林達(dá)文，彭立群，劉立峰，王 進(jìn)

(中國(guó)南車 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

隔震橡膠支座力學(xué)性能試驗(yàn)研究

林達(dá)文，彭立群，劉立峰，王 進(jìn)

(中國(guó)南車 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1337-3并依據(jù)CE認(rèn)證試驗(yàn)要求，對(duì)隔震橡膠支座的抗壓模量、剪切低溫相關(guān)性、剪切高溫相關(guān)性、耐臭氧性能、復(fù)原彎矩性能、偏心加載、極限性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，總結(jié)出一套合理的試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法，擬對(duì)橋梁支座產(chǎn)品的研發(fā)和試驗(yàn)工作提供支持。

隔震橡膠支座 力學(xué)性能 試驗(yàn)研究

隔震橡膠支座主要由高阻尼橡膠、鋼板、外包橡膠組成，類三明治夾層結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 隔震橡膠支座結(jié)構(gòu)示意

EN1337-3:2005為歐洲橡膠支座標(biāo)準(zhǔn)，已被德國(guó)、法國(guó)、意大利等歐洲國(guó)家高速鐵路采用，同時(shí)也被中國(guó)鐵路客運(yùn)專線借鑒，已經(jīng)有多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)項(xiàng)目包括:抗壓模量、剪切低溫相關(guān)性、剪切高溫相關(guān)性、耐臭氧性能、復(fù)原彎矩性能、偏心加載、極限性能。

國(guó)內(nèi)某企業(yè)出口到歐洲的隔震橡膠支座，需依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1337通過CE認(rèn)證。本文針對(duì)送檢的隔震橡膠支座進(jìn)行了系統(tǒng)的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，總結(jié)出一套合理的試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法，期望對(duì)橋梁支座產(chǎn)品研發(fā)和試驗(yàn)起借鑒作用。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用52 MN試驗(yàn)機(jī)，其豎向最大靜態(tài)荷載為52 000 kN，動(dòng)態(tài)在振幅 ±1 mm工況下最大頻率可達(dá)10 Hz，自帶6個(gè)高精度外接位移傳感器，位移精度1%以內(nèi)，具備荷載、位移兩種控制方式，能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)加載，并能實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)加載，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控及采集。

2 試驗(yàn)研究

2.1 抗壓模量試驗(yàn)

在支座豎向四周安裝位移傳感器(AC1～AC4)，將壓應(yīng)力以(0.03～0.04)MPa/s速率連續(xù)地增至試樣設(shè)計(jì)最大荷載F，F(xiàn)=5GdAS/1.5(式中:Gd為支座橡膠材料彈性模量，A為支座有效承載面積，S為支座形狀系數(shù))，保持1 min，然后卸載，重復(fù)一次，試樣經(jīng)歷兩次滿負(fù)載和無負(fù)載周期。在零負(fù)載狀態(tài)下10 min，加載到5 MPa負(fù)載時(shí)，將位移傳感器歸零，然后以不少于6個(gè)遞增點(diǎn)逐步施載，在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)(遞增點(diǎn))，荷載應(yīng)保持一個(gè)恒定值維持至少2 min，以降低黏彈性的影響。在達(dá)到滿負(fù)載時(shí)，應(yīng)對(duì)試樣支座外露表面進(jìn)行目測(cè)檢驗(yàn)。采集試樣支座變形數(shù)據(jù)直至最大設(shè)計(jì)荷載為止，繪制應(yīng)力—應(yīng)變圖。

初步判定:應(yīng)力應(yīng)變的斜率不應(yīng)呈現(xiàn)出波動(dòng);在最大應(yīng)力下，試樣支座的邊緣不應(yīng)該出現(xiàn)開裂，包括由于橡膠模壓成型或者粘結(jié)造成的缺陷;不能出現(xiàn)錯(cuò)位的加勁鋼板。

試樣實(shí)測(cè)抗壓模量按下列公式計(jì)算

式中:σc2，εc2分別為最大荷載下的壓應(yīng)力和壓應(yīng)變;σc1，εc21分別為1/3荷載下的壓應(yīng)力和壓應(yīng)變。

試驗(yàn)結(jié)果如表1及圖2所示。

表1 抗壓模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖3 溫度相關(guān)性曲線

結(jié)果表明:兩個(gè)支座的抗壓模量基本一致，且加載曲線基本重合，試驗(yàn)過程中支座外觀未見凸凹，支座應(yīng)變＞0.045時(shí)，其應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榉蔷€性變化趨勢(shì)，因此該支座具有可變抗壓模量，能滿足橋梁結(jié)構(gòu)不同承載工況的要求。

2.2 剪切性能低溫相關(guān)性

首先將支座樣品進(jìn)行常溫抗剪模量試驗(yàn)，然后將支座樣品放入低溫箱內(nèi)，分別在 －25℃ 和 －40℃ 下放置168 h后測(cè)試抗剪模量。

將壓應(yīng)力以(0.03～0.04)MPa/s速率連續(xù)地增至平均壓應(yīng)力σ=6 MPa，繪制應(yīng)力—時(shí)間圖，并在整個(gè)抗剪試驗(yàn)過程中保持不變;調(diào)整試驗(yàn)機(jī)的剪切試驗(yàn)機(jī)構(gòu)，使水平油缸、負(fù)荷傳感器的軸線和中間移動(dòng)板的對(duì)稱軸重合;預(yù)加水平位移，以不大于2.5 mm/s恒定速率將試樣進(jìn)行剪切，當(dāng)達(dá)到位移量Vxm時(shí)(0.7Tq≤Vxm≤0.9Tq)，回復(fù)到0變形，試件靜置5 min，再剪至Vxm，如此方式連續(xù)剪切3次，記錄每次循環(huán)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線。Tq為支座橡膠層厚度。

試樣常規(guī)抗剪彈性模量

式中:Gg為試樣實(shí)測(cè)的抗剪彈性模量計(jì)算值，精確至0.01 MPa;τs2，εqx2為變形為 Vx2=0.58Tq時(shí)的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變;τs1，εqx1為變形為 Vx1=0.27Tq時(shí)的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變。

雖然《中圖法》明確規(guī)定，凡屬跨時(shí)代的一部作品，應(yīng)依完成寫作的時(shí)代歸類?？鐣r(shí)代的個(gè)人作品集，均按后一時(shí)代歸類；跨時(shí)代的多人作品集，均按前面的時(shí)代歸類。簡(jiǎn)而言之，就是總集按最前的時(shí)代歸類，別集按最后的時(shí)代歸類。但仍存在因編目人員不清楚文學(xué)作品的時(shí)代復(fù)分規(guī)則或無法確認(rèn)創(chuàng)作時(shí)間，而造成歸類錯(cuò)誤或混亂的情況。例如，魯迅1936年就已病逝，如果入解放后作品集顯然不合適。巴金文集，如果現(xiàn)當(dāng)代作品都有，應(yīng)歸入當(dāng)代文學(xué)；否則，會(huì)讓人誤解為只有解放前的作品。

試驗(yàn)結(jié)果如表2及圖3所示。

表2 抗剪模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)果表明:支座抗剪模量隨溫度降低而變大，在(－25～－40)℃范圍內(nèi)橡膠支座抗剪模量變化率最為明顯。

2.3 剪切性能高溫相關(guān)性

首先將支座樣品進(jìn)行常溫抗剪模量試驗(yàn)，然后將支座樣品放入高溫箱內(nèi)，在70℃下放置72 h后測(cè)試抗剪模量。

結(jié)果表明，支座經(jīng)過高溫70℃老化后抗剪切模量隨溫度增加有遞增趨勢(shì)，相比常溫剛度變化率為11.34%，說明支座抗剪模量對(duì)溫度變化較敏感。

2.4 耐臭氧性能試驗(yàn)

將試樣放置在濃度為25 pphm的臭氧環(huán)境下72 h后，進(jìn)行抗剪模量試驗(yàn)，測(cè)試溫度為(40±5)℃;剪切時(shí)試樣平均壓力為1.3GdAS;剪切變形量Vx=0.7Tq。

2.5 復(fù)原彎矩試驗(yàn)

根據(jù)加力方式不同復(fù)原彎矩試驗(yàn)分單件試驗(yàn)和組對(duì)試驗(yàn)兩種，分別如圖4(a)、圖4(b)所示，本次試驗(yàn)采用組對(duì)方式進(jìn)行測(cè)試。

圖4 復(fù)原彎矩試驗(yàn)示意

將試樣按圖4(b)安裝，對(duì)準(zhǔn)中心位置，精度應(yīng)小于1%的試件短邊尺寸。在距試樣中心L處，安裝使梁產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)用的千斤頂和測(cè)力計(jì)，并在承載梁(或板)四角對(duì)稱安裝傳感器。

預(yù)壓:將壓應(yīng)力以(0.03～0.04)MPa/s速率連續(xù)地增至平均壓應(yīng)力Fz=7 MPa，繪制應(yīng)力—時(shí)間圖，維持5 min，然后以連續(xù)均勻的速度卸載，計(jì)預(yù)壓3次。正式加載時(shí)，將壓應(yīng)力按照抗壓彈性模量試驗(yàn)要求增至Fz=7 MPa，采集支座變形數(shù)據(jù)，繪制應(yīng)力—應(yīng)變圖，并在整個(gè)試驗(yàn)過程中維持Fz不變。用千斤頂對(duì)中間杠桿臂加一個(gè)頻率為0.03 Hz回復(fù)力F，使其達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)角 ±0.003 rad，循環(huán)10次，記錄荷載與變形曲線。

反力矩Me=F/2×L，其中L=800 mm為臂長(zhǎng)。

偏轉(zhuǎn)角度θ=tan(s/L)×180/π

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3、圖5所示。

表3 2種隔震橡膠支座復(fù)原彎矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 隔震橡膠支座復(fù)原彎矩特性曲線

結(jié)果表明:支座的反力矩與承壓面積和豎向荷載成正比，在工程設(shè)計(jì)中，可通過調(diào)整支座的承壓面積來滿足不同橋梁結(jié)構(gòu)的需要。

2.6 偏心加載試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證支座由地震作用力使其產(chǎn)生偏心后，支座的承載特性和外觀狀態(tài)。

本試驗(yàn)采用組對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)選取2件隔震橡膠支座組對(duì)進(jìn)行。給定偏心荷載的接觸面積，施加指定荷載(3.5GdAS/1.5)1 min卸載。然后使支座在不加載狀態(tài)下靜置10 min。重新施加指定荷載，5 min后，記錄傳感器的讀數(shù)。過程不斷重復(fù)，直到?jīng)]有可觀察的隆起。用外推法確定偏心率，偏心率近似值確定后，卸去所有荷載，支座靜置10 min。再次施加荷載5 min，測(cè)量接觸面積。

結(jié)果表明:卸載后支座無粘接缺陷、開裂現(xiàn)象。在試驗(yàn)中當(dāng)偏心距達(dá)到66.6 mm(支座長(zhǎng)邊1/6)，豎向施加荷載并產(chǎn)生0.025 rad轉(zhuǎn)角，保持5 min后卸載，支座外觀無明顯缺陷和開裂現(xiàn)象，表明該支座結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有較好抗震性能。

2.7 極限性能

試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證支座在水平大位移剪切工況下支座的承載特性和外觀狀態(tài)。

將壓應(yīng)力以(0.03～0.04)MPa/s速率連續(xù)地增至平均壓應(yīng)力σ=12 MPa，繪制應(yīng)力—時(shí)間圖，并在整個(gè)抗剪試驗(yàn)過程中保持不變。以不大于2.5 mm/s恒定速率將試樣進(jìn)行剪切，當(dāng)達(dá)到位移量 Vxm時(shí)(Vxm=2Tq)，試件靜置5 min，觀察試樣是否有缺陷;記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線。撤去剪切力后，仍施加壓縮荷載，仔細(xì)觀察支座，任何表明可能有粘接缺陷的膨脹都應(yīng)加以注意，有必要切開邊緣來確定缺陷是否存在，并判斷是否由于粘接失敗所引起。

結(jié)果表明，支座的極限變形性能達(dá)到200%以上，且沒有出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，這說明該支座在極限承載工況下仍具有較好的隔震效果，有利于保護(hù)橋梁上部結(jié)構(gòu)的安全。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)隔震橡膠支座力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，總結(jié)出一套試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)橋梁支座產(chǎn)品研發(fā)和試驗(yàn)可起指導(dǎo)作用。研究證明隔震橡膠支座性能穩(wěn)定、具有較高的耗能性與顯著的隔震效果。

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U443．36+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．02．10

1003-1995(2014)02-0030-03

2014-08-20;

2014-11-06

林達(dá)文(1974— )，男，湖南株洲人，高級(jí)工程師，碩士。

(責(zé)任審編 孟慶伶)