彭立群 林達文 王 進 吳興磊

(1.株洲時代新材料科技股份有限公司 湖南 株洲 412007；2.國家軌道交通高分子材料及制品質量監(jiān)督檢驗中心(湖南) 湖南 株洲 412007)

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，對客運專線橋梁的使用壽命提出了更高的要求，伸縮縫作為橋梁整體防水體系的重要部件，為提高橋梁結構耐久性發(fā)揮了重要作用，因為傳統(tǒng)橡膠伸縮縫安裝復雜、維護不便，所以新建客運專線橋梁大都采用新型的聚氨酯彈性體伸縮縫，聚氨酯是一類在高分子結構主鏈上含有氨酯基的聚合物，具有較好的耐高低溫、耐疲勞和防排水性能，因此在混凝土橋梁建設中廣泛應用，彈性體伸縮縫通常是以現(xiàn)場澆筑的方式進行施工，聚氨酯材料與混凝土之間的粘接性能是保證防水和疲勞壽命的關鍵參數(shù)，因此研究彈性體伸縮縫的粘接性能對提高橋梁結構的安全和可靠性具有重要的意義[1-2]。

1 彈性體伸縮縫

彈性體伸縮縫在澆筑前，首先對橋墩上相結合處的混凝土兩側面進行清洗，待混凝土干燥后涂上特制的粘接涂料，然后在下側使用專用的施工工裝進行底部造型或形成密封腔，利用防水A、B料均勻攪拌形成聚氨酯彈性密封材料，以一定的澆筑速度平穩(wěn)地注入伸縮縫內(nèi)，待密封材料固化后，定時進行養(yǎng)護維修便形成如圖1所示的彈性體伸縮縫[3]。當后期使用過程中出現(xiàn)剝離、起鼓現(xiàn)象，可以有針對性地進行維修，這種方法施工方便、維護成本低。試驗用試樣需依據(jù)現(xiàn)場施工工藝和標準要求制作標準件，其中低周疲勞試樣寬度為100 mm，高周疲勞試樣為600 mm，如圖2所示。

圖1 伸縮縫安裝位置

圖2 伸縮縫標準試樣

2 試驗

2.1 標準分析

德國鐵路橋梁標準DS 804.5201是世界上最早有關橋梁伸縮縫的標準，國內(nèi)由交通部參考該標準起草了JT/T 327—2004 《公路橋梁伸縮縫裝置》，后修訂為JT/T 327—2016《橋梁伸縮縫裝置通用技術條件》，2005年鐵道部科技司發(fā)布了科技基[2005]101號《客運專線橋梁伸縮裝置暫行技術條件》，TJ/GW 078—2005 《客運專線橋梁伸縮縫裝置暫行技術條件》，其中標準中4.1、4.2和4.3項分別規(guī)定了伸縮縫必須同時滿足橋梁順向、橫向和豎向變形，型鋼與防水橡膠條拉伸3倍位移，夾持載荷15 min，夾持部分不脫落，防水膠條注水24 h無泄漏[4]，其中4.2項類似于粘接性能試驗，但以上標準僅適用于橡膠類伸縮縫。

TJ/GW 120—2013《鐵路混凝土橋梁彈性體伸縮縫暫行技術條件》是鐵路總公司依據(jù)新型彈性體伸縮縫制定的新標準，標準詳細規(guī)定了試驗成品的制樣、規(guī)格和試驗項目點[5]。彈性體伸縮具體試驗還可以參考TB/T 3435—2016 《鐵路混凝土橋梁梁端防水裝置》、GB/T 2362—2009 《混凝土道路伸縮縫用橡膠密封件》。

2.2 試驗方案

彈性體伸縮縫性能試驗分為低周拉伸疲勞試驗、高周拉伸疲勞試驗、剪切疲勞試驗和靜載試驗。

(1)低周拉伸疲勞試驗：分常溫、低溫和高溫3種工況，主要測試試樣在低頻垂直拉伸載荷作用下的粘接和內(nèi)聚破壞情況。改進前的方案只能進行常溫條件的低周拉伸疲勞試驗。改進后的試驗方案包括靜態(tài)電子萬能試驗機、高低箱和專用試驗工裝三部分，分別如圖3所示。

圖3 低周疲勞試驗

改進后的方案為：高低溫箱安裝于試驗機動橫梁加載中心，伸縮縫試樣通過工裝先橫向鎖緊成一個整體，下端固定于高低溫箱內(nèi)置平臺，上端通過連接裝置與試驗動橫梁固定。具體試驗時，首先通過高低溫箱設置到規(guī)定溫度，然后通過試驗機對試樣施加拉伸載荷進行低周疲勞試驗。

(2)高周拉伸疲勞試驗：主要測試試樣在高頻垂直拉伸載荷作用下的粘接和內(nèi)聚破壞情況。試驗在常溫條件下進行，試驗方案包括液壓疲勞試驗機和專用試驗裝置，試樣下端通過專用工裝固定于試驗機T型平臺，上端與試驗機加力桿連接，通過垂向油缸施加動態(tài)交變載荷，對伸縮縫進行高周疲勞試驗。按加載方式分為單個拉伸和成組拉伸2種(見圖4)，其中，成組拉伸試驗可以同時對3種不同配方聚氨酯伸縮縫進行疲勞試驗，得出最優(yōu)方案，達到降低開發(fā)周期的目的[6]。

圖4 高周疲勞試驗

(3)剪切疲勞試驗：測試試樣在剪切位移作用下的粘接和內(nèi)聚破壞情況。試驗裝置包括橫向保持、夾持和滑臺剪切三部分，所述的伸縮縫試樣以水平方式安裝于剪切試驗工裝內(nèi)，通過橫向保持裝置使試樣保持正常安裝間隙，右端通過夾持裝置固定于保持裝置側板、左端通過夾持裝置固定于滑臺剪切裝置，通過垂向油缸帶動滑動使試樣產(chǎn)生剪切變形，進行剪切疲勞試驗(見圖5)。

圖5 剪切疲勞試驗

(4)靜載性能試驗：是指對試樣施加靜態(tài)載荷，形成規(guī)定的靜載強度并保持規(guī)定的時間，觀察彈性體及粘接處的開裂情況(見圖6)。試驗裝置包括加載頭、導向桿、保持架和砝碼。

圖6 靜載性能試驗

2.3 試驗裝置

重點介紹剪切試驗裝置，主要由夾持裝置、剪切裝置、單通道加載試驗機組成(見圖7)。其中試樣安裝于夾持裝置中，通過夾板和鎖緊螺栓固定，右側固定于保持框側板，左側安裝于滑臺的滑板，通過試驗機垂向油缸施加位移進行整體剪切試驗。

圖7 試驗方案

(1)夾持裝置：由U型固定板、夾板、鎖緊螺栓、鎖緊螺母、試樣組成，如圖8所示。其作用是通過U型固定板和夾板的調(diào)節(jié)，完成試樣的固定，模擬實際安裝工況。

(2)滑動裝置：由上定位板、導桿、限位塊、滑板、導向板、下定位板組成(見圖9)。其作用是通過保持框保證試樣的安裝距離，并且將試驗機垂向位移轉向成對試樣的剪切變形。

圖8 夾持裝置

圖9 滑動裝置

2.4 有限元分析

2.4.1試驗工裝

(1)靜態(tài)分析：當垂向油缸推動滑臺進行剪切疲勞試驗時，使得工裝夾持裝置承受較大的橫向載荷。根據(jù)長期疲勞試驗的要求，需要通過有限元分析，了解這種結構設計是否滿足設計要求。通過對三維模型進行合理的簡化，并進行網(wǎng)絡劃分。

圖10 夾持裝置應力/變形云圖

工裝選用的材料是45#鋼，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為 210 GPa，泊松比為 0.3，抗拉強度為600 MPa，屈服強度為355 MPa，計算分析得到了如圖10所示的應力云圖和位移云圖。由圖11可以看到：夾持裝置的最大應力出現(xiàn)在中間連接處，最大等效應力為86 MPa，最大的位移出現(xiàn)在兩端夾持前部，最大位移為 0.6 mm，未發(fā)生明顯的變形。通過上述數(shù)據(jù)，可以得到關鍵承載件的安全系數(shù)n0=355/86=4.1，滿足安全設計標準要求，結構設計合理。

(2)模態(tài)分析：對工裝關鍵件夾持裝置進行模態(tài)分析，工裝的四階振型148 Hz、150 Hz、152 Hz、163 Hz如圖11所示，工裝的最低固有頻率低于試驗最高激振頻率2 Hz，不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

圖11 夾持裝置四階振型圖

2.4.2伸縮縫

分析得出伸縮縫在拉伸載荷條件下的最大應力1.7 MPa產(chǎn)生于聚氨酯材料與混凝土粘接處；在剪切載荷條件下的最大應力1.49 MPa產(chǎn)生于聚氨酯材料中間處；在靜載條件下的最大應力2.42 MPa產(chǎn)生于兩端粘接處，3種工況下最大應力均小于材料允許應力，滿足粘接性能要求。

彈性體伸縮縫的粘接性能主要取決于混凝土表面粗糙度、粘接面積、底層涂料粘接性能和伸縮縫結構形狀4個因素，從上述分析結果得出：伸縮縫設計成“n”型結構，有助于增加側面粘接面積，達到增強粘接效果的目的，同時有利于減小彈性體材料的局部應力，避免應力集中進而加速產(chǎn)品的疲勞破壞和失效，分析結果表明伸縮縫在拉伸、剪切、壓縮3種條件下均具有較好的粘接性能。

3 結果與討論

3.1 低周疲勞對粘接性能的影響

3.1.1試驗方法

常溫試驗：在溫度(23±2)℃放置4 h，垂向拉伸(80～120)mm，頻率0.01 Hz，循環(huán)加載200次，記錄載荷與變形曲線。

高溫試驗：在溫度(60±2)℃放置4 h，垂向拉伸(80～120)mm，頻率0.01 Hz，循環(huán)加載200次，記錄載荷與變形曲線。

低溫試驗：在溫度(-30±2)℃放置4 h，垂向拉伸(45～85)mm，頻率0.01 Hz，循環(huán)加載200次，記錄載荷與變形曲線。

3.1.2結果及分析

常溫試驗：從圖12可以看出伸縮縫的拉伸載荷隨變形呈非線性遞增，變形20 mm是曲線載荷拐點。其中加載穩(wěn)定后的包絡曲線基本重合且斜率明顯大于第1次加載曲線。這是因為聚氨酯材料受Mullins效應的影響，隨著拉伸次數(shù)的增加，材料的拉伸模量不斷減小，最后趨于穩(wěn)定值。當試樣拉伸變形120 mm時的載荷為0.17 kN，變形80 mm時的載荷為0.09 kN，循環(huán)加載200次的滯回包絡曲線光滑且無異常，試樣外觀無粘接和內(nèi)聚破壞現(xiàn)象，這表明伸縮縫的粘接性能滿足常溫工況要求，與分析結果基本一致。

圖12 常溫條件載荷與變形曲線

高溫試驗：從圖13可以看出在高溫拉伸條件下聚氨酯材料拉伸載荷有所下降，但受溫度影響不明顯，當試樣拉伸變形120 mm時的載荷為0.16 kN，80 mm時的載荷為0.1 kN，循環(huán)加載200次的滯回包絡曲線光滑且無異常，試樣外觀無粘接和內(nèi)聚破壞現(xiàn)象，這表明伸縮縫在高溫條件下仍具有較好的粘接性能。

圖13 高溫條件載荷與變形曲線

低溫試驗：從圖14可以看出由于溫度降低導致聚氨酯材料硬度變大，曲線非線性更加明顯，且循環(huán)加載曲線的斜率明顯大于常溫和高溫，這表明伸縮縫剛度變大。當試樣拉伸變形85 mm時的載荷為0.14 kN，45 mm時的載荷為-0.1 kN，循環(huán)加載200次的滯回包絡曲線光滑且無異常，試樣外觀無粘接和內(nèi)聚破壞現(xiàn)象，這表明伸縮縫粘接性能滿足低溫工況的要求。

圖14 低溫條件載荷與變形曲線

3.2 高周疲勞對粘接性能的影響

3.2.1試驗方法

將試樣裝入專用試驗工裝，垂向以6 mm/min的速度拉伸，伸長至62 mm作為平衡位置，在標準試驗條件下以5 Hz的頻率進行疲勞試驗，疲勞上限、下限分別為64 mm、60 mm，循環(huán)加載200萬次，觀察試樣的聚氨酯材料與混凝土的粘接狀態(tài)，以及材料內(nèi)聚破壞情況。

3.2.2結果及分析

高周疲勞試驗后聚氨酯材料與混凝土塊粘接良好，無裂紋和其他異常。高周疲勞類似于動態(tài)和小周期疲勞試驗，在高頻拉伸變形條件下，一方面可以測試出聚氨酯材料、粘接涂料和混凝土3種不同介質間的粘接性能，另一方面可以測試出聚氨酯本體材料的拉伸性能，從上述試驗結果描述來分析，該彈性體伸縮縫的粘接性能滿足高周疲勞性能要求。

3.3 剪切疲勞對粘接性能的影響

3.3.1試驗方法

通過設計專用試驗工裝固定試樣一端混凝土塊，整體以水平方式安裝，保持初始安裝寬度，對另一端混凝土塊施加剪切位移±15 mm，頻率2 Hz，循環(huán)加載200萬次，觀察試樣的粘接狀態(tài)和內(nèi)聚破壞情況。

3.3.2結果及分析

剪切疲勞試驗后聚氨酯材料與混凝土塊粘接良好，無裂紋和其他異常。在實際使用過程中，由于彈性體伸縮縫的自重在混凝土側面產(chǎn)生豎向變形，引起彈性體與混凝土的剝離，上述剪切疲勞試驗是驗證該工況的重要手段，從試驗結果來分析，在大位移、高頻率、大剪切位移作用下，伸縮縫的彈性體與混凝土仍粘接良好無剝離，表明該彈性體伸縮縫的粘接性能滿足剪切疲勞性能要求，與分析結果基本一致。

3.4 靜載對粘接性能的影響

3.4.1試驗方法

沿橋梁豎向對伸縮縫以砝碼方式施加質量80 kg，加載過程中工裝導桿始終與產(chǎn)品保持垂直，保載1 h，觀察試樣的聚氨酯材料與混凝土的粘接狀態(tài)。

3.4.2結果及分析

靜載試驗后聚氨酯材料與混凝土塊粘接良好、無破壞。該試驗主要是驗證彈性體伸縮縫是否因中間承載在兩端產(chǎn)生剪力或撕裂力，試樣出現(xiàn)粘接失效。從試驗結果描述來分析，該彈性體伸縮縫的粘接性能滿足靜載性能要求，與分析結果基本一致。

4 結束語

以上通過對聚氨酯彈性體伸縮縫的使用工況進行分析，設計了新型的力學性能試驗方案，重點介紹了剪切疲勞試驗裝置的結構，為伸縮縫產(chǎn)品試驗設計提供參考。研究表明：新型方案結構設計合理、滿足試驗要求，且更能準確地反映出彈性體伸縮縫的粘接性能，在4種工況下伸縮縫的粘接性能均滿足要求，且分析結果與試驗結果基本一致。