公路桥梁板式橡胶支座损伤机理的试验研究

《现代交通技术）２００６年第３期　文章编号：１６７２—９８８９（２００６）０３—００２８—０４　公路桥梁板式橡胶支座损伤机理的试验研究　胥　明，黄跃平，周明华　（东南大学土木工程学院，江苏南京２１００９６）　摘要：本文根据ＪＴ／Ｔ４—２００４（／￣桥梁板式橡胶支座》和ＪＴＧ　Ｄ６２—２００４（／￣路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计　规范》的要求，对公路桥梁板式橡胶支座在容许荷载作用下支座损伤机理进行了试验．分析了橡胶支座产生损伤的原　因。研究表明，支座内橡胶与钢板结合部位的剪应力集中现象是支座损伤的主要原因。本文还进一步探明了在形状系　数较低时（ｓ＜８）支座的设计应力应随形状系数进行调整的合理性。形状系数应作为支座设计和生产的主要控制参数　关键词：板式橡胶支座；疲劳损伤；形状系数；裂纹；设计应力　中图分类号：Ｕ４４６．１　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｔｈｅ　Ｔｅｓｔ　ｏｆ　Ｄａｍａｇｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｚｍ　ｏｆ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｐｌａｔｅ　Ｔｙｐｅ　Ｅｌａｓｔｏｍｅｔｒｉｃ　Ｐａｄ　Ｂｅａｒｉｎｇｓ　Ｘｕ　Ｍｉｎｇ，Ｈｕａｎｇ　Ｙｕｅｐｉｎｇ，Ｚｈｏｕ　Ｍｉｎｇｈｕａ　（Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２　１　００９６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ“Ｐｌａｔｅ　Ｔｙｐｅ　Ｅｌａｓｔｏｍｅｔｒｉｃ　Ｐａｄ　Ｂｅａｒｉｎｇｓ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｂｒｉｄｇｅ（ＪＴ／Ｔ４—２００４）’’ａｎｄ“Ｃｏｄｅ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ａｎｄ　ｃｕｌｖｅｒｔｓ（ＪＴＧ　Ｄ６２－２００４）”，ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｌａｔｅ　ｔｙｐｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｏｌｅｒａｔｅｄ　ｌｏａｄ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎｓ　ｏｆ　ｅｌａｓｔｏｍｅｔｒｉｃ　ｐａｄ　ｂｅａｒｉｎｇｓ　ｃｒａｃｋ　ａｎｄ　ｄａｍａｇｅ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ，Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｈｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ　ｅｘｉｓｔｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐａｒｔ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｒｕｂｂｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ，ｔｈｅ　ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｒｅａｓｏｎ　ｏｆ　ｅｌａｓｔｏｍｅｔｉｒｃ　ｐａｄ　ｂｅａｒｉｎｇｓ　ｄａｍａｇｅ．Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｐｏｉｎｔ，ｆｕｒｔｈｅｒ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐａｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｌｉｍｉｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ａｄｊｕｓｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｓｈａｐｅ　ｆａｃｔｏｒ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓｈａｐｅ　ｆａｃｔｏｒ　ｉｓ　ｌｏｗｅｒ（Ｓ＜８）．Ｔｈｅ　ｓｈａｐｅ　ｆａｃｔｏｒ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ｐａｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄ：ｔｈｅ　ｐｌａｔｅ　ｔｙｐｅ　ｅｌａｓｔｏｍｅｔｉｒｃ　ｐａｄ　ｂｅａｒｉｎｇｓ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ；ｔｈｅ　ｓｈａｐｅ　ｆａｃｔｏｒ；ｃｒａｃｋ；ｄｅｓｉｇｎ　ｌｉｍｉｔ　ｓｔｒｅｓｓ　１形状系数对橡胶支座的影响　胀变形，从而提高橡胶层承压能力。　１．１橡胶支座形状系数的概念　橡胶支座的膨胀效应近似由支座的形状系数　板式橡胶支座具有构造简单、加工简便、用钢　（５）来表述，如图１所示；　量少、成本低廉、安装方便等优点。目前板式橡胶支　５＝有效承压面积／单层橡胶层的可自由变形的　座已成为国内公路与城市桥梁广泛采用的一种支　侧表面积　座形式。　橡胶支座既要有支撑桥梁竖向力作用，又要满　足桥梁上部结构的使用要求，即变形和转动，而橡　板式橡胶支座　胶本身是一种柔性材料，没有足够的强度来支撑较　大的竖向力，故设置中间层薄钢板以提高支座竖向　承载能力。　所有材料在承压时都将产生横向变形ｆ泊松效　应），受压时柔性的橡胶横向外膨胀（凸出）变形较大。　由于加劲钢板的约束，在受压时能阻止橡胶横向膨　图１　板式橡胶支座的形状系数　作者简介：胥明（１９６９一），男，江苏南京人，讲师，主要从事工程力学专业教学和研究工作。　・２８・　维普资讯 http://www.cqvip.com

奎　垫　１．２形状系数对支座弹性模量的影响　主苎　塑　力，ＭＰａ；丁为剪应力，ＭＰａ；Ｒ为支座的半径，ａｒｍ；ｒ为　点到支座中心的距离，ｌｌｍ。　当Ｅ－Ｒ时，　有最大值。　交通部行业标准《公路桥梁板式橡胶支座）（ｊＴ／　Ｔ４—２００４）＠Ｘ￣形状系数（Ｊｓ）和抗压弹性模量（　的计　算方法作了如下规定：　圆形橡胶支座　５＝　ｑｔｌ　（１）　务　警　簪　告　（９）　这说明支座中最大剪应力与支座的形状系数成　反比。当支座的形状系数越小，最大剪应力的数值越　矩形橡胶支座　Ｊｓ　ｉ　等ｌ＿　（２）　大。依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计　抗压弹性模量　Ｅ＝５．４ＧＳ。　（３）　式中：Ｊｓ为形状系数；　为圆形加劲钢板的直　径，ｍＥ；　与　为矩形加劲钢板的边长，ｍｍ；ｔ　为中　间单层橡胶层的厚度，ｉｆｌｍ；Ｇ为剪切模量，ＭＰａ。　由公式（１）和（２）可以看出，支座的平面几何尺寸　和中间橡胶层的厚度直接影响支座形状系数（Ｊｓ）的　大小，由公式（３）可以看出抗压弹性模量与形状系数　大小呈正比例平方关系。形状系数的大小直接影响　支座抗压弹性模量（日的大小。在交通部行业标准　《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》　（ＪＴＧ　Ｄ６２—２００４）＠￣形状系数和橡胶层的总厚度有　如下规定：　形状系数范围５≤Ｊｓ≤１２　（４）　圆形橡胶支座　≤￡　≤詈　（５）　矩形橡胶支座　≤￡　≤　（６）　式中，ｄ为圆形支座直径；　为矩形支座短边尺　寸；ｔ　为支座橡胶层总厚度。　以上规定说明，形状系数（Ｊｓ）在支座设计中是一　个有重要影响的设计参数，直接影响支座的力学性　能。支座剪切模量和形状系数决定了支座的抗压应　力应变特征曲线。橡胶支座的设计，正是通过调节　形状系数来控制极限应变和承载力。支座剪切变形　的极限取决于剪切应变和大应变条件下的失效变　形模式（局部翘曲、扭面），缺陷通常出现在加劲钢板　边缘与橡胶层夹角处。　２支座损伤的分析　２。１　支座的剪应力集中与形状系数的关系　根据不可压缩弹性理论，可以得出圆形板式橡　胶支座在轴向压力作用下支座内部胶层的应力，其　分布规律　可由下式表示：　：　（７）　＝　打　（８）　式中：Ｐｍ为支座的平均压应力，ＭＰａ；ｔｒ为压应　规范》（ＪＴＧ　Ｄ６２—２００４），板式橡胶支座的形状系数取　值范围为５　ｌ２，结合公式（９）可找出形状系数与剪应　力的对应关系，见图２。按照以上理论．剪应力的大小　并不足以让边缘处的胶层开裂。文献［４３指出：当形　状系数Ｓ＞２０时。剪应力的有限元计算结果基本上与　不可压缩弹性理论解相吻合：当形状系数Ｓ＜２０时，　则在橡胶层与钢板连接的边缘处存在剪应力集中　现象，剪应力集中系数与形状系数的关系。见图３。　１　Ｊ２　５　ｌ　０，８　罢０　６　ｎ　韶０・４　０　２　０　　｝形状系数　图２剪应力与形状系数的对应曲线　形状系数　图３剪应力集中系数与形状系数关系　根据图３可以近似得出剪应力集中系数与形　状系数Ｊｓ的对应关系．见图４和表ｌ。　２０　摄ｌ５　Ｉ　．　攀ｌ０　！　＼　ｊＩｊＩＩ｝　餐ｓ　＼　０　＼　形状系数　图４剪应力集中系数与形状系数函数关系　・２９－　维普资讯 http://www.cqvip.com

《理代交通技术）＞２ｏｏ６耳第３期　怒　２　ｌ　ｌ　ｌ　１　ｌ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　∞∞∞∞∞∞∞∞∞加∞　结合公式（９）与表１中剪应力集中系数与形状　系数｜ｓ的对应关系，可得出剪应力放大系数（剪应力　与竖向平均应力的比值）与形状系数的对应函数关　系，见罔５。　籁　垛　《　＿Ｒ　熔　形状系数　圈５剪应力放大系数与形状系数的函数关系　根据图表中的数据可拟合出支座最大剪应力　与平均竖向压应力在不同形状系数下的函数关系　式，该函数为指数形式。　ｙ－－－２４．３２４Ｓ　（１０）　式中：ｙ为剪应力放大系数；Ｓ为形状系数　２．２支座设计应力与形状系数的关系　若支座的设计压应力为１０　ＭＰａ．形状系数为　５，则支座的最大剪应力为平均压应力的１．６３倍，为　１６‘３　ＭＰａ，远远超过标准规定的胶层与钢板之间的　剥离强度１０　ＭＰａ，接近标准规定的橡胶拉伸强度　１７　ＭＰａ。这说明：当支座的形状系数较小时。支座局　部（胶层与钢板结合边缘处）的剪应力放大系数高，　在相同的设计应力下，剪应力将随之提高，当超出　剥离强度时，胶层容易与钢板剥离。形成空穴，出现　损伤现象。若胶层与钢板之间的剥离强度１０　ＭＰａ　为控制应力，则在设计压应力为１０　ＭＰａ时，支座的　形状系数至少应大于７。因此，当支座的形状系数小　于８时，支座设计应力应随形状系数大小进行相应　的调整。这在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥　涵设计规范｝（ＪＴＧ　０２３—８５）中得到了体现，见表２。　从表２中可见，根据形状系数调整支座设计应　力后，在形状系数不同取值范围中。支座中最大剪　应力数值与胶层与钢板之间的剥离强度１０　ＭＰａ相　接近，说明支座设计应力根据支座的形状系数进行　－３０・　表２规范（ＪＴＧ０２３—８５）中设计应力取值及最大剪应力　形状系数设计应力　剪直力放大系数最大值最大剪应力　调整是合理的，也是非常必要的。在《公路钢筋混凝　土及预应力混凝土桥涵设计规范｝（ＪＴＧ　Ｄ６２—２００４）　中取消了这一规定。支座的设汁应力统一为１０．０ＭＰａ。　目前．设计人员一般不提供支座的形状系数。只提　供支座的尺寸，这样将会导致厂家盲目生产，支座　的形状系数难以得到有效的控制。厂家既可能生产　形状系数高的支座．也可能生产形状系数低的支　座，而形状系数低的支座在使用时容易受到损伤，这　将影响支座的使用寿命，在使用时存在安全隐患。　２．３试验验证　加　劲　钢　板　ｉ【ａ　＝【重　霍　ｈ　ｃ　ｄ　ｅ　图６钢板与橡胶结合边缘部位的损伤过程　通过支座轴向受压试验研究基本上验证了胶　层局部损伤的过程。试验时的支座形状系数Ｓ＝３－３，　放大系数应为３．４，当压应力小于４　ＭＰａ时，橡胶层　的损伤为０，如图６ａ所示。当压应力为４．２　ＭＰａ时，　理论推算主拉应力为１４．３　ＭＰａ，已超过标准规定的　胶层与钢板之间的剥离强度１０　ＭＰａ。此时观测到橡　胶与钢板的接合部位边缘处形成空穴．呈半圆形。　半径为０．１　ｍｍ。如图６ｂ所示。当压应力为６　ＭＰａ时　理论推算主拉应力为２０．４　ＭＰａ，已超过标准规定的　橡胶拉伸强度１７　ＭＰａ，空穴迅速扩展。观测到橡胶　维普资讯 http://www.cqvip.com

堡　奎　堇　±苎　塑　层的空穴，渐呈三角形，空穴宽度为１．２　ｍｍ，如图　供支座的尺寸．会导致生产厂家盲目生产，支座的　６ｄ所示。当压应力大于６　ＭＰａ时。观测到橡胶层的　形状系数难以得到有效的控制。一旦形状系数低的　空穴呈锐角，空穴宽度为１．８　ｍｍ，如图６ｅ所示。随　支座被用于工程，就容易发生损伤现象，从而影响　着载荷的增加．内部胶层空穴在产生、发展，裂尖　支座的使用寿命。　明显，如果存在交变荷载则裂纹必将在裂尖处形成　参考文献　裂纹并扩展．将直接影响支座的耐久性，直至穿透　５　ｍｍ厚的橡胶保护层．使加劲钢板失去保护。支座　『１］Ｗ．Ｖ．ＭＡＲＳ　Ｆａｃｔｏｒｓ　ｔｈａｔ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ｒｕｂｂｅｒ　ａ　ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ　ｓｕｒｖｅｙ　Ｓｐｒｉｎｇ，ＡＣＳ，Ｒｕｂｂｅｒ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｅｅｔｉｎｇ　的局部损伤首先表现为橡胶层与钢板剥离，其次为　橡胶层的开裂．最后为裂纹的扩展。试验中观察到　（Ｓａｖａｎｎａｈ，Ｇｅｏｒｇｉａ），２００２．　［２］Ｂｏ　Ｗａｎｇ，Ｈｏｎｇｂｉｎｇ　Ｌｕ，Ｇｙｕ－ｈｏ　Ｋｉｍ．Ａ　ｄａｍａｇｅ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　的损伤现象与理论推算的结果基本上相符合。　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｏｆ　３结论　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２ｏｏ２，３４：４７５－４８３．　［３］Ｇｅｎｔ　ＡＮ，Ｌｉｎｄｌｅｙ　ＰＢ．ｒＩ＇ｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｂｏｎｄｅｄ　ｒｕｂｂｅｒ　（１）支座的形状系数不仅影响支座的力学性能，　ｂｌｏｃｋｓ．ＰｒｏｃＩｎｓｔｎＭｅｃｈＥｎｇｒｓ，１９５９，１７３（３）：ｌｌ１￣１１７．　而且还影响支座的损伤程度。　［４］Ｍ．Ｉｍｂｉｍｂｏ，Ａ．Ｄｅ　Ｌｕｃａ　Ｆ．Ｅ．Ｓｔｒｅｓｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｕｒｂｂｅｒ　ｂｅａｒｉｎｇｓ　（２１支座的损伤主要由于支座钢板边缘的剪应　ｕｎｄｅｒａｘｉａｌｌｏａｄｓ．ＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９９８，６８：３１￣３９．　力引起。剪应力与形状系数成反比，并且剪应力集　［５］Ｊ　ｒ，ｒ４—２００４．公路桥梁板式橡胶支座［ｓ］．　中系数也与形状系数成反比．当形状系数较小时，　［６］Ａ．Ｎ．Ｇｅｎｔ．橡胶工程［Ｍ］．北京：化学工业出版社．２００２，ｌ１．　位于钢板边缘的胶层剪应力较大，容易造成胶层与　［７］庄军生．桥梁支座［Ｍ］．北京：中国铁道出版社．２０００，ｌ１．　钢板剥离，产生空穴．支座的损伤程度较高。　［８］易建国．混凝土简支梁（板）桥［Ｍ¨匕京：人民交通出版社　出版．２００１．５．　（３）当支座的形状系数较低时（ｓ＜８）支座的设计　［９］ＪＴＧ　Ｄ６２—２００４．公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设　应力应随形状系数的大小进行相应的调整，这可有　计规范『Ｓ］．　效降低支座损伤发生的概率。　［１Ｏ］周明华，葛宝翔．公路桥梁橡胶支座的使用寿命与应用　（４）在支座的设计上，除了要考虑支座承载面积　对策．［Ｊ］土木工程学报．２００５，６．　和支座高度这两个主要因素外，还应将形状系数作　『ｌ１］ＪＴＧ　０２３—８５．公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计　为支座设计的主要控制参数和支座成品验收的主　规范『Ｓ］．　要依据。设计人员若不提供支座的形状系数，只提　（上接第２３页）　确地执行工程设计意图、有效地控制石灰土的施工　５结束语　质量，避免产生不必要的纠纷以及施工过程中的人　为损失。　本文阐述了石灰土灰剂量涵义在施工实践中　的不确定性，对石灰土灰剂量涵义提出了明确的解　参考文献　释，并指出当前设计、施工中需要解决的问题。通过　［１］高速公路丛书编委会．高速公路路基设计与施工［Ｍ］．北　理论和施　实践两方面的论证，指出了现行石灰土　京：人民交通出版社，１９９８．８．　丁＿程质量检测中存在的问题，阐述了比较切合实际　［２］ＪＴＪ０２１—８９．公路桥涵设计通用规范Ｉｓ］．　的检测方法。　［３］张超，郑南翔，王建设．路基路面试验检测技术［Ｍ］．北京：　对于目前石灰土在设计、施工、检测中存在的　人民交通出版社．２００４．　理论误区．如果业主、施工单位、检测单位形成共　『４］ＪＴＪ０３４—２０００．公路路面基层施工技术规范［Ｓ］．　识．并认真考虑本文所述的技术观点，将有利于正　（收稿日期：２００６—０２—２４）　・３１－