彭坤，徐秀麗，李雪紅，王濤，程夢(mèng)夢(mèng)

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210009)

板式橡膠支座因其構(gòu)造簡(jiǎn)單、加工制造容易、用鋼量少、成本低廉、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于中小跨徑橋梁。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)板式橡膠支座進(jìn)行了許多試驗(yàn)研究。Najm等對(duì)支座進(jìn)行了純壓、壓-扭和壓-剪3種受力狀態(tài)下的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果與AASHTO LRFD規(guī)定的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)吻合較好；Konstantinidis等對(duì)雙面均不固定的方形板式橡膠支座進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明板式橡膠支座在軸壓為298和1 783 kN時(shí)摩擦系數(shù)分別為0.53和0.35；Steelman等對(duì)足尺方形橡膠支座的剪切與摩擦性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明摩擦系數(shù)為0.25～0.50，并且摩擦系數(shù)隨著豎向荷載的增大而減小。

對(duì)汶川地震等的震害調(diào)查及數(shù)值分析均發(fā)現(xiàn)：板式橡膠支座在地震作用下容易產(chǎn)生滑動(dòng)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致梁體移位過(guò)大，進(jìn)而導(dǎo)致更嚴(yán)重的落梁或者梁體碰撞等破壞的發(fā)生。田國(guó)偉的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。而支座滑動(dòng)的直接影響因素就是主梁的慣性力超過(guò)了支座與梁底、墩頂間的摩擦力，因此，支座摩擦的抗滑性能直接影響橋梁的穩(wěn)定性。支座摩擦系數(shù)的影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，而水平加載速率、承壓應(yīng)力和接觸面形態(tài)是支座摩擦系數(shù)最直接的影響因素。該文以工程中的常態(tài)構(gòu)造形式：支座直接與梁、墩的混凝土接觸為前提，通過(guò)試驗(yàn)研究加載速率和承壓應(yīng)力兩種因素對(duì)支座摩擦系數(shù)的影響，為更準(zhǔn)確地分析支座的滑動(dòng)摩擦性能提供數(shù)據(jù)支持。

1 試件及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)?zāi)康募皹?gòu)件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)的主要目的是研究板式橡膠支座與混凝土板接觸時(shí)，面壓大小、水平加載速率對(duì)支座摩擦系數(shù)的影響規(guī)律。田國(guó)偉的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)表明：支座在滑動(dòng)時(shí)上下表面均出現(xiàn)了滑動(dòng)，而為了達(dá)到上述試驗(yàn)?zāi)康暮捅阌谠囼?yàn)的進(jìn)行，在支座上表面添加一塊11 mm厚的鋼板，與試驗(yàn)機(jī)固定，使其只在下表面滑動(dòng)。試驗(yàn)支座選用JTT 663-2006《公路橋梁板式橡膠支座規(guī)格系列》中的GYZ300，具體構(gòu)造見(jiàn)圖1,支座性能見(jiàn)表1。

圖1 支座平面圖(單位：mm)

1.2 加載裝置

試驗(yàn)采用如圖2所示的加載裝置,試驗(yàn)豎向荷載和水平荷載分別通過(guò)豎向和水平作動(dòng)器施加。與支座接觸的混凝土板，為試驗(yàn)前預(yù)制的，規(guī)格為700 mm×700 mm×50 mm。支座上表面通過(guò)固定鋼板與試驗(yàn)機(jī)豎向作動(dòng)器固定連接，下表面直接與混凝土板接觸。

1.3 加載等級(jí)及試驗(yàn)工況

加載等級(jí)的選擇需要考慮支座在地震作用下實(shí)際承受的面壓大小和滑移速度：為了考慮面壓大小和加載速率對(duì)板式橡膠支座摩擦系數(shù)的影響，試驗(yàn)采用25、30 t兩種不同配重工況，對(duì)應(yīng)面壓分別為3.5、4.3 MPa，此處的面壓為豎向荷載與支座面積的比值。每一面壓下加載速率v分別采用5、7、10、12、15、17、20、25、30、40 mm/s；水平荷載采用三角波加載方式，由電液伺服加載系統(tǒng)施加(可直接通過(guò)試驗(yàn)機(jī)讀取數(shù)據(jù))，保持每級(jí)速率下勻速加載；控制水平滑移位移為±100 mm。表2為試驗(yàn)工況列表，每級(jí)配重下對(duì)應(yīng)全部水平速率進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 板式橡膠支座各項(xiàng)性能參數(shù)

圖2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖

表2 試驗(yàn)工況

注：考慮可靠度的因素，每種工況下重復(fù)做兩次試驗(yàn)，以此校核數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.4 試驗(yàn)現(xiàn)象

當(dāng)試驗(yàn)設(shè)備按照設(shè)計(jì)的水平速率開(kāi)始加載后，支座逐漸發(fā)生變形，當(dāng)水平推力達(dá)到支座的最大靜摩擦力之后，支座開(kāi)始滑動(dòng)。當(dāng)支座從原點(diǎn)位置開(kāi)始向左或向右勻速運(yùn)動(dòng)后，由于板式橡膠支座和混凝土板之間摩擦力的存在，支座開(kāi)始變形，并且出現(xiàn)脫空現(xiàn)象(圖3)，當(dāng)支座所受剪切力達(dá)到臨界靜摩擦力后開(kāi)始滑動(dòng)。

圖3 支座變形

從圖3(b)、(c)可以看出：裝置在開(kāi)始加載之后，作動(dòng)器向左(右)運(yùn)動(dòng)時(shí)，支座隨即開(kāi)始向左(右)發(fā)生變形，隨著位移的增大，支座的變形量也開(kāi)始變大，直到支座發(fā)生滑動(dòng)(圖4)。從圖3可明顯看出：支座在變形過(guò)程中發(fā)生了“脫空”現(xiàn)象，此現(xiàn)象可以導(dǎo)致支座的不均勻受壓甚至“卡壓”現(xiàn)象。從圖4可看出：支座的滑移量比較明顯。

圖4 支座的滑移

在板式橡膠支座抗剪標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中將支座試樣與中間鋼板按照雙剪模式進(jìn)行組裝(圖5)，雙剪模式中上下兩個(gè)支座均不允許滑動(dòng)，無(wú)法直接反映出支座的力學(xué)滑動(dòng)特性，因此該試驗(yàn)研究支座的滑動(dòng)性能有重要意義。

2 板式支座摩擦系數(shù)主要影響因素分析

在不考慮其他因素的影響下，摩擦系數(shù)μ=F/f。

圖5 板式橡膠支座標(biāo)準(zhǔn)抗剪試驗(yàn)示意圖

其中F為豎向荷載，根據(jù)試驗(yàn)工況由豎向作動(dòng)器施加；f為水平荷載，根據(jù)支座滑動(dòng)情況通過(guò)試驗(yàn)機(jī)直接獲取，支座滑動(dòng)前臨界點(diǎn)讀取的水平荷載為最大靜摩擦力，支座滑動(dòng)時(shí)水平荷載為滑動(dòng)摩擦力。表3為試驗(yàn)所得支座摩擦系數(shù)，考慮到支座在水平荷載作用下，發(fā)生了脫空現(xiàn)象，支座實(shí)際的接觸面積和面壓均發(fā)生了變化，根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)結(jié)束后支座底面劃痕的

表3 板式橡膠支座摩擦系數(shù)

分布情況，當(dāng)豎向荷載為250 kN時(shí)，其脫空面積約占總面積的25%；豎向荷載為300 kN時(shí)，脫空面積約占總面積的33%，據(jù)此重新計(jì)算得到實(shí)際面壓分別為4.7和6.3 MPa。

由表3可以看出：面壓大小和水平速率對(duì)摩擦系數(shù)的影響比較明顯。

(1) 在相同水平加載速率下豎向面壓不同，板式橡膠支座的摩擦系數(shù)也會(huì)隨之變化，表現(xiàn)為隨著豎向面壓的增大，板式橡膠支座的最大靜摩擦系數(shù)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)都會(huì)減小，從平均值上也可以看出：面壓大小由4.7 MPa增大到6.3 MPa時(shí)靜摩擦系數(shù)由0.357減小為0.328，而滑動(dòng)摩擦系數(shù)則由0.322減小為0.299。因此，從控制支座滑移程度的角度考慮，需要在經(jīng)濟(jì)可行的條件下，盡量減少面壓。

(2) 支座的摩擦系數(shù)在豎向面壓一定的情況下，均隨著水平滑移速率的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，在豎向面壓為4.7 MPa時(shí)：水平加載速率為5～12 mm/s時(shí)，支座摩擦系數(shù)隨著水平滑移速率的增大而增大，并且有明顯的上升趨勢(shì)，而當(dāng)水平滑移速率超過(guò)12 mm/s時(shí)，摩擦系數(shù)又有明顯的減小，當(dāng)滑移速率超過(guò)25 mm/s時(shí)減小的趨勢(shì)變得相對(duì)平緩，在豎向面壓為6.3 MPa時(shí)，亦有同樣的變化趨勢(shì)。從上述現(xiàn)象可知：在地震作用過(guò)程中，支座的摩擦系數(shù)是實(shí)時(shí)變化的，其滑動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜。在分析支座是否出現(xiàn)滑移現(xiàn)象時(shí)，可偏安全地選取較小的摩擦系數(shù)。

3 板式支座性能研究

3.1 支座應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

板式橡膠支座在水平荷載作用下，支座開(kāi)始緩慢變形，直到支座達(dá)到最大摩擦力時(shí)開(kāi)始滑動(dòng)，然而隨著加載速率的不同，板式橡膠支座在發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的水平位移值也不盡相同。不同加載速率時(shí)，支座的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示。由圖6可看出：當(dāng)支座所受水平力大于最大靜摩擦力時(shí)，支座會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，支座應(yīng)力有瞬時(shí)減小的現(xiàn)象，此時(shí)支座所受到的力為滑動(dòng)摩擦力，支座發(fā)生滑動(dòng)的過(guò)程很短，隨即支座出現(xiàn)卡壓，不再繼續(xù)滑動(dòng)，支座變形和應(yīng)力繼續(xù)增大。

圖6 板式橡膠支座應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

為了更清晰地反映支座應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，圖7給出了板式橡膠支座1/4加載周期的剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。圖7中，B點(diǎn)以前即AB段為支座滑動(dòng)前階段，支座應(yīng)力與應(yīng)變基本成線(xiàn)性關(guān)系；B點(diǎn)為支座受到最大靜摩擦力時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，之后支座開(kāi)始滑動(dòng)，這時(shí)應(yīng)變基本保持不變應(yīng)力突然減小，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系接近垂直直線(xiàn)，直至C點(diǎn)，BC段為支座滑動(dòng)階段；C點(diǎn)之后支座持續(xù)變形，支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，導(dǎo)致支座與混凝土板接觸狀態(tài)發(fā)生明顯變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生“卡壓”現(xiàn)象，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力又繼續(xù)增加，至D點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到最大值，CD段為支座卡壓后的強(qiáng)化階段，該階段支座剛度有所增大。

3.2 板式支座極限剪應(yīng)變分析

試驗(yàn)考慮如下工況：0.013 Hz(5 mm/s)、0.018 Hz(7 mm/s)、0.025 Hz(10 mm/s)、0.030 Hz(12 mm/s)以及0.050 Hz(20 mm/s)，分析支座開(kāi)始滑動(dòng)

圖7 板式橡膠支座剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

時(shí)的極限剪應(yīng)變。極限剪應(yīng)變可根據(jù)支座滑動(dòng)前的水平位移，按式(1)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

(1)

式中：x為支座開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)的水平位移；tr為板式橡膠支座的橡膠層總厚度，取53 mm。

表4 板式橡膠支座滑動(dòng)時(shí)的剪應(yīng)變

由表4可以看出：① 支座滑動(dòng)前的極限剪應(yīng)變受面壓影響較大，面壓較大時(shí)，極限剪應(yīng)變有明顯增大。當(dāng)面壓為4.7 MPa時(shí)，其極限剪應(yīng)變?yōu)?20%～133%；當(dāng)面壓為6.3 MPa時(shí)，其極限剪應(yīng)變?yōu)?43%～156%；② 隨著加載速率的增大，極限剪應(yīng)變呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)加載速率為10～12 mm/s時(shí)，極限剪應(yīng)變達(dá)到最大；③ 不同的加載方式，當(dāng)支座開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)，支座的極限剪應(yīng)變均大于120%。而一般規(guī)定當(dāng)支座的剪應(yīng)變超過(guò)100%時(shí)，則發(fā)生滑動(dòng)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，該項(xiàng)規(guī)定偏于保守。

4 結(jié)論

(1) 在相同水平加載速率下，隨著豎向面壓的增大，板式橡膠支座的最大靜摩擦系數(shù)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)均呈減小的趨勢(shì)。從控制支座滑移程度的角度考慮，在經(jīng)濟(jì)可行的條件下，盡量減少面壓，此處的面壓已考慮支座脫空的影響。

(2) 在豎向面壓一定的情況下，支座的摩擦系數(shù)隨著水平滑移速率的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，水平滑移速率為12 mm/s時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到最大值。即在地震作用過(guò)程中，支座的摩擦系數(shù)是實(shí)時(shí)變化的，其滑動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜。在分析支座是否出現(xiàn)滑移現(xiàn)象時(shí)，可偏安全地選取較小的摩擦系數(shù)。

(3) 當(dāng)水平推力達(dá)到支座的最大靜摩擦力之后，支座開(kāi)始滑動(dòng)。在開(kāi)始滑動(dòng)瞬間，支座應(yīng)力會(huì)瞬時(shí)減小，支座應(yīng)變基本不變，在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)上出現(xiàn)突變，之后應(yīng)變和應(yīng)力繼續(xù)增大。

(4) 支座滑動(dòng)前的極限剪應(yīng)變受面壓影響較大，面壓較大時(shí)，極限剪應(yīng)變有明顯增大。不同加載方式，支座開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)，其極限剪應(yīng)變均大于120%。而一般規(guī)定當(dāng)支座的剪應(yīng)變超過(guò)100%時(shí)，則發(fā)生滑動(dòng)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，該項(xiàng)規(guī)定偏于保守。此處的面壓已考慮支座脫空的影響。