公路橋梁板式橡膠支座失效標準研究

鄔曉光， 賀書磊， 鄭 鵬， 殷 悅， 郭志強

(1.長安大學 橋梁與隧道陜西省重點實驗室，陜西 西安 710064； 2.山西省高速公路集團有限責任公司，山西 太原 030006)

0 引言

隨著我國高速公路通車里程的不斷增加，公路橋梁也得到了很大的發(fā)展.板式橡膠支座由于其構(gòu)造簡單、用鋼量少、加工制造容易、安裝方便、成本低廉等優(yōu)點[1-2]，自20世紀60年代在我國首次應(yīng)用于公路橋梁上以來，得到了很大的發(fā)展，在中小跨徑橋梁中有著廣泛的應(yīng)用[3-4].然而，由于板式橡膠支座在橋梁工程造價中所占比例很小，一般不會引起工程管理和技術(shù)人員的重視，在使用過程中極易成為橋梁結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，產(chǎn)生病害的概率較高.據(jù)高速公路管養(yǎng)單位介紹，受當?shù)卮鬁夭顨夂蛞约爸剌d交通的影響，山西省公路橋梁板式橡膠支座病害問題嚴重，幾乎95%的橋梁都存在著支座問題，因支座未及時更換造成的經(jīng)濟損失多達100多萬元.因此對支座的失效標準進行研究有著很大的意義，但查找現(xiàn)有的相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，關(guān)于這方面的研究很少.袁磊等[5]基于橡膠總應(yīng)變對板式橡膠支座的失效條件進行判別，劉利[6]利用FEA軟件對支座出現(xiàn)病害的情況進行了模擬分析.這些研究僅僅對支座的單一病害分別進行研究，然而在實際中，支座的病害往往是同時出現(xiàn)的，因此筆者在現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，對支座常見病害同時存在時的失效標準進行研究.

1 板式橡膠支座的病害調(diào)研

為確定公路橋梁板式橡膠支座的主要病害類型，課題組對山西省太佳高速公路、平榆高速以及呂環(huán)高速3條高速公路上共計150座大中型橋梁上方便觀察到的8 769個板式橡膠支座的病害情況進行了現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)山西省高速公路橋梁支座存在的主要病害包括支座局部脫空、支座剪切變形、支座破損、支座開裂、支座位置串動和附屬構(gòu)件的病害,支座主要病害統(tǒng)計如表1所示.

表1 支座病害統(tǒng)計表Tab.1 Pad bearing disease statistics

由表1可知，支座剪切變形病害和局部脫空病害出現(xiàn)的頻率最高，因此筆者只對支座局部脫空和支座剪切變形進行研究.支座局部脫空會使支座局部壓應(yīng)力增大，同時脫空部位與外界環(huán)境接觸，容易導致橡膠老化.呂梁環(huán)城高速郭家溝1號大橋支座病害如圖1所示.

圖1 呂梁環(huán)城高速郭家溝1號大橋支座病害Fig.1 The pad bearing disease of the No. 1 bridge of the Guo jia gou

支座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象后，將無法起到支撐作用，上部結(jié)構(gòu)的荷載無法傳遞下來，這直接改變了橋梁的受力狀態(tài).脫空時支座出現(xiàn)偏心受壓和應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易導致支座開裂、變形過大甚至壓壞，同樣對橋梁結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生不利影響.支座的剪切變形主要指由于混凝土的收縮徐變、溫度變化以及汽車制動力等因素導致的梁體長度的變化.在運營階段發(fā)生剪切變形是正常的，支座通過剪切變形來承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的水平荷載，若剪切變形未超限，則支座的剪切變形滿足要求，反之則不滿足，無法正常使用[7].

2 運營支座橡膠的性能試驗

石馬溝2號大橋位于汾陽至邢臺高速公路平榆至榆社段，起止樁號為K18+860～K140+850，2012年建成通車，在2015年橋梁檢測時被評為平榆高速上唯一一座三類橋，是平榆高速上病害問題最嚴重的一座橋梁.筆者以該橋的圓形板式橡膠支座GYZ 400 mm×84 mm作為研究對象進行研究.

由于已經(jīng)使用了一段年限，該橋支座的橡膠層可能由于老化等現(xiàn)象使支座的特性受到影響，為了得到可靠的橡膠支座的特性參數(shù)，在實驗室對從運營5～7 a的實橋取下來的橡膠支座進行單軸拉伸試驗、雙軸拉伸試驗和平面剪切試驗[8-12].剪切試驗過程圖如圖2所示.

圖2 平面剪切試驗過程圖Fig.2 Process diagram of plane shear test

對試驗結(jié)果進行整理分析，得到圖3所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[13].從圖3可以看出,在各力學性能試驗中，隨著應(yīng)變的增大，橡膠支座的應(yīng)力也隨之增大，但是應(yīng)力不是線性增長，說明橡膠材料是非線性的，在后續(xù)分析中需要考慮這一點.本次試驗數(shù)據(jù)可用于后續(xù)有限元建模分析過程中定義支座橡膠材料，考慮橡膠老化等因素的影響，真實反映運營實橋支座的力學特性，以確保有限元模型能夠更加準確地模擬支座受力.

圖3 試驗結(jié)果擬合曲線圖Fig.3 Fitting curves of test results

3 板式橡膠支座有限元分析

3.1 有限元模型的建立

筆者利用有限元軟件來模擬分析板式橡膠支座[14-15]，模型如圖4所示.由于支座橡膠材料屬于一種超彈性材料，同時具有材料非線性和幾何非線性兩種特性.在模擬其力學性能時，常采用Yeoh模型和Mooney-Rivlin模型兩種模型，其中Yeoh模型可以更好地模擬支座橡膠的力學特征[4].考慮到橡膠的不可壓縮性，采用三維八節(jié)點雜交單元C3D8H來模擬,對于鋼板部分，采用三維八節(jié)點實體單元C3D8來模擬.為減少計算所需要的迭代次數(shù)，每層鋼板與橡膠之間的接觸類型選擇綁定約束形式.加載時，在支座下表面進行固結(jié)處理，在上表面有效承壓面積內(nèi)施加豎向荷載.

圖4 支座模型Fig.4 The pad bearing model

查閱JTG 3362—2018《公路橋梁板式橡膠支座》，GYZ 400 mm×84 mm板式橡膠支座的形狀系數(shù)為8.86，根據(jù)JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》計算，在標準設(shè)計強度10 MPa作用下的豎向壓縮變形應(yīng)為1.268 mm.給模型施加10 MPa的豎向應(yīng)力，豎向壓縮變形值為1.257 mm，與按照規(guī)范計算所得的1.268 mm偏差較小.對于板式橡膠支座GYZ 400 mm×84 mm，支座豎向壓縮變形的限值為0.07te=0.07×53 mm=3.71 mm.

3.2 兩種病害分別存在時的有限元模型分析

(1)支座局部脫空.當支座豎向受力不均勻時，表面出現(xiàn)偏壓，其表面壓力由均勻分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿切畏植?，嚴重時將出現(xiàn)局部脫空現(xiàn)象.支座發(fā)生脫空時，脫空部分將不承受豎向荷載，全部豎向荷載由未脫空部分承擔.為模擬支座局部脫空病害對其受力性能的影響程度，分別計算偏壓使脫空率為0、5%、10%、15%及20%時支座邊緣的最大應(yīng)力，并在有限元模型中按該應(yīng)力施加三角形分布的荷載，模擬各工況下板式橡膠支座的壓縮變形和應(yīng)力水平，模型分析結(jié)果見表2.

從表2可以看出，在設(shè)計標準強度10 MPa作用下，支座脫空率從0增大到20%過程中，支座的壓縮變形和應(yīng)力水平都隨之增加，其中支座豎向壓縮變形并未超過限值.當脫空率為15%時，內(nèi)部橡膠層的最大拉應(yīng)力達到18.77 MPa，已經(jīng)超過了JTG 3362—2018《公路橋梁板式橡膠支座》中規(guī)定的橡膠抗拉強度限值17 MPa，說明此時支座已經(jīng)不能正常使用.脫空率在10%～15%之間，支座已經(jīng)失效.經(jīng)試算，當脫空面積為13%時，內(nèi)部橡膠層的最大拉應(yīng)力為17.10 MPa，因此，可認為支座的極限脫空率為13%.

表2 支座局部脫空時的變形及應(yīng)力Tab.2 Deformation and internal force of pad bearing when it is empty

(2)支座剪切變形.板式橡膠支座在使用過程中，同時承受豎向荷載和水平荷載作用，使支座產(chǎn)生水平方向變形，參考文獻[4]，在評價運營狀態(tài)支座受力時可將剪切角正切值限值適當放寬至1.0,故在模型中不斷調(diào)整水平應(yīng)力大小，分別使支座的剪切角度正切值tanα為0、0.5、0.7、1.0時，在規(guī)范規(guī)定的標準設(shè)計強度10 MPa豎向應(yīng)力作用下，板式橡膠支座的壓縮變形和應(yīng)力水平的模型分析結(jié)果見表3.

表3 支座剪切變形時的變形及應(yīng)力Tab.3 Deformation and internal force of bearing shear deformation

從表3可以看出，在設(shè)計標準強度10 MPa作用下，支座的剪切角度正切值從0增大到1.0過程中，支座的壓縮變形和應(yīng)力水平都隨之增加，其中支座豎向壓縮變形并未超過限值.當支座的剪切角度正切值為0.7時，內(nèi)部橡膠層的最大拉應(yīng)力達到17.26 MPa，跟規(guī)范規(guī)定橡膠抗拉強度限值17 MPa相差不大，這也符合規(guī)范中所規(guī)定的橡膠支座正常使用剪切角的限制條件 tanα≤0.7.

3.3 兩種病害共同存在時的有限元模型分析

由上述計算結(jié)果可知，支座局部脫空的失效標準為脫空率達到13%，支座剪切變形的失效標準為剪切角度正切值達到0.7.但是在現(xiàn)場調(diào)研過程中，公路橋梁的板式橡膠支座的病害并不只是單一的局部脫空或者剪切變形，一般情況下，這兩種病害往往是同時出現(xiàn)的，因此需要對二者共同作用下的支座受力進行研究，確定同時存在這兩種病害的支座的失效標準.

利用有限元軟件進行試算，當支座的剪切角度正切值tanα分別0、0.1、0.3、0.5、0.7時，支座脫空率達到多少可以使支座內(nèi)部橡膠層的最大拉應(yīng)力達到17 MPa，即支座無法正常使用,經(jīng)過大量的試算，得到表4結(jié)果.

表4 支座失效標準試算表Tab.4 Test table of support failure standard

利用數(shù)學軟件，將上表中的坐標點擬合出GYZ 400 mm×84 mm圓形板式橡膠支座在局部脫空和剪切變形共同存在的情況下的失效判別公式和失效曲線，如圖5所示.橫坐標表示支座的剪切角度正切值，縱坐標表示支座脫空率(%).如果局部脫空和剪切變形組合在曲線范圍之內(nèi)，說明支座處于安全使用狀態(tài).反之，則說明支座已經(jīng)失效.

根據(jù)擬合曲線擬合出支座在局部脫空和剪切變形病害共同存在時的失效判別公式：

y>28.27x2-38x+12.81，

(1)

式中：x表示支座的剪切角度正切值；y表示支座脫空率，%.

當二者的組合滿足式(1)時，說明支座不能正常使用，已經(jīng)失效.

4 結(jié)論

(1)公路橋梁板式橡膠支座存在的病害包括支座局部脫空、支座剪切變形、支座破損、支座開裂、支座位置串動和附屬構(gòu)件的病害.其中，支座局部脫空病害和剪切病害出現(xiàn)的頻率最高.

(2)支座局部脫空的失效標準為脫空率13%，支座剪切變形的失效標準為剪切角度正切值達到0.7,當超過這個數(shù)值時，支座內(nèi)部橡膠層的最大拉應(yīng)力超過規(guī)范所要求的限值，支座失效.

(3)在支座局部脫空和剪切變形病害共同存在的情況下，筆者得到的判別公式和擬合曲線可以判斷支座是否失效，如果局部脫空和剪切變形組合符合判別公式或者在曲線范圍之外，說明支座已經(jīng)失效；反之，說明支座可以正常使用.