預(yù)制綜合管廊橡膠密封墊受壓性能研究及斷面設(shè)計(jì)

張銓婧， 莫海鴻， 黃臣瑞， 陳俊生, *

(1. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510640；2. 華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640)

0 引言

預(yù)制綜合管廊拼縫接頭處常常采用預(yù)制的彈性密封墊作為主要防水措施[1]。拼縫彈性密封墊應(yīng)沿環(huán)、縱面成框。將彈性密封墊置于溝槽中，溝槽形式、尺寸應(yīng)與彈性密封墊相匹配。拼縫接頭防水構(gòu)造示意圖如圖1所示。目前密封墊主要采用氯丁橡膠和三元乙丙橡膠等材料[2]，也可選用彈性橡膠與遇水膨脹橡膠制成的復(fù)合密封墊。復(fù)合密封墊宜采用中間開(kāi)孔、下部開(kāi)槽的斷面構(gòu)造形式。

橡膠密封墊壓密(壓縮度達(dá)到50%)時(shí)所需的裝配力既需要滿足防水要求(在綜合管廊接縫寬度為5 mm時(shí)，橡膠密封墊界面應(yīng)力不小于1.5 MPa)，也需要滿足裝配能力。除橡膠密封墊的材料之外，不同的斷面形式也會(huì)對(duì)橡膠密封墊壓密時(shí)需要的裝配力造成影響。目前已有的相關(guān)研究均是針對(duì)盾構(gòu)隧道的橡膠密封墊進(jìn)行的，例如： 歐陽(yáng)文彪[3]研究了橡膠硬度和開(kāi)孔大小對(duì)盾構(gòu)隧道橡膠密封墊力學(xué)性能的影響； 向科等[4]和雷震宇[5]對(duì)盾構(gòu)隧道橡膠密封墊的斷面形式進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化； 譚文怡[6]對(duì)橡膠密封墊受到高溫后的壓縮性能進(jìn)行了研究。其他研究或是在橡膠密封墊的耐久性和壽命預(yù)測(cè)方面[7-8]，或是在防水性能和防水技術(shù)方面[9-12]。

圖1 拼縫接頭防水構(gòu)造示意圖

綜合來(lái)看，在受壓性能方面，已有的研究對(duì)斷面形式考慮得并不全面，斷面形式包括了開(kāi)槽形式和開(kāi)孔形式。另外，與盾構(gòu)隧道不同的是： 預(yù)制綜合管廊采用吊車進(jìn)行裝配，由張拉機(jī)提供裝配力，張拉機(jī)難以提供盾構(gòu)所能提供的裝配力。因此，需采用模量更小的橡膠密封墊。由于綜合管廊的接頭形式與盾構(gòu)隧道不同，因而橡膠密封墊的尺寸和形狀也不同。因此，對(duì)于綜合管廊，不能完全按照盾構(gòu)隧道進(jìn)行橡膠密封墊的斷面設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行有針對(duì)性的研究。通過(guò)大量的對(duì)比試驗(yàn)對(duì)斷面形式進(jìn)行調(diào)整雖然可行，但生產(chǎn)橡膠密封墊以及試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，且成本難以控制，因此，有必要采取數(shù)值模擬的方式對(duì)其進(jìn)行研究。

本文針對(duì)某城市預(yù)制綜合管廊的橡膠密封墊斷面設(shè)計(jì)，進(jìn)行了橡膠密封墊壓縮試驗(yàn)，并利用通用有限元軟件MSC.Marc對(duì)橡膠密封墊的壓縮過(guò)程進(jìn)行了模擬； 然后，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了有限元模擬結(jié)果的可靠性； 最后，探討了不同開(kāi)槽和開(kāi)孔形式對(duì)橡膠密封墊受壓性能的影響。

1 橡膠密封墊壓縮試驗(yàn)

本次壓縮試驗(yàn)取3個(gè)相同的試樣，試樣為遇水膨脹橡膠和三元乙丙橡膠組成的復(fù)合橡膠密封墊。對(duì)試樣只開(kāi)槽，不開(kāi)孔，試樣長(zhǎng)度為20 mm，長(zhǎng)度公差為-1 mm。橡膠密封墊斷面形狀和尺寸如圖2所示。

利用預(yù)先制備的帶有溝槽的鋼模具模擬橡膠密封墊實(shí)際裝配時(shí)的管廊接頭溝槽。溝槽示意圖如圖3所示。采用新三思電子式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn)，測(cè)定橡膠密封墊壓縮度為50%時(shí)的最大壓力，其中，該橡膠密封墊壓縮度為50%時(shí)豎向壓縮位移需達(dá)到10 mm。加載試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖2 橡膠密封墊斷面形狀和尺寸(單位： mm)

Fig. 2 Shape of cross-section of rubber gasket and its size (unit： mm)

圖3 溝槽示意圖(單位： mm)

圖4 加載試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)開(kāi)展前，應(yīng)將試樣在標(biāo)準(zhǔn)溫度(23±2) ℃下放置16 h。試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)溫度(23±2) ℃下進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)先將試樣放置在試驗(yàn)裝置的模具溝槽里，試驗(yàn)機(jī)以50 mm/min的速率加載，直至壓縮量為10 mm，再以相同速率卸載至壓力為0 N，如此反復(fù)加載和卸載3次。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪出荷載-位移曲線，并根據(jù)第3次壓縮試驗(yàn)確定壓縮位移為10 mm時(shí)的壓力值。

由試驗(yàn)結(jié)果得出，復(fù)合橡膠密封墊試樣壓縮位移為10 mm時(shí)，壓力平均值為541.7 N。以此換算出復(fù)合橡膠密封墊每延米的裝配力約為27.085 kN，實(shí)際施工時(shí)難以達(dá)到。因此，需對(duì)橡膠密封墊進(jìn)行開(kāi)孔設(shè)計(jì)。

2 橡膠密封墊有限元模型

橡膠壓縮模型存在著復(fù)雜的接觸問(wèn)題以及非線性和大變形問(wèn)題。MSC.Marc是功能齊全的高級(jí)非線性有限元軟件，具有極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)分析能力，支持全自動(dòng)二維網(wǎng)格和三維網(wǎng)格重劃分，同時(shí)，可用以糾正過(guò)渡變形后產(chǎn)生的網(wǎng)格畸變，確保大變形分析的繼續(xù)進(jìn)行。因此，利用MSC.Marc模擬橡膠壓縮過(guò)程具有很強(qiáng)的操作性。

橡膠材料的本構(gòu)模型采用工程中應(yīng)用廣泛的Mooney-Rivlin模型[13-14]，假定橡膠材料在短時(shí)間內(nèi)以及恒溫下為各向同性的不可壓縮材料，橡膠應(yīng)變能密度函數(shù)W是變形張量不變量的函數(shù)，表達(dá)式為

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)。

(1)

式中：I1和I2是應(yīng)變張量不變量；C10和C01是本構(gòu)模型的參數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，通過(guò)測(cè)量三元乙丙橡膠的硬度(IRHD硬度)，并取C01/C10=0.05，求得本構(gòu)模型的參數(shù)C10=0.23，C01=0.01。由于試驗(yàn)中采用的遇水膨脹橡膠與三元乙丙橡膠的硬度相同，因此，遇水膨脹橡膠材料采用與三元乙丙橡膠相同的參數(shù)。

為了提高計(jì)算效率，可將橡膠壓縮問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。在本模型中，將橡膠設(shè)置為變形體，由于壓板和墊板的剛度比橡膠大得多，可以不考慮壓板和墊板的變形，因此，將壓板和墊板設(shè)置為剛體。橡膠的計(jì)算單元采用4節(jié)點(diǎn)四邊形的Herrmann單元，Herrmann單元可模擬橡膠的體積不可壓縮特性。由于遇水膨脹橡膠和三元乙丙橡膠粘結(jié)緊密，故不考慮它們之間的相互錯(cuò)動(dòng)，認(rèn)為它們節(jié)點(diǎn)耦合。建模時(shí)對(duì)于橡膠與壓板、墊板之間的接觸，摩擦因數(shù)取0.3，對(duì)于橡膠自接觸，摩擦因數(shù)取0.6[16]，并設(shè)置網(wǎng)格在畸變時(shí)自動(dòng)重劃分。為了使模型收斂，對(duì)墊板直角處進(jìn)行了倒圓角處理。橡膠密封墊模型示意圖如圖5所示。與橡膠壓縮試驗(yàn)相同，使壓板向下運(yùn)動(dòng)，擠壓橡膠，直至橡膠壓縮量達(dá)到10 mm。

圖5 橡膠密封墊模型示意圖

壓縮位移為10 mm時(shí)，橡膠密封墊接觸應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6可知，壓縮位移為10 mm時(shí)，最大接觸應(yīng)力為5.014 MPa，接觸應(yīng)力最大位置在橡膠與墊板陽(yáng)角接觸部位。

橡膠壓縮時(shí)所需壓力等于所有與壓板接觸的節(jié)點(diǎn)豎向力之和。由此計(jì)算所得的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)結(jié)果得到的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。

圖6壓縮位移為10 mm時(shí)橡膠密封墊接觸應(yīng)力云圖(單位： MPa)

Fig.6 Contact stress nephogram of rubber gasket when compression displacement is 10 mm (unit： MPa)

圖7 壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖7可以看出，計(jì)算所得的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)結(jié)果得到的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本吻合。說(shuō)明計(jì)算所采用的本構(gòu)模型以及參數(shù)是合理的，有限元方法能夠較為準(zhǔn)確地模擬橡膠密封墊的壓縮過(guò)程。橡膠密封墊的壓縮分為2個(gè)階段： 第1階段以內(nèi)部孔洞的壓縮為主； 第2階段隨著內(nèi)部孔洞的壓密，所需壓縮力增大[17]。因此，壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線先是呈線性增長(zhǎng)，在壓縮量達(dá)到5 mm左右后，曲線的斜率逐漸增大。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到壓縮位移為10 mm時(shí)橡膠密封墊每延米裝配力為28.8 kN，與試驗(yàn)值相差1.715 kN。

3 開(kāi)槽設(shè)計(jì)

在研究開(kāi)孔對(duì)橡膠密封墊受壓性能的影響之前，先研究開(kāi)槽的影響。橡膠密封墊的開(kāi)槽形式可以是試驗(yàn)中的半圓加正方形槽，也可以是半圓槽、半圓加梯形槽； 可以設(shè)計(jì)成2槽，也可以設(shè)計(jì)成3槽。不同槽數(shù)量及形狀的橡膠密封墊模型如圖8所示。研究從以下2個(gè)方面入手： 一是研究開(kāi)槽大小對(duì)裝配力和接觸應(yīng)力的影響； 二是研究開(kāi)槽數(shù)量和形狀對(duì)裝配力和接觸應(yīng)力的影響。

(a) 2槽(半圓加正方形槽) (b) 2槽(半圓槽)

(c) 2槽(半圓加梯形槽) (d) 3槽(半圓加正方形槽)

Fig. 8 Rubber gasket models with different grooving number and shapes

3.1 開(kāi)槽大小的影響

采用如圖8所示的2個(gè)半圓加正方形槽，半圓形的直徑和正方形的邊長(zhǎng)相等，即半圓形的直徑等于槽的寬度。通過(guò)改變槽的寬度以改變開(kāi)槽大小，研究開(kāi)槽大小對(duì)接觸應(yīng)力以及裝配力(由壓縮力換算得到)的影響。取不開(kāi)槽和開(kāi)槽2種情況，不開(kāi)槽時(shí)槽的寬度記為0 mm，開(kāi)槽時(shí)槽的寬度取 2～4 mm，槽的寬度為4 mm時(shí)與壓縮試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)。壓縮位移為10 mm時(shí)不同槽寬度情況下橡膠密封墊的裝配力和最大接觸應(yīng)力如圖9所示。

(a) 裝配力

(b) 最大接觸應(yīng)力

圖9壓縮位移為10 mm時(shí)不同槽寬度情況下橡膠密封墊的裝配力和最大接觸應(yīng)力

Fig. 9 Compressive force and maximum contact stress of rubber gaskets with different grooving widths when compression displacement is 10 mm

由圖9可以看出，開(kāi)槽后，橡膠密封墊壓縮位移為10 mm時(shí)接觸應(yīng)力和裝配力均比不開(kāi)槽時(shí)小。槽寬度不同情況下接觸應(yīng)力最大位置在橡膠與墊板陽(yáng)角接觸部位。隨著槽寬度的增大，橡膠密封墊的接觸應(yīng)力減小，裝配力也減小。不開(kāi)槽時(shí)最大接觸應(yīng)力為7.012 MPa，每延米所需裝配力約為 43.92 kN，比試驗(yàn)中采用的橡膠密封墊施工時(shí)裝配更加困難。

3.2 開(kāi)槽數(shù)量及開(kāi)槽形狀的影響

通過(guò)控制槽的總面積不變，改變槽的數(shù)量及形狀，研究槽的數(shù)量和形狀對(duì)接觸應(yīng)力以及裝配力的影響。取2個(gè)直徑為4 mm半圓加正方形槽的面積作為標(biāo)準(zhǔn)，記為2槽(1)。當(dāng)橡膠密封墊上有3個(gè)半圓加正方形槽時(shí)，每個(gè)半圓槽孔直徑為3.266 mm，正方形邊長(zhǎng)為 3.266 mm，記為3槽； 當(dāng)有2個(gè)半圓槽時(shí)，每個(gè)槽的直徑為7.534 mm，記為2槽(2)； 當(dāng)橡膠密封墊上的槽孔形狀為2個(gè)半圓加梯形槽時(shí)，半圓槽孔直徑為3.824 mm，梯形上底寬3.824 mm，下底寬4.824 mm，高為3.824 mm，記為2槽(3)。壓縮位移為10 mm時(shí)不同槽數(shù)量及形狀的橡膠密封墊的裝配力和最大接觸應(yīng)力如圖10所示。

(a) 裝配力

(b) 最大接觸應(yīng)力

圖10壓縮位移為10 mm時(shí)不同槽數(shù)量及形狀的橡膠密封墊的裝配力和最大接觸應(yīng)力

Fig. 10 Compressive force and maximum contact stress of rubber gaskets with different grooving number and shapes when compression displacement is 10 mm

由圖10可以看出，開(kāi)槽面積相同時(shí)，槽的數(shù)量對(duì)接觸應(yīng)力和裝配力影響較小，采用2槽或3槽時(shí)橡膠密封墊的接觸應(yīng)力和裝配力相差很??； 槽的形狀對(duì)接觸應(yīng)力和裝配力的影響較大，采用半圓形槽時(shí)接觸應(yīng)力和裝配力最大，采用半圓加正方形槽時(shí)接觸應(yīng)力和裝配力最小。圖10(b)中2槽(1)、2槽(3)以及3槽的接觸應(yīng)力最大位置在橡膠與墊板陽(yáng)角接觸部位，而2槽(2)接觸應(yīng)力最大位置在槽孔自接觸處。因此，建議選用2個(gè)或3個(gè)半圓加正方形槽形式。

4 開(kāi)孔設(shè)計(jì)

橡膠密封墊的孔可設(shè)計(jì)成2孔、平排3孔、錯(cuò)排3孔、直排4孔、斜排4孔以及5孔，如圖11所示。研究從以下2方面入手： 一是研究開(kāi)孔大小對(duì)裝配力和接觸應(yīng)力的影響； 二是研究開(kāi)孔數(shù)量和排列方式對(duì)裝配力和接觸應(yīng)力的影響。

(a) 2孔 (b) 3孔(平排)

(c) 3孔(錯(cuò)排) (d) 4孔(直排)

(e) 4孔(斜排) (f) 5孔

圖11不同孔數(shù)量及排列位置的橡膠密封墊模型

Fig. 11 Rubber gasket models with different opening number and arrangement modes

4.1 開(kāi)孔大小的影響

以圖11所示的2孔為例，控制孔的數(shù)量和位置不變，通過(guò)改變孔直徑以改變開(kāi)孔大小，研究開(kāi)孔大小對(duì)接觸應(yīng)力以及裝配力的影響，孔的直徑取1～5 mm。壓縮位移為10 mm時(shí)不同孔直徑情況下橡膠密封墊的裝配力和最大接觸應(yīng)力如圖12所示。

由圖12可以看出，開(kāi)孔后，壓縮位移為10 mm時(shí)橡膠密封墊的接觸應(yīng)力和裝配力均比不開(kāi)孔時(shí)小?？字睆綖?～2 mm時(shí)接觸應(yīng)力最大位置在橡膠與墊板陽(yáng)角接觸部位，孔直徑為3～5 mm時(shí)接觸應(yīng)力最大位置在橡膠底部的中間部位。隨著孔直徑的增大，橡膠密封墊的接觸應(yīng)力和裝配力均減小。當(dāng)開(kāi)孔直徑達(dá)到5 mm時(shí)，最大接觸應(yīng)力為2.689 MPa，每延米所需裝配力約為16.92 kN，比試驗(yàn)中采用的橡膠密封墊施工裝配要容易得多。

(a) 裝配力

(b) 最大接觸應(yīng)力

圖12壓縮位移為10 mm時(shí)不同孔直徑情況下橡膠密封墊的裝配力和最大接觸應(yīng)力

Fig. 12 Compressive force and the maximum contact stress of rubber gaskets with different opening diameters when compression displacement is 10 mm

4.2 開(kāi)孔數(shù)量及排列位置的影響

通過(guò)控制開(kāi)孔面積不變，改變開(kāi)孔數(shù)量及排列方式，研究開(kāi)孔數(shù)量及排列方式對(duì)接觸應(yīng)力以及裝配力的影響。以2個(gè)直徑為5 mm圓孔的面積作為標(biāo)準(zhǔn)(記為2孔)，換算成3孔時(shí)孔的直徑為4.082 mm，平排記為3孔(1)，錯(cuò)排記為3孔(2)； 換算成4孔時(shí)孔的直徑為3.536 mm，直排記為4孔(1)，斜排記為4孔(2)； 換算成5孔時(shí)孔的直徑為3.162 mm，記為5孔。開(kāi)孔數(shù)量及排列位置不同情況下壓縮位移為10 mm時(shí)橡膠密封墊的裝配力和最大接觸應(yīng)力如圖13所示。

由圖13可以看出，橡膠密封墊開(kāi)孔面積相同時(shí)，開(kāi)孔數(shù)量及排列方式對(duì)接觸應(yīng)力和裝配力的影響不大，接觸應(yīng)力最大位置均在橡膠底部的中間部位。通過(guò)對(duì)開(kāi)孔數(shù)量為3孔的2種布置進(jìn)行比較可知，錯(cuò)排時(shí)比平排時(shí)接觸應(yīng)力和裝配力小。通過(guò)對(duì)開(kāi)孔數(shù)量為4孔的2種布置比較可知，斜排時(shí)比直排時(shí)接觸應(yīng)力和裝配力小。由于開(kāi)孔數(shù)量越多，制造難度越大，因此，建議選用2孔或者3孔錯(cuò)排布置方式。

(a) 裝配力

(b) 最大接觸應(yīng)力

圖13開(kāi)孔數(shù)量及排列位置不同情況下壓縮位移為10 mm時(shí)橡膠密封墊的裝配力和最大接觸應(yīng)力

Fig. 13 Compressive force and maximum contact stress for rubber gaskets with different opening number and arrangement modes when compression displacement is 10 mm

5 結(jié)論與建議

針對(duì)不同的橡膠密封墊斷面形式，通過(guò)壓縮試驗(yàn)以及數(shù)值模擬，得到以下主要結(jié)論：

1)有限元方法能夠較為準(zhǔn)確地模擬橡膠密封墊的壓縮過(guò)程，并能準(zhǔn)確分析其受壓性能，說(shuō)明利用有限元軟件對(duì)橡膠密封墊進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)和優(yōu)化是可行的。

2)在同一種尺寸和硬度下，壓縮度為50%時(shí)隨著開(kāi)槽和開(kāi)孔面積的增大，橡膠密封墊的接觸應(yīng)力和裝配力減小。開(kāi)槽面積相同時(shí)，2槽和3槽橡膠密封墊的接觸應(yīng)力和裝配力相差很小，槽形狀為半圓加正方形時(shí)接觸應(yīng)力和裝配力最小，因此，建議選用2個(gè)或者3個(gè)半圓加正方形槽形式的橡膠密封墊。開(kāi)孔面積相同時(shí)，不同開(kāi)孔數(shù)量以及排列方式橡膠密封墊的接觸應(yīng)力和裝配力相差不大，但仍有影響，建議選用2孔或者3孔錯(cuò)排的開(kāi)孔形式。

本文只研究了在同一種尺寸和硬度下，開(kāi)槽和開(kāi)孔形式對(duì)橡膠密封墊接觸應(yīng)力和裝配力的影響，對(duì)于橡膠密封墊尺寸、外輪廓形狀、遇水膨脹橡膠和三元乙丙橡膠的硬度組合等因素的影響以及橡膠密封墊的耐久性和防水性能等方面均未進(jìn)行研究，因此，建議開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

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