隔震橡膠支座力學(xué)性能試驗研究

林達文，彭立群，劉立峰，王 進

(中國南車 株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

隔震橡膠支座力學(xué)性能試驗研究

林達文，彭立群，劉立峰，王 進

(中國南車 株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

基于歐洲標準EN1337-3并依據(jù)CE認證試驗要求，對隔震橡膠支座的抗壓模量、剪切低溫相關(guān)性、剪切高溫相關(guān)性、耐臭氧性能、復(fù)原彎矩性能、偏心加載、極限性能進行了試驗研究，總結(jié)出一套合理的試驗方法和數(shù)據(jù)處理方法，擬對橋梁支座產(chǎn)品的研發(fā)和試驗工作提供支持。

隔震橡膠支座 力學(xué)性能 試驗研究

隔震橡膠支座主要由高阻尼橡膠、鋼板、外包橡膠組成，類三明治夾層結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 隔震橡膠支座結(jié)構(gòu)示意

EN1337-3:2005為歐洲橡膠支座標準，已被德國、法國、意大利等歐洲國家高速鐵路采用，同時也被中國鐵路客運專線借鑒，已經(jīng)有多年的工程實踐經(jīng)驗。標準規(guī)定試驗項目包括:抗壓模量、剪切低溫相關(guān)性、剪切高溫相關(guān)性、耐臭氧性能、復(fù)原彎矩性能、偏心加載、極限性能。

國內(nèi)某企業(yè)出口到歐洲的隔震橡膠支座，需依據(jù)歐洲標準EN1337通過CE認證。本文針對送檢的隔震橡膠支座進行了系統(tǒng)的力學(xué)性能試驗研究，總結(jié)出一套合理的試驗方法和數(shù)據(jù)處理方法，期望對橋梁支座產(chǎn)品研發(fā)和試驗起借鑒作用。

1 試驗裝置

試驗采用52 MN試驗機，其豎向最大靜態(tài)荷載為52 000 kN，動態(tài)在振幅 ±1 mm工況下最大頻率可達10 Hz，自帶6個高精度外接位移傳感器，位移精度1%以內(nèi)，具備荷載、位移兩種控制方式，能夠進行動態(tài)和靜態(tài)加載，并能實現(xiàn)程序自動加載，實時數(shù)據(jù)監(jiān)控及采集。

2 試驗研究

2.1 抗壓模量試驗

在支座豎向四周安裝位移傳感器(AC1～AC4)，將壓應(yīng)力以(0.03～0.04)MPa/s速率連續(xù)地增至試樣設(shè)計最大荷載F，F(xiàn)=5GdAS/1.5(式中:Gd為支座橡膠材料彈性模量，A為支座有效承載面積，S為支座形狀系數(shù))，保持1 min，然后卸載，重復(fù)一次，試樣經(jīng)歷兩次滿負載和無負載周期。在零負載狀態(tài)下10 min，加載到5 MPa負載時，將位移傳感器歸零，然后以不少于6個遞增點逐步施載，在每個測量點(遞增點)，荷載應(yīng)保持一個恒定值維持至少2 min，以降低黏彈性的影響。在達到滿負載時，應(yīng)對試樣支座外露表面進行目測檢驗。采集試樣支座變形數(shù)據(jù)直至最大設(shè)計荷載為止，繪制應(yīng)力—應(yīng)變圖。

初步判定:應(yīng)力應(yīng)變的斜率不應(yīng)呈現(xiàn)出波動;在最大應(yīng)力下，試樣支座的邊緣不應(yīng)該出現(xiàn)開裂，包括由于橡膠模壓成型或者粘結(jié)造成的缺陷;不能出現(xiàn)錯位的加勁鋼板。

試樣實測抗壓模量按下列公式計算

式中:σc2，εc2分別為最大荷載下的壓應(yīng)力和壓應(yīng)變;σc1，εc21分別為1/3荷載下的壓應(yīng)力和壓應(yīng)變。

試驗結(jié)果如表1及圖2所示。

表1 抗壓模量試驗數(shù)據(jù)

圖2 應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖3 溫度相關(guān)性曲線

結(jié)果表明:兩個支座的抗壓模量基本一致，且加載曲線基本重合，試驗過程中支座外觀未見凸凹，支座應(yīng)變＞0.045時，其應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榉蔷€性變化趨勢，因此該支座具有可變抗壓模量，能滿足橋梁結(jié)構(gòu)不同承載工況的要求。

2.2 剪切性能低溫相關(guān)性

首先將支座樣品進行常溫抗剪模量試驗，然后將支座樣品放入低溫箱內(nèi)，分別在 －25℃ 和 －40℃ 下放置168 h后測試抗剪模量。

將壓應(yīng)力以(0.03～0.04)MPa/s速率連續(xù)地增至平均壓應(yīng)力σ=6 MPa，繪制應(yīng)力—時間圖，并在整個抗剪試驗過程中保持不變;調(diào)整試驗機的剪切試驗機構(gòu)，使水平油缸、負荷傳感器的軸線和中間移動板的對稱軸重合;預(yù)加水平位移，以不大于2.5 mm/s恒定速率將試樣進行剪切，當達到位移量Vxm時(0.7Tq≤Vxm≤0.9Tq)，回復(fù)到0變形，試件靜置5 min，再剪至Vxm，如此方式連續(xù)剪切3次，記錄每次循環(huán)的試驗數(shù)據(jù)和曲線。Tq為支座橡膠層厚度。

試樣常規(guī)抗剪彈性模量

式中:Gg為試樣實測的抗剪彈性模量計算值，精確至0.01 MPa;τs2，εqx2為變形為 Vx2=0.58Tq時的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變;τs1，εqx1為變形為 Vx1=0.27Tq時的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變。

雖然《中圖法》明確規(guī)定，凡屬跨時代的一部作品，應(yīng)依完成寫作的時代歸類?？鐣r代的個人作品集，均按后一時代歸類；跨時代的多人作品集，均按前面的時代歸類。簡而言之，就是總集按最前的時代歸類，別集按最后的時代歸類。但仍存在因編目人員不清楚文學(xué)作品的時代復(fù)分規(guī)則或無法確認創(chuàng)作時間，而造成歸類錯誤或混亂的情況。例如，魯迅1936年就已病逝，如果入解放后作品集顯然不合適。巴金文集，如果現(xiàn)當代作品都有，應(yīng)歸入當代文學(xué)；否則，會讓人誤解為只有解放前的作品。

試驗結(jié)果如表2及圖3所示。

表2 抗剪模量試驗數(shù)據(jù)

結(jié)果表明:支座抗剪模量隨溫度降低而變大，在(－25～－40)℃范圍內(nèi)橡膠支座抗剪模量變化率最為明顯。

2.3 剪切性能高溫相關(guān)性

首先將支座樣品進行常溫抗剪模量試驗，然后將支座樣品放入高溫箱內(nèi)，在70℃下放置72 h后測試抗剪模量。

結(jié)果表明，支座經(jīng)過高溫70℃老化后抗剪切模量隨溫度增加有遞增趨勢，相比常溫剛度變化率為11.34%，說明支座抗剪模量對溫度變化較敏感。

2.4 耐臭氧性能試驗

將試樣放置在濃度為25 pphm的臭氧環(huán)境下72 h后，進行抗剪模量試驗，測試溫度為(40±5)℃;剪切時試樣平均壓力為1.3GdAS;剪切變形量Vx=0.7Tq。

2.5 復(fù)原彎矩試驗

根據(jù)加力方式不同復(fù)原彎矩試驗分單件試驗和組對試驗兩種，分別如圖4(a)、圖4(b)所示，本次試驗采用組對方式進行測試。

圖4 復(fù)原彎矩試驗示意

將試樣按圖4(b)安裝，對準中心位置，精度應(yīng)小于1%的試件短邊尺寸。在距試樣中心L處，安裝使梁產(chǎn)生轉(zhuǎn)動用的千斤頂和測力計，并在承載梁(或板)四角對稱安裝傳感器。

預(yù)壓:將壓應(yīng)力以(0.03～0.04)MPa/s速率連續(xù)地增至平均壓應(yīng)力Fz=7 MPa，繪制應(yīng)力—時間圖，維持5 min，然后以連續(xù)均勻的速度卸載，計預(yù)壓3次。正式加載時，將壓應(yīng)力按照抗壓彈性模量試驗要求增至Fz=7 MPa，采集支座變形數(shù)據(jù)，繪制應(yīng)力—應(yīng)變圖，并在整個試驗過程中維持Fz不變。用千斤頂對中間杠桿臂加一個頻率為0.03 Hz回復(fù)力F，使其達到預(yù)期轉(zhuǎn)角 ±0.003 rad，循環(huán)10次，記錄荷載與變形曲線。

反力矩Me=F/2×L，其中L=800 mm為臂長。

偏轉(zhuǎn)角度θ=tan(s/L)×180/π

試驗數(shù)據(jù)如表3、圖5所示。

表3 2種隔震橡膠支座復(fù)原彎矩試驗數(shù)據(jù)

圖5 隔震橡膠支座復(fù)原彎矩特性曲線

結(jié)果表明:支座的反力矩與承壓面積和豎向荷載成正比，在工程設(shè)計中，可通過調(diào)整支座的承壓面積來滿足不同橋梁結(jié)構(gòu)的需要。

2.6 偏心加載試驗

試驗?zāi)康氖球炞C支座由地震作用力使其產(chǎn)生偏心后，支座的承載特性和外觀狀態(tài)。

本試驗采用組對試驗進行，試驗時選取2件隔震橡膠支座組對進行。給定偏心荷載的接觸面積，施加指定荷載(3.5GdAS/1.5)1 min卸載。然后使支座在不加載狀態(tài)下靜置10 min。重新施加指定荷載，5 min后，記錄傳感器的讀數(shù)。過程不斷重復(fù)，直到?jīng)]有可觀察的隆起。用外推法確定偏心率，偏心率近似值確定后，卸去所有荷載，支座靜置10 min。再次施加荷載5 min，測量接觸面積。

結(jié)果表明:卸載后支座無粘接缺陷、開裂現(xiàn)象。在試驗中當偏心距達到66.6 mm(支座長邊1/6)，豎向施加荷載并產(chǎn)生0.025 rad轉(zhuǎn)角，保持5 min后卸載，支座外觀無明顯缺陷和開裂現(xiàn)象，表明該支座結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有較好抗震性能。

2.7 極限性能

試驗?zāi)康氖球炞C支座在水平大位移剪切工況下支座的承載特性和外觀狀態(tài)。

將壓應(yīng)力以(0.03～0.04)MPa/s速率連續(xù)地增至平均壓應(yīng)力σ=12 MPa，繪制應(yīng)力—時間圖，并在整個抗剪試驗過程中保持不變。以不大于2.5 mm/s恒定速率將試樣進行剪切，當達到位移量 Vxm時(Vxm=2Tq)，試件靜置5 min，觀察試樣是否有缺陷;記錄試驗數(shù)據(jù)和曲線。撤去剪切力后，仍施加壓縮荷載，仔細觀察支座，任何表明可能有粘接缺陷的膨脹都應(yīng)加以注意，有必要切開邊緣來確定缺陷是否存在，并判斷是否由于粘接失敗所引起。

結(jié)果表明，支座的極限變形性能達到200%以上，且沒有出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，這說明該支座在極限承載工況下仍具有較好的隔震效果，有利于保護橋梁上部結(jié)構(gòu)的安全。

3 結(jié)語

通過對隔震橡膠支座力學(xué)性能的試驗研究，總結(jié)出一套試驗方法和數(shù)據(jù)處理方法，對橋梁支座產(chǎn)品研發(fā)和試驗可起指導(dǎo)作用。研究證明隔震橡膠支座性能穩(wěn)定、具有較高的耗能性與顯著的隔震效果。

［1］王克海．橋梁抗震研究［M］．北京:中國鐵道出版社，2007．

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U443．36+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．02．10

1003-1995(2014)02-0030-03

2014-08-20;

2014-11-06

林達文(1974— )，男，湖南株洲人，高級工程師，碩士。

(責(zé)任審編 孟慶伶)