凍融條件下公路橋梁板式天然橡膠支座初步研究

【摘要】為研究板式天然橡膠支座在凍融交替循環環境下能否按預定的要求起到其應有的效果，及力學性能的改變情況，設計將一批橡膠支座置于標準凍融試驗箱中，控制一定的溫度與濕度，分別進行25次、50次、75次、100次和150次凍融循環處理，模擬自然界中我國北方大部分地區冬季凍融交替環境對天然橡膠支座的影響。對經處理過的試件進行抗壓試驗，從極限抗壓強度、抗壓彈性模量、抗剪彈性模量、豎向剛度及水平等效剛度等方面研究其力學性能的變化。采用最小二乘法建立天然橡膠支座的衰減模型，推導出相應的擬合曲線及衰減函數，用于粗略估算環境因子對于橡膠支座力學性能的改變情況。

【關鍵詞】橡膠支座；凍融處理；力學性能

一、 試件設計

依據交通部《公路橋梁板式橡膠支座規格系列》（JT/T663-2006）選取試件，選取GJZ200×300×41（NR），分為6組，其中1組為自然狀態下的標準試件，其余5組為經不同凍融循環處理過的試件，凍融處理的次數分別為25、50、75、100和150次。

二、 處理過程

所有橡膠支座做凍融處理，凍融循環次數分別為25、50、75、100和150次，在高低溫交變濕熱試驗箱中進行。經過凍融處理后，天然橡膠支座的外形尺寸發生了細微變化，故須在試件處理前后對其進行尺寸測量。尺寸測量的具體方法參照《公路橋梁板式橡膠支座技術標準》（JT/T4-2004）進行。經凍融處理后，天然橡膠支座較處理前從外形、尺寸等各方面均未發生明顯變化，可以忽略不計。

三、 加載方案

采用千斤頂進行加載。

四、 試驗現象

試驗開始初期，位移較荷載變化快，橡膠支座出現較明顯的壓縮變形，但變形處在彈性發展階段，無明顯裂紋出現；隨著荷載的增加，荷載-位移曲線基本呈線性規律持續變化，在達到3000kN左右，荷載增加較位移減緩，出現較明顯的塑性變形，水平及豎向均發生較大位移，橡膠支座表面出現細微裂紋，支座四周邊緣開始出現鼓凸現象，鋼板與橡膠粘合處出現脫膠痕跡，支座下方橡膠層發生外翻現象并伴有壓潰的趨勢，荷載繼續增加，荷載-位移曲線漸漸趨于平緩；當接近極限荷載時，荷載陡然下降，水平及豎向位移出現少量回縮現象，試件壓潰破壞。試驗現象主要是橡膠層大面積開裂，開裂處殘留有絮狀橡膠碎屑，鋼板斷裂，呈層狀破壞分布，試件較試驗前有明顯脹大且彎曲嚴重，觀察試件四周邊緣可以發現一圈明顯的脫膠痕跡。從各組試件的破壞現象來看，標準試件較經凍融處理過的試件彈性階段要長，極限承載力更大；而經凍融處理過的試件，隨凍融循環次數的增加，彈性階段縮短及極限承載力降低更為明顯，試件出現更多、更寬、更長的裂縫，破壞更為嚴重。

五、 結果分析

天然橡膠支座為彈塑性體，在工程實際應用中，彈性階段的力學性能研究更具有實踐價值，對于不同的凍融環境處理，其各項指標呈現出的不同變化情況。

處在彈性階段的矩形板式天然橡膠支座，其極限承載力、極限抗壓強度隨著凍融循環次數的增加、凍融損傷程度的加深而不斷減小。同時，經凍融處理過的試件其水平及豎向位移較標準試件要小，但從試驗現象中觀察到，位移越小，試件破壞的越為嚴重，而變形、裂縫越為明顯。

依據《軍用設備氣候極值》（GJB1172.11-91）全國180個測站年凍融循環單站記錄，我國東北、華北和西北地區（除青海），平均年凍融循環日數單站最大值一般為60-130天，35°N-12°N范圍內為高值區，在80-130天之間。根據1961-2007年我國累年年平均氣溫年較差的空間分布圖，我國氣溫年較差從南向北隨緯度的升高而增大，直到黑龍江漠河地區達到最大值49℃。黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古、新疆地區平均氣溫年較差大多在40℃左右。而本實驗采用的凍融循環溫差約為35℃，據此，本試驗中的25、50、75、100、150次凍融循環處理分別相當于自然環境中1、2、3、4、5年的情況。隨著凍融循環次數的增加，極限抗壓強度呈下降趨勢，但不會一直減少，當達到一定程度后下降過程變得很慢而趨于穩定，基本符合指數函數的規律：

（1）

式中，n為侵蝕年數；Ru為極限抗壓強度。

將計算結果與試驗結果進行對比分析，公式理論計算值與試驗值比值平均值為0.994，標準差為0.054，變異系數為5.476%，由此說明，由試驗數據擬合得到的矩形板式天然橡膠支座極限抗壓強度的衰減函數與現實情況基本吻合。

通過實驗數據計算得到不同凍融處理條件下的矩形板式橡膠支座抗壓彈性模量，采用最小二乘法擬合得到50年天然橡膠支座抗壓彈性模量的衰減曲線。且隨著凍融循環處理程度的加深，抗壓彈性模量呈下降趨勢，基本符合指數函數的規律：

（2）

式中，n為侵蝕年數；E1為抗壓彈性模量。

將計算結果與試驗結果進行對比分析，公式理論計算值與試驗值比值平均值為1.002，標準差為0.050，變異系數為5.000%，由此說明，由試驗數據擬合得到的矩形板式天然橡膠支座抗壓彈性模量的衰減函數與現實情況基本吻合。

矩形板式天然橡膠支座豎向剛度的大小，隨著豎向荷載的增加而呈現出現先升后降的趨勢，在2000kN左右，豎向剛度達到最大值，即荷載-位移曲線斜率最大處，而后隨著豎向荷載的增大而不斷減少，試件變形速度加快。同時，豎向剛度直接影響橡膠支座受力變形的穩定性，穩定性越差，越容易發生破壞，而標準試件的豎向剛度均大于經凍融處理過的試件。

六、 小結

（1）經凍融處理過的矩形板式天然橡膠支座，隨著循環次數的增加，局部變形越為明顯，彈性階段縮短，更容易發生脆性破壞，試件變形越大，橡膠層開裂及鋼板暴露斷裂現象更為嚴重。

（2）經凍融處理過的矩形板式天然橡膠支座的極限抗壓強度不如標準試件，且隨著凍融循環次數的增加，極限抗壓強度呈下降趨勢。由實驗數據分析，采用最小二乘法建立天然橡膠支座極限抗壓強度的衰減模型，得到50年板式天然橡膠支座極限抗壓強度的衰減函數及衰減曲線。

（3）經凍融處理過的矩形板式天然橡膠支座的抗壓彈性模量不如標準試件，且隨著凍融循環次數的增加，抗壓彈性模量呈下降趨勢。同樣，由實驗數據分析，采用最小二乘法建立天然橡膠支座抗壓彈性模量的衰減模型，得到50年板式天然橡膠支座抗壓彈性模量的衰減函數及衰減曲線。

作者簡介：王曉強（1987-），男，漢族，遼寧省丹東市人，中鐵九局第六工程有限公司助理工程師，學歷：本科