孫 穎，鄭誠(chéng)斌，卓衛(wèi)東，黃新藝，鄭 路

(福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福州 350000)

板式橡膠支座廣泛用于我國(guó)中小跨徑橋梁，由于其與墩柱和梁板間獨(dú)特的連接方式，導(dǎo)致我國(guó)中小跨徑公路梁式橋在地震作用下表現(xiàn)的震害與國(guó)外同類型橋梁的震害調(diào)研結(jié)果有著不同的表現(xiàn)[1-2]，采用板式橡膠支座的梁式橋因支座表現(xiàn)出的準(zhǔn)隔震性能從而對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用。

針對(duì)板式橡膠支座在地震作用下的力學(xué)性能以及對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，國(guó)內(nèi)外研究人員通過理論與試驗(yàn)研究已得到了包括力學(xué)模型、摩擦滑移特性等較明確的結(jié)論[3-7]，同時(shí)，將板式橡膠支座的滑移機(jī)制視作“fuse”單元，在地震中可優(yōu)先破壞[8]。

然而，縱觀國(guó)內(nèi)外針對(duì)板式橡膠支座力學(xué)性能所進(jìn)行絕大多數(shù)的理論與試驗(yàn)研究，其研究對(duì)象均為未使用過板式橡膠支座。針對(duì)使用過的的板式橡膠支座(下文統(tǒng)稱“老舊板式橡膠支座”)，其力學(xué)性能研究成果相對(duì)較少。Russo等[9]提到老化對(duì)支座的滑移性能會(huì)有較大影響。目前，關(guān)于老化對(duì)橡膠支座性能的研究方法大多集中于人工加速老化等[10]，人工加速老化與板式橡膠支座在實(shí)際使用過程中的對(duì)應(yīng)關(guān)系尚待商榷。以實(shí)際工程中使用一段時(shí)間后的板式橡膠支座為研究對(duì)象開展的研究更是未見報(bào)道。

考慮到板式橡膠支座老化對(duì)其力學(xué)性能有影響，本文以收集到的公路梁式橋上使用過的板式橡膠支座為研究對(duì)象，通過開展壓剪試驗(yàn)，探討支座剪切剛度、摩擦因數(shù)等參數(shù)隨使用時(shí)間變化的規(guī)律，進(jìn)而研究其力學(xué)分析模型參數(shù)的時(shí)變特性。

1 試驗(yàn)概要

1.1 試驗(yàn)樣本

本文試驗(yàn)所采用的支座曾服役于福建省公路系統(tǒng)，其使用時(shí)間分別為3年、7年、10年、25年。具體型號(hào)如表1所示。

表1 試件詳細(xì)列表

通過外觀檢查發(fā)現(xiàn)，使用時(shí)間為3年和7年的支座，其外表面未有明顯的損傷；使用時(shí)間為10年的支座中大部分的GYZ D330×74型號(hào)支座及GJZ 250×350×63型號(hào)支座中間橡膠層有輕微的鼓凸伴隨細(xì)微裂縫，其余支座基本無明顯損傷；使用時(shí)間為25年的支座，橡膠層均有一定程度鼓凸，且表面較為粗糙；以上所有支座橡膠表層顏色泛黃。

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)過程

1.2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在福州大學(xué)20 000 kN大型壓剪試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置最大可施加20 000 kN的豎向力，水平向活塞可施加最大水平力為3 000 kN、水平最大行程為600 mm，水平作動(dòng)器的頻率范圍為0～5 Hz，試驗(yàn)裝置示意圖及加載示意圖如圖1所示。支座試件安放在鋼板和混凝土板之間，試件在試驗(yàn)裝置上不采取任何錨固措施。其中支座位移包括支座剪切變形和滑動(dòng)位移兩部分；支座的水平位移和豎向位移由試驗(yàn)裝置自帶的位移傳感器測(cè)量。

圖1 加載示意圖Fig.1 The diagram of loading

1.2.2 試驗(yàn)過程

本文在開展老舊板式橡膠支座壓剪試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)對(duì)象的下表面放置在素混凝土板上，支座上表面與鋼板直接接觸，支座上下表面與加載裝置無任何連接措施，以模擬支座在實(shí)際工程中的邊界狀態(tài)。試驗(yàn)分別采用水平單向加載以及水平循環(huán)加載的方法，測(cè)試不同使用時(shí)間條件下板式橡膠支座的主要力學(xué)參數(shù)。需要說明的是，在水平循環(huán)加載試驗(yàn)中，針對(duì)同一規(guī)格支座，所施加的豎向壓應(yīng)力、加載頻率為常量，豎向壓應(yīng)力的大小根據(jù)調(diào)研支座常用的橋梁類型跨徑計(jì)算得到，水平循環(huán)加載的目標(biāo)位移如表2所示。

表2 水平循環(huán)加載試驗(yàn)方案

(1) 剪切剛度試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中，首先將支座放置在混凝土墊板中心，由豎向作動(dòng)器對(duì)支座施加穩(wěn)定的10 MPa應(yīng)力，并維持不變。隨后對(duì)水平作動(dòng)器施加水平力，加至1 MPa剪應(yīng)力為止，卸載水平力和豎向力。加載重復(fù)3次，取試驗(yàn)測(cè)量的平均值。

(2) 摩擦滑移試驗(yàn)

先將支座放置在混凝土墊板中心，再由豎向作動(dòng)器施加對(duì)應(yīng)表2的豎向壓應(yīng)力維持不變，接著在水平向施加往復(fù)循環(huán)的水平位移，其加載過程如圖2所示。

加載波形為正弦波，依次按等效剪切應(yīng)變ESS(加載位移與支座橡膠層厚度的比值)為50%(3)→100%(3)→150%(3)→200%(3)→250%(3)→300%(3)變化,每個(gè)支座完成試驗(yàn)后清理鋼板上的橡膠碎屑，保持支座試驗(yàn)的邊界條件一致。

圖2 試驗(yàn)加載制度圖Fig.2 Test loading regime diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 老舊板式橡膠支座剪切剛度時(shí)變性分析

為研究支座剪切剛度的時(shí)變特性，通過水平單向加載，獲得老舊橡膠支座的剪切剛度，并與板式橡膠支座剪切剛度理論值進(jìn)行比較分析。其中板式橡膠支座剪切剛度理論值計(jì)算公式為

(1)

式中：G為支座的剪切彈性模量，一般取1.2 MPa[11]；A為橡膠支座的剪切面積，m2； ∑t為支座橡膠層總厚度，m。

為清楚表現(xiàn)老舊板式橡膠支座剪切剛度的變化情況，本文以無量綱化的表示法即以KT/K(剪切剛度比值)量化老舊板式橡膠支座的剪切剛度，以消除規(guī)格、形狀的影響。式中：KT為依據(jù)實(shí)測(cè)老舊板式橡膠支座的水平力與位移計(jì)算得出的剪切剛度；K為根據(jù)理論計(jì)算出的剪切剛度。試驗(yàn)樣本的剪切剛度比值分布如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)樣本剪切剛度比值散點(diǎn)圖Fig.3 Test values of shear stiffness ratio

總體上來看，老舊板式橡膠支座的剪切剛度比值隨使用時(shí)間的推移呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，即板式橡膠支座隨著使用時(shí)間的增加，其剪切剛度出現(xiàn)了退化。

為進(jìn)一步明確剪切剛度隨時(shí)間的變化規(guī)律，本文以試驗(yàn)樣本較多的使用時(shí)間的板式橡膠支座為研究對(duì)象，對(duì)其剪切剛度測(cè)試結(jié)果采用統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行檢驗(yàn)，以明確其分布規(guī)律，為后續(xù)分析提供基礎(chǔ)。圖4給出了使用時(shí)間為10年的板式橡膠支座剪切剛度的檢驗(yàn)結(jié)果。

圖4 剪切剛度比值Q-Q圖(T=10年)Fig.4 Q-Q diagram of shear stiffness ratio (T=10 year)

由圖4可知，圖中的樣本點(diǎn)趨近于一條直線，說明使用時(shí)間為10年的板式橡膠支座其剛度比值近似呈標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，即隨機(jī)變量KT/K～N(0.87,0.07)。由此可推測(cè)，不同使用時(shí)間下板式橡膠支座的剪切剛度應(yīng)服從正態(tài)分布。

為明確老舊板式橡膠支座剪切剛度的時(shí)變特性，本文以某一時(shí)間下測(cè)試樣本的均值作為該使用時(shí)間下板式橡膠支座剪切剛度比值的代表值，分析剪切剛度隨時(shí)間的變化規(guī)律。圖5給出了剪切剛度比值隨時(shí)間變化的規(guī)律。

圖5 剛度比值與使用時(shí)間關(guān)系圖Fig.5 The relationship between the ratio of shear stiffness and using time

根據(jù)均值散點(diǎn)的分布，本文對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行了非線性擬合，得到老舊板式橡膠支座剪切剛度比值與使用時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，如式(2)所示

(2)

擬合函數(shù)的非線性相關(guān)系數(shù)為0.948，殘差平方和為0.000 425 4，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合程度較好。

2.2 老舊板式橡膠支座剪切滑移時(shí)變特性

為說明老舊板式橡膠支座剪切滑移性能的時(shí)變特性，本文以GYZ D330×74型號(hào)的支座為例，給出了不同加載位移下支座的變形情況，如圖6所示。

當(dāng)加載位移在50%ESS～100%ESS時(shí)，支座發(fā)生剪切變形同時(shí)伴有一定的翹曲，支座與上接觸面基本無滑動(dòng)，如圖6(a)和圖6(b)所示；當(dāng)加載位移在100%ESS～200%ESS時(shí)，支座翹曲現(xiàn)象加重，剪切變形繼續(xù)增大，支座和上接觸面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，橡膠層出現(xiàn)一定破裂，如圖6(c)和圖6(d)所示；當(dāng)加載位移在200%ESS～300%ESS時(shí)，支座位移主要由滑動(dòng)位移貢獻(xiàn)，并出現(xiàn)嚴(yán)重的分層現(xiàn)象，翹曲現(xiàn)象進(jìn)一步加重，如圖6(e)和圖6(f)所示。

圖6 試驗(yàn)中不同加載位移下支座的變形情況(GYZ D330×74)Fig.6 The deformation of bearing under different loading displacements during the test(GYZ D330×74)

圖7給出了支座試驗(yàn)后取出的觀察結(jié)果。從圖7可知，試驗(yàn)后支座上表面磨損嚴(yán)重，且橡膠層發(fā)生嚴(yán)重的破壞。從新、舊支座的試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比來看，在水平循環(huán)加載過程中，新支座的受損有限，而使用過一段時(shí)間的支座有更明顯的斷裂，其破壞形態(tài)如表3所示。橡膠層分層、斷裂等破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)，表明支座在使用過程中，其水平向的極限承載力在不斷衰退。

圖7 試驗(yàn)后支座的破壞形態(tài)Fig.7 Failure mode of bearing after test

表3 支座的破壞形態(tài)

表4列出了不同使用時(shí)間下試驗(yàn)樣本的臨界滑動(dòng)位移與橡膠層總厚度的比值(用等效剪切變形ESS表示)以及最終的破壞形態(tài)。其中使用時(shí)間為0年的支座數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[12-13]。

表4 支座的初始滑動(dòng)位移

由表5可知，當(dāng)支座使用時(shí)間為7年時(shí)，初始滑動(dòng)位移值在59%ESS～98%ESS；當(dāng)支座使用時(shí)間為10年時(shí)，初始滑動(dòng)位移值在124.5%ESS～251%ESS值之間；當(dāng)支座使用時(shí)間為25年時(shí)，其值在141.6%ESS～164.5%ESS；對(duì)比支座未使用前的比值100%ESS～150%ESS可以看出，不同使用時(shí)間條件下，臨界滑動(dòng)位移的變化區(qū)間差異較大，臨界滑動(dòng)位移與使用時(shí)間之間并未表現(xiàn)明顯的變化規(guī)律。

2.3 老舊板式橡膠支座摩擦因數(shù)時(shí)變特性

摩擦因數(shù)的大小與接觸面的粗糙程度有關(guān)，其取值對(duì)橋梁地震響應(yīng)分析的結(jié)果有較大影響。板式橡膠支座在長(zhǎng)期使用過程中，由于支座橡膠表層接觸面的磨損、腐蝕易導(dǎo)致其表面的粗糙程度發(fā)生變化，圖8為新、舊支座的外觀對(duì)比圖。

圖8 新、舊支座對(duì)比圖Fig.8 Comparison of the surface for old and new supports

為明確使用時(shí)間對(duì)摩擦因數(shù)取值的影響，本文針對(duì)老舊板式橡膠支座開展了水平循環(huán)加載試驗(yàn)。圖9為不同使用時(shí)間下板式橡膠支座滯回曲線的試驗(yàn)結(jié)果。

從圖9給出的力和位移關(guān)系來看，使用一定時(shí)間后的板式橡膠支座，在較小的水平加載位移下，測(cè)得支座的水平位移為支座自身剪切變形，力和位移的滯回環(huán)呈狹長(zhǎng)型，可近似認(rèn)為支座的力和位移曲線為線彈性，不考慮其耗能作用；隨著水平向加載位移的增大，支座的水平剪切變形不斷增大，并發(fā)生翹曲，出現(xiàn)支座剛度硬化的現(xiàn)象。支座發(fā)生滑移后，其力和位移曲線可近似認(rèn)為是雙線形，在摩擦滑移過程中有表現(xiàn)出一定的滯回耗能。表5列出了支座不同使用時(shí)間條件下的摩擦因數(shù)(μ)試驗(yàn)值。

圖9 支座滯回曲線Fig.9 Hysteresis curve of bearings used for different time

從表5可知，當(dāng)支座的使用時(shí)間為7年時(shí)，支座的摩擦因數(shù)范圍為0.24～0.25，當(dāng)支座的使用時(shí)間為10年時(shí)，支座的摩擦因數(shù)范圍為0.21～0.3，當(dāng)使用時(shí)間為25年時(shí)，支座的摩擦因數(shù)的試驗(yàn)值為0.24～0.27。當(dāng)板式橡膠支座使用一定時(shí)間后，因受到環(huán)境因素與外荷載的共同作用，摩擦因數(shù)較新支座摩擦因數(shù)的取值為0.20略有增大。

表5 循環(huán)加載下支座摩擦因數(shù)試驗(yàn)值

以使用10年的板式橡膠支座為例，圖10給出了摩擦因數(shù)測(cè)試結(jié)果的Q-Q檢驗(yàn)圖。

圖10 使用時(shí)間為10年的摩擦因數(shù)Q-Q圖Fig.10 The friction coefficient Q-Q diagram with a life of 10 years

由圖11可知，圖中的點(diǎn)趨近于一條直線，說明使用時(shí)間為10年的板式橡膠支座，其摩擦因數(shù)近似呈標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，即隨機(jī)變量μ～N(0.26,0.034)。因此，為了研究使用時(shí)間對(duì)支座的摩擦因數(shù)的影響，本文取各個(gè)使用時(shí)間的支座摩擦因數(shù)的均值作為因變量，討論使用時(shí)間對(duì)摩擦因數(shù)的影響。圖11為不同使用時(shí)間條件下板式橡膠支座摩擦因數(shù)均值隨時(shí)間變化的關(guān)系圖。

圖11 摩擦因數(shù)與使用時(shí)間關(guān)系圖Fig.11 Relation diagram of friction coefficient and service time

由圖12可知，隨著使用時(shí)間的增加，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，當(dāng)使用時(shí)間超過15年后，摩擦因數(shù)取值趨于平穩(wěn)。對(duì)圖中散點(diǎn)進(jìn)行擬合得到板式橡膠支座的摩擦因數(shù)與使用時(shí)間T的函數(shù)為

μ=0.26-0.06exp(-0.3T)(T≥0)

(3)

式中：T為使用時(shí)間； 擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.9； 殘差平方和為0.000 07，擬合效果較好。

3 考慮參數(shù)時(shí)變特性的板式橡膠支座力學(xué)分析模型

基于以上對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，本文提出考慮參數(shù)時(shí)變特性的板式橡膠支座力學(xué)分析模型。該力學(xué)模型考慮了使用時(shí)間對(duì)參數(shù)取值的影響，其模型如圖12所示。

圖12中：KT為考慮使用時(shí)間的支座剪切剛度；N為支座滑動(dòng)摩擦力。KT與N的計(jì)算公式如式(4)與式(5)所示

(4)

式中：T為支座的使用時(shí)間；G為支座的剪切模量，取1.2 MPa；A為橡膠支座的剪切面積，m2； ∑t為支座橡膠層總厚度，m。

N=μσA

(5)

式中：A為支座的有效承壓面積；σ為豎向壓應(yīng)力；μ根據(jù)式(3)計(jì)算。

支座正反向的剪切剛度與摩擦因數(shù)取值相同。

圖12 考慮老化的板式橡膠支座非線性分析模型Fig.12 The nonlinear analysis model of plate rubber bearing considering aging

4 結(jié) 論

本文以服役時(shí)間為3年、7年、10年、25年的公路橋梁板式橡膠支座為研究對(duì)象，通過開展壓剪試驗(yàn)，探討使用時(shí)間對(duì)板式橡膠支座力學(xué)性能相關(guān)參數(shù)的影響。得到以下結(jié)論：

(1) 板式橡膠支座剪切剛度隨使用時(shí)間的增加而下降，剪切剛度與使用時(shí)間之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。

(2) 使用一段時(shí)間的板式橡膠支座，其在水平循環(huán)加載條件下，支座的變形經(jīng)歷以下4個(gè)階段：剪切變形→發(fā)生翹曲→產(chǎn)生摩擦滑移→橡膠支座剪切破壞；試驗(yàn)結(jié)果顯示，臨界滑移位移與使用時(shí)間無明顯相關(guān)性。

(3) 隨著支座使用時(shí)間的增加，支座上表面與鋼板間的摩擦因數(shù)會(huì)不斷增大，當(dāng)使用時(shí)間超過15年后，摩擦因數(shù)的變化趨于穩(wěn)定。摩擦因數(shù)與使用時(shí)間之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。

(4) 使用一定時(shí)間的板式橡膠支座在水平向加載過程中易發(fā)生橡膠層破壞的現(xiàn)象。

本文旨在研究板式橡膠支座各參數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，限于試驗(yàn)樣本數(shù)量的限制，所得結(jié)論還需后續(xù)進(jìn)一步的完善補(bǔ)充與深入研究。