环大约为实际的1、2、3、4 a的冻融情况，将极限抗压强度的数据通过曲线拟合成50 a氯丁橡胶支座的极限抗压强度，采用最小二乘法进行处理，其拟合曲线如图8所示。

4结论

1）经过冻融循环处理的氯丁橡胶支座的破坏情况比标准试件严重，且循环次数越多，裂缝越大，钢板外露情况越明显，层状破坏越严重。

2）氯丁橡胶支座的弹性阶段随冻融循环增加而缩短，经过处理的试件的极限承载力较标准试件低，极限承载力随冻融循环次数增加而降低。

3）冻融循环处理的试件的极限抗压强度小于标准试件，且随着冻融循环次数的增加，极限抗压强度逐渐降低，采用最小二乘法对数据进行拟合，得出的50 a的衰减模型符合实际情况。

4）氯丁橡胶支座的竖向刚度受冻融循环影响，经过冻融循环处理试件的竖向刚度低于标准试件。

5）冻融循环对氯丁橡胶支座的抗压弹性模量影响较大，采用最小二乘法对数据进行拟合，得出的50 a的衰减模型符合实际情况。

6）冻融循环后，公路桥梁板式氯丁橡胶支座的各项力学性能指标显著降低，已无法满足实际工程需求，因此应严格控制公路桥梁板式氯丁橡胶支座的温度适用范围，并建议提高其最低适用温度，在寒冷地区尽量采用天然橡胶支座。

参考文献：

[1]Itoh Y， ASCE M， Gu H S. Prediction of aging characteristics in natural rubber bearings used in bridges [J]. Journal of Bridge Engineering， 2009，14（2）：122128.

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[4]Kalpakidis I V， Constantinou M C. Effects of heating on the behavior of leadrubber bearings. 2： verification of theory [J]. Journal of Structural Engineering， 2009， 135（11）：14501461.

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[7]由世岐，刘斌，楼永林.低温环境对叠层橡胶支座变形特性影响的试验研究[J].东北大学学报：自然科学版，2005，3（26）：297299.

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[12]李慧，邓学晶，杜永峰，等.寒区叠层橡胶隔震支座拟静力试验研究[J].低温建筑技术，2003（4）：3335.

[13]许冬华，吴华丰，王建芬.环境温度对氯丁橡胶支座压剪性能试验的影响[J].公路，2010，55（1）：7678.

[14]JT/T4-2004 公路桥梁板式橡胶支座[S].北京：中国标准出版社，2004.

[15]GJB1172.11-91 军用设备气候极值[S].北京：中国标准出版社，1991.

[16]GB/T20688.1-2007 橡胶支座：第1部分，隔震橡胶支座试验方法[S].北京：中国标准出版社， 2007.

（编辑胡玲）