冻融条件下公路桥梁板式天然橡胶支座初步研究

【摘要】为研究板式天然橡胶支座在冻融交替循环环境下能否按预定的要求起到其应有的效果，及力学性能的改变情况，设计将一批橡胶支座置于标准冻融试验箱中，控制一定的温度与湿度，分别进行25次、50次、75次、100次和150次冻融循环处理，模拟自然界中我国北方大部分地区冬季冻融交替环境对天然橡胶支座的影响。对经处理过的试件进行抗压试验，从极限抗压强度、抗压弹性模量、抗剪弹性模量、竖向刚度及水平等效刚度等方面研究其力学性能的变化。采用最小二乘法建立天然橡胶支座的衰减模型，推导出相应的拟合曲线及衰减函数，用于粗略估算环境因子对于橡胶支座力学性能的改变情况。

【关键词】橡胶支座；冻融处理；力学性能

一、 试件设计

依据交通部《公路桥梁板式橡胶支座规格系列》（JT/T663-2006）选取试件，选取GJZ200×300×41（NR），分为6组，其中1组为自然状态下的标准试件，其余5组为经不同冻融循环处理过的试件，冻融处理的次数分别为25、50、75、100和150次。

二、 处理过程

所有橡胶支座做冻融处理，冻融循环次数分别为25、50、75、100和150次，在高低温交变湿热试验箱中进行。经过冻融处理后，天然橡胶支座的外形尺寸发生了细微变化，故须在试件处理前后对其进行尺寸测量。尺寸测量的具体方法参照《公路桥梁板式橡胶支座技术标准》（JT/T4-2004）进行。经冻融处理后，天然橡胶支座较处理前从外形、尺寸等各方面均未发生明显变化，可以忽略不计。

三、 加载方案

采用千斤顶进行加载。

四、 试验现象

试验开始初期，位移较荷载变化快，橡胶支座出现较明显的压缩变形，但变形处在弹性发展阶段，无明显裂纹出现；随着荷载的增加，荷载-位移曲线基本呈线性规律持续变化，在达到3000kN左右，荷载增加较位移减缓，出现较明显的塑性变形，水平及竖向均发生较大位移，橡胶支座表面出现细微裂纹，支座四周边缘开始出现鼓凸现象，钢板与橡胶粘合处出现脱胶痕迹，支座下方橡胶层发生外翻现象并伴有压溃的趋势，荷载继续增加，荷载-位移曲线渐渐趋于平缓；当接近极限荷载时，荷载陡然下降，水平及竖向位移出现少量回缩现象，试件压溃破坏。试验现象主要是橡胶层大面积开裂，开裂处残留有絮状橡胶碎屑，钢板断裂，呈层状破坏分布，试件较试验前有明显胀大且弯曲严重，观察试件四周边缘可以发现一圈明显的脱胶痕迹。从各组试件的破坏现象来看，标准试件较经冻融处理过的试件弹性阶段要长，极限承载力更大；而经冻融处理过的试件，随冻融循环次数的增加，弹性阶段缩短及极限承载力降低更为明显，试件出现更多、更宽、更长的裂缝，破坏更为严重。

五、 结果分析

天然橡胶支座为弹塑性体，在工程实际应用中，弹性阶段的力学性能研究更具有实践价值，对于不同的冻融环境处理，其各项指标呈现出的不同变化情况。

处在弹性阶段的矩形板式天然橡胶支座，其极限承载力、极限抗压强度随着冻融循环次数的增加、冻融损伤程度的加深而不断减小。同时，经冻融处理过的试件其水平及竖向位移较标准试件要小，但从试验现象中观察到，位移越小，试件破坏的越为严重，而变形、裂缝越为明显。

依据《军用设备气候极值》（GJB1172.11-91）全国180个测站年冻融循环单站记录，我国东北、华北和西北地区（除青海），平均年冻融循环日数单站最大值一般为60-130天，35°N-12°N范围内为高值区，在80-130天之间。根据1961-2007年我国累年年平均气温年较差的空间分布图，我国气温年较差从南向北随纬度的升高而增大，直到黑龙江漠河地区达到最大值49℃。黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、新疆地區平均气温年较差大多在40℃左右。而本实验采用的冻融循环温差约为35℃，据此，本试验中的25、50、75、100、150次冻融循环处理分别相当于自然环境中1、2、3、4、5年的情况。随着冻融循环次数的增加，极限抗压强度呈下降趋势，但不会一直减少，当达到一定程度后下降过程变得很慢而趋于稳定，基本符合指数函数的规律：

（1）

式中，n为侵蚀年数；Ru为极限抗压强度。

将计算结果与试验结果进行对比分析，公式理论计算值与试验值比值平均值为0.994，标准差为0.054，变异系数为5.476%，由此说明，由试验数据拟合得到的矩形板式天然橡胶支座极限抗压强度的衰减函数与现实情况基本吻合。

通过实验数据计算得到不同冻融处理条件下的矩形板式橡胶支座抗压弹性模量，采用最小二乘法拟合得到50年天然橡胶支座抗压弹性模量的衰减曲线。且随着冻融循环处理程度的加深，抗压弹性模量呈下降趋势，基本符合指数函数的规律：

（2）

式中，n为侵蚀年数；E1为抗压弹性模量。

将计算结果与试验结果进行对比分析，公式理论计算值与试验值比值平均值为1.002，标准差为0.050，变异系数为5.000%，由此说明，由试验数据拟合得到的矩形板式天然橡胶支座抗压弹性模量的衰减函数与现实情况基本吻合。

矩形板式天然橡胶支座竖向刚度的大小，随着竖向荷载的增加而呈现出现先升后降的趋势，在2000kN左右，竖向刚度达到最大值，即荷载-位移曲线斜率最大处，而后随着竖向荷载的增大而不断减少，试件变形速度加快。同时，竖向刚度直接影响橡胶支座受力变形的稳定性，稳定性越差，越容易发生破坏，而标准试件的竖向刚度均大于经冻融处理过的试件。

六、 小结

（1）经冻融处理过的矩形板式天然橡胶支座，随着循环次数的增加，局部变形越为明显，弹性阶段缩短，更容易发生脆性破坏，试件变形越大，橡胶层开裂及钢板暴露断裂现象更为严重。

（2）经冻融处理过的矩形板式天然橡胶支座的极限抗压强度不如标准试件，且随着冻融循环次数的增加，极限抗压强度呈下降趋势。由实验数据分析，采用最小二乘法建立天然橡胶支座极限抗压强度的衰减模型，得到50年板式天然橡胶支座极限抗压强度的衰减函数及衰减曲线。

（3）经冻融处理过的矩形板式天然橡胶支座的抗压弹性模量不如标准试件，且随着冻融循环次数的增加，抗压弹性模量呈下降趋势。同样，由实验数据分析，采用最小二乘法建立天然橡胶支座抗压弹性模量的衰减模型，得到50年板式天然橡胶支座抗压弹性模量的衰减函数及衰减曲线。

作者简介：王晓强（1987-），男，汉族，辽宁省丹东市人，中铁九局第六工程有限公司助理工程师，学历：本科