公路橋梁用三元乙丙橡膠板式支座力學(xué)性能研究

李金航，李 儀，呂鵬飛，孫逢緣，孫愷聞，朱曉偉*，陳勇前，唐昶宇，江 祺

（1.河南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.廈門理工學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院，福建 廈門 361024 ；3.中國工程物理研究院 成都科學(xué)技術(shù)發(fā)展中心，四川 成都 610200；4.四川高地工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，四川 成都 610200）

板式橡膠支座是公路橋梁領(lǐng)域中常采用的一種支座形式，具有構(gòu)造簡單、成本低廉、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在中小跨徑橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用，其數(shù)量約占公路橋梁支座總數(shù)量的85%以上[1]。加勁板式橡膠支座主要由若干橡膠層與薄鋼板組合而成，目前常用的橡膠材料為天然橡膠和氯丁橡膠，但都有一定缺陷。三元乙丙橡膠（EPDM）克服了天然橡膠不耐老化、氯丁橡膠不耐低溫的不足，是一種理想的公路橋梁支座橡膠材料[2]，尤其在我國部分高寒、高海拔地區(qū)，其有望大幅提升公路橋梁用板式橡膠支座的設(shè)計(jì)使用壽命。

為了抵抗使用過程中可能出現(xiàn)的剪切變形，板式支座對橡膠與鋼板的粘合性能有較高要求。但EPDM主鏈?zhǔn)遣缓p鍵的飽和結(jié)構(gòu)，只是在側(cè)鏈上含有少量的雙鍵，為弱極性的惰性材料，與金屬的粘合性能較差，限制了其在板式橡膠支座中的應(yīng)用[3]。長久以來，研究人員對EPDM膠料和膠粘劑改性進(jìn)行了大量的研究工作[4-5]，但目前市售EPDM膠料與鋼板的粘合性能依然不能滿足相關(guān)需求，也缺少板式橡膠支座相關(guān)力學(xué)行為的研究，而我國現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范JT/T 4—2019《公路橋梁板式橡膠支座》[6]也未給出EPDM板式支座的設(shè)計(jì)參數(shù)。

針對上述問題，本工作設(shè)計(jì)并試制了新型EPDM板式支座，結(jié)合試驗(yàn)與數(shù)值模擬技術(shù)，研究該支座的彈性模量和在最不利工況組合下的力學(xué)行為特征，為板式橡膠支座設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。

1 EPDM板式支座的制備

1.1 改性EPDM膠料的制備

1.1.1 配方

EPDM 100，炭黑 30～50，活性劑 4～7，軟化劑 5～10，防老劑 2～3，加工助劑 1～2，改性劑 2～3，混合硫化劑 1.5～3，促進(jìn)劑2.5～3。

1.1.2 膠料混煉

先將EPDM生膠在密煉機(jī)中塑煉3 min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40～50 r·min-1，溫度升至110 ℃；再依次加入炭黑、加工助劑、防老劑、軟化劑，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40～50 r·min-1，在110 ℃下混煉3 min；然后加入活性劑、改性劑，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40～50 r·min-1，升溫至120 ℃混煉10 min，排膠；密煉膠在開煉機(jī)上下片并冷卻至60 ℃，再在開煉機(jī)上加入促進(jìn)劑、硫化劑，混煉均勻，得到改性EPDM混煉膠。

1.2 改性EPDM膠料的性能

改性EPDM膠料的性能見表1。

表1 改性EPDM膠料的性能Tab.1 Properties of modified EPDM compound

從表1可以得出，與JT/T 4—2019中天然橡膠和氯丁橡膠的膠料性能指標(biāo)相比，改性EPDM膠料的耐低溫、耐老化、與鋼板的粘合性能均較好。

1.3 EPDM板式支座設(shè)計(jì)與制備

本工作基于上述改性EPDM膠料，結(jié)合JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]，根據(jù)JT/T 4—2019進(jìn)行EPDM板式支座的設(shè)計(jì)。該支座采用圓形結(jié)構(gòu)，規(guī)格為GYZΦ200 mm×42 mm；橡膠層結(jié)構(gòu)為：5層夾層橡膠，每層厚度為5 mm，頂層2層橡膠的層厚度均為2.5 mm；鋼板層：6層夾層鋼板，圓形鋼板（Q235鋼）規(guī)格為Φ190 mm×2 mm。

EPDM板式支座的制備方法如下。第1步：將改性EPDM混煉膠制成直徑為200 mm、厚度為5 mm的圓形膠片；第2步：將加勁鋼板裁剪成直徑為190 mm、厚度為2 mm的圓形鋼片，并進(jìn)行表面噴砂、脫脂清理；第3步：將膠粘劑均勻輥涂或刷涂到加勁鋼板表面，待溶劑揮發(fā)完全后使用；第4步：將圓形膠片與處理后的圓形加勁鋼板間隔疊放于模具中硫化，硫化條件為145 ℃×50 min；第5步：待支座硫化完成后進(jìn)行脫模、修邊，制得成品支座。

EPDM板式支座的制備過程及樣品見圖1。

圖1 EPDM板式支座的制備過程及樣品Fig.1 Preparation processes and sample of EPDM laminated bearing

2 EPDM板式支座的彈性模量研究

為明確以上制備的適用于公路橋梁的EPDM板式支座的力學(xué)性能是否滿足JT/T 4—2019要求，本工作對EPDM板式支座的彈性模量進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并與理論計(jì)算值和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比研究。相關(guān)試驗(yàn)流程按照J(rèn)T/T 4—2019附錄A.4.1進(jìn)行。

依據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范，板式橡膠支座的實(shí)測抗壓彈性模量（E1）按式（1）計(jì)算。

式中，σ4和ε4分別為4 MPa級試驗(yàn)載荷下支座的壓應(yīng)力和累計(jì)壓縮應(yīng)變，σ10和ε10分別為10 MPa級試驗(yàn)載荷下支座的壓應(yīng)力和累計(jì)壓縮應(yīng)變。

計(jì)算得出，EPDM板式支座的E1為542 MPa。

板式橡膠支座的抗壓彈性模量理論計(jì)算值（E）按式（2）計(jì)算。

式中：G為支座的抗剪彈性模量，一般取值為1.0 MPa；S為支座的形狀因子，圓形板式橡膠支座的S按式（3）計(jì)算。

S＝d0/4t1＝190/（4×5）＝9.5 （3）式中，d0為支座的圓形加勁鋼板直徑（mm），t1為支座的中間橡膠層厚度（mm）。

計(jì) 算 得 出，EPDM 板 式 支 座 的E為487.35 MPa，E1與E相差10%，小于規(guī)范要求的20%，說明該改性EPDM膠料適用于現(xiàn)行板式橡膠支座設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

為了更直觀地研究EPDM板式支座的力學(xué)性能，本工作基于有限元分析軟件Abaqus建立其三維有限元模型，模型尺寸與試驗(yàn)樣品一致，同為Φ200 mm×42 mm，支座的整體模型和橫截面模型如圖2所示。

圖2 EPDM板式支座的三維有限元模型Fig.2 3D finite element models of EPDM laminated bearing

計(jì)算模型中橡膠材料的超彈性本構(gòu)模型采用Yeoh模 型[8]，材 料 參 數(shù)C10＝0.681 636 981，C20＝2.844 234 152×10-2，C30＝－2.220 741 692×10-4，泊松比為0.499 75，單元類型類為C3D8H。加勁鋼板本構(gòu)模型采用理想的線彈性模量（200 GPa），泊松比為0.3，單元類型類為C3D8R，支座上下端接觸的混凝土采用解析剛體模擬，其與支座的接觸設(shè)置為面面自動接觸，水平摩擦因數(shù)為0.3。

本工作首先分析了在相同載荷作用下，數(shù)值模擬與壓縮試驗(yàn)獲取的EPDM板式支座的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，如圖3所示。

圖3 EPDM板式支座的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Relationship of compressive stress-strain of EPDM laminated bearing

從圖3可以看出，支座的應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)測值與有限元分析模擬值吻合較好。同時(shí)有限元分析計(jì)算獲取的支座的抗壓彈性模量為610 MPa，與實(shí)測彈性模量較為接近，可以說明該有限元模型能夠較好地分析EPDM板式支座的力學(xué)性能。

在設(shè)計(jì)的最大壓縮應(yīng)力（10 MPa）下EPDM板式支座沿直徑方向橫截面的壓縮應(yīng)力云圖見圖4。

從圖4可以看出：支座在設(shè)計(jì)的最大壓縮應(yīng)力10 MPa下，中心受壓、邊緣受拉；支座中心橡膠層壓應(yīng)力最大，隨著距中心距離的加大，壓應(yīng)力不斷減??；支座各層橡膠的應(yīng)力分布一致，在鋼板邊緣應(yīng)力削減為零。

圖4 EPDM板式支座沿直徑方向橫截面的壓縮應(yīng)力云圖Fig.4 Compression stress nephogram of cross section of EPDM laminated bearing along diameter direction

3 最不利工況下EPDM板式支座的力學(xué)性能研究

板式橡膠支座在正常使用過程中往往受到壓力、剪切和轉(zhuǎn)動等一種或多種組合工況作用。為研究EPDM板式支座在極限載荷下的力學(xué)響應(yīng)，本工作設(shè)計(jì)了支座的最不利工況組合，其中平均壓應(yīng)力（σc）＝10 MPa，剪切角正切值（tanα）＝0.7，轉(zhuǎn)角正切值（tanθ）＝0.007 5。為方便查看應(yīng)力分布，在支座中心橫截面上設(shè)置了6條路徑，如圖5中虛線所示。其中路徑1，3和5為橡膠層與鋼板接觸面，路徑2，4和6為各橡膠層中心處，支座最左側(cè)為坐標(biāo)原點(diǎn)。

圖5 路徑位置示意Fig.5 Diagram of path location

最不利工況下EPDM板式支座的剪切應(yīng)力云圖和分布曲線見圖6。

圖6 EPDM板式支座的剪切應(yīng)力云圖和分布曲線Fig.6 Shear stress nephogram and distribution curves of EPDM laminated bearing

從圖6可以看出，支座橡膠層與鋼板接觸處面的剪切應(yīng)力主要在鋼板兩側(cè)的邊緣處出現(xiàn)突變，其中最大剪切應(yīng)力為10.13 MPa，位于支座邊緣的橡膠層與鋼板交界區(qū)域，但小于EPDM膠料與鋼板的粘合強(qiáng)度25 MPa，這可以說明在最不利條件下，支座的橡膠層與鋼板之間不會出現(xiàn)脫開現(xiàn)象。

最不利工況下EPDM板式支座鋼板的Von-Mises應(yīng)力云圖和分布曲線見圖7。

從圖7可以看出：鋼板的Von-Mises應(yīng)力最大值主要是在鋼板兩側(cè)的邊緣處，距離支座中心60～85 mm；第2層鋼板極小部分區(qū)域的最大Von-Mises應(yīng)力值為237.5 MPa，超過鋼板的名義屈服強(qiáng)度（235 MPa）。

圖7 EPDM板式支座鋼板的Von-Mises應(yīng)力云圖和分布曲線Fig.7 Von-Mises stress nephogram and distribution curves of steel plates for EPDM laminated bearing

綜上所述，在最不利工況下，該EPDM板式支座并未出現(xiàn)脫膠現(xiàn)象，僅有很小部分區(qū)域的鋼板應(yīng)力超過了其屈服強(qiáng)度，但支座的整體力學(xué)性能滿足工程設(shè)計(jì)和使用要求[9-13]。

4 結(jié)論

隨著我國交通事業(yè)發(fā)展迅速，板式橡膠支座對公路橋梁具有越來越重要的意義[11-13]。本工作對EPDM板式支座的制備、試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究結(jié)果表明：采用高粘合性能的EPDM膠料，按照J(rèn)T/T 4—2019流程，完全可以設(shè)計(jì)和制備EPDM板式支座，其彈性模量滿足規(guī)范要求；而在最不利工況下，EPDM板式支座的橡膠層與鋼板之間并未出現(xiàn)脫開現(xiàn)象，滿足工程設(shè)計(jì)要求。該研究成果對今后板式橡膠支座設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂以及實(shí)際工程化的應(yīng)用具有一定的借鑒意義。