橋梁板式橡膠支座典型病害下的力學(xué)性能研究

高小妮,沈理斌,沈健聰

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 北京 100088；2.嘉興市快速路建設(shè)發(fā)展有限公司,江蘇 浙江 314000)

0 引言

板式橡膠支座是橋梁支座中不可或缺的支座類型之一，具有性能可靠、安裝和使用方便、造價(jià)低、吸收部分振動(dòng)、減小活載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)及墩臺(tái)的沖擊的特點(diǎn)，在20世紀(jì)50年代國(guó)內(nèi)外已廣泛開始應(yīng)用[1]。在我國(guó)目前新建跨度小于30 m、位移量較小的公路橋梁中幾乎全使用橡膠支座。但近年來(lái)，隨著我國(guó)交通量的增大，以及橡膠產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量、支座設(shè)計(jì)和施工不當(dāng)?shù)仍颍鹉z支座出現(xiàn)大量病害。橡膠支座病害主要有不均勻外鼓、開裂(包括破損)、剪切變形大、脫空(包括缺失)、鋼板外露、偏壓、偏位和串位等[2-3]。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)近16萬(wàn)個(gè)在用板式橡膠支座的檢查結(jié)果進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)分析(見表1)表明：除了樣本支座存在支座老化開裂現(xiàn)象外，同時(shí)支座偏壓脫空現(xiàn)象、剪切變形超限現(xiàn)象也較為突出。

表1 被檢查板式橡膠支座主要病害及其占比

支座產(chǎn)品的費(fèi)用占橋梁總造價(jià)很低，但支座更換的費(fèi)用卻非常高。我國(guó)公路橋梁采用板式橡膠支座數(shù)量較大，每年由于支座質(zhì)量問題造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)板式橡膠支座已展開大量研究，劉利[2]利用FEA軟件采用增加彈性模量和剪切模量對(duì)支座出現(xiàn)病害的情況進(jìn)行了模擬分析；鄔曉光等[3]通過(guò)建立板式橡膠支座的有限元模型，分析得出橡膠支座的極限脫空率和極限剪切角，并對(duì)支座同時(shí)存在脫空和剪切時(shí)的失效標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。這些研究?jī)H對(duì)支座病害的某一種病害情況進(jìn)行了模擬。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)支座出現(xiàn)的典型病害有老化開裂、偏壓脫空現(xiàn)象、剪切變形超限等3種[4-5]，支座的老化開裂影響因素較多。因此，本研究利用大型有限元分析軟件對(duì)板式橡膠支座在脫空和剪切變形[6-8]兩種病害情況下不同病害程度的支座力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1 基本理論

橡膠支座的行為特征是非線性的，然而從簡(jiǎn)單性和實(shí)用性考慮，也可以應(yīng)用線彈性理論來(lái)分析橡膠支座的受力特性[9]。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定橡膠材料的泊松比接近0.5，這表示橡膠的體積應(yīng)變非常小，橡膠幾乎是不可壓縮的，橡膠只發(fā)生形狀改變而體積不可改變。為了簡(jiǎn)便計(jì)算采用了基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的Mooney-Rivlin[10]形式的模型。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]中對(duì)橡膠支座的橡膠材料進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，然后對(duì)所測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得出橡膠材料參數(shù)，本次分析計(jì)算取橡膠材料常數(shù)C01=0.187，C10=0.747。

2 橡膠支座數(shù)值模擬有限元模型建立

2.1 單元選擇

考慮到實(shí)際情況，無(wú)論在制作還是使用過(guò)程中橡膠支座內(nèi)部橡膠和鋼板之間都是始終約束在一起的，并且從模型的簡(jiǎn)化方面考慮，在有限元模型里將橡膠和鋼板之間使用共同的節(jié)點(diǎn)，即采用共節(jié)點(diǎn)法。

根據(jù)在軸心受壓狀態(tài)下圓板式橡膠支座的幾何形狀和加載工況的對(duì)稱特性,可以建立平面模型進(jìn)行有限元分析。在有限元模型[12-13]中橡膠材料采用PLANE182單元。支座內(nèi)部薄鋼板的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系采用雙線性描述，其彈性階段模量取為206 GPa，泊松比為0.3。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，選取20 m空心板常用的支座直徑為250 mm的圓形支座作為研究對(duì)象。其平面模型如圖1所示。

圖1 橡膠支座GYZ250×77有限元平面模型

2.2 荷載施加方式

在試驗(yàn)中支座施加10 MPa荷載分級(jí)[14]進(jìn)行加載。根據(jù)前期研究，在有限元分析時(shí)，模擬試驗(yàn)加載方法，在平面模型中采用增加鋼板加載法，以滿足計(jì)算要求。荷載施加情況如圖2所示。

圖2 增加鋼板加載示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 局部脫空對(duì)支座受力性能影響

通過(guò)有限元平面模型分析，確定支座局部脫空對(duì)支座受力性能[15-17]的影響，分別為完好支座、支座未脫空(荷載已呈現(xiàn)梯形分布)、脫空面積10%以及脫空面積20%。局部脫空分析各工況的加載范圍及應(yīng)力如表2所示。

表2 局部脫空工況分析

通過(guò)有限元模型分析，支座各工況鋼板最大von mises應(yīng)力、橡膠最大主拉應(yīng)力、最大水平位移及最大豎向位移如表3及圖3所示。

表3 各工況支座受力性能情況

圖3 各工況下支座力學(xué)性能比較

由支座脫空分析可知，鋼板最大應(yīng)力在55.66～369.62 MPa之間，最大拉應(yīng)力在1.58～10.79 MPa之間，支座壓縮變形在2.43～8.93 mm之間。

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，對(duì)于板式橡膠支座GYZ250×77，鋼板屈服強(qiáng)度為325 MPa，最大拉應(yīng)力不大于17 MPa，支座壓縮變形應(yīng)小于3.92 mm。

因此，當(dāng)支座發(fā)生脫空時(shí)，支座壓縮變形為6.67 mm，超過(guò)支座允許壓縮變形。支座發(fā)生脫空20%時(shí)，鋼板最大應(yīng)力不滿足要求?？梢?，對(duì)于公路橋梁板式橡膠支座不允許其發(fā)生脫空。

3.2 剪切變形對(duì)支座受力性能影響

在模擬板式橡膠支座剪切變形[18]對(duì)支座性能影響時(shí)，分5種工況進(jìn)行分析，剪切角度分別為10°，20°，30°，35°及35.5°。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定支座進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)，支座承受10 MPa豎向荷載以及水平荷載作用。剪切角度不同時(shí)，支座所需水平力如表4所示。

表4 剪切角度不同所需水平力

對(duì)各工況下板式橡膠支座的力學(xué)性能進(jìn)行分析，分別提取橡膠支座內(nèi)部鋼板、橡膠層及鋼板和橡膠黏結(jié)處應(yīng)力及變形等力學(xué)指標(biāo)，介于篇幅，僅示出工況5的結(jié)果，如圖4所示。

圖4 剪切角度35.5°支座受力情況

由圖可知，支座發(fā)生剪切變形后，支座橫向變形各橫截面變化基本相似，頂部橫向變形最大；支座鋼板應(yīng)力變化較均勻；支座最大拉應(yīng)力呈現(xiàn)不對(duì)稱，最大拉應(yīng)力基本出現(xiàn)在支座施加荷載側(cè)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在非加載側(cè)的橡膠底部區(qū)域。支座剪切作用下的力學(xué)性能如表5及圖5所示。

圖5 剪切角度不同橡膠支座受力性能對(duì)比

表5 剪切作用下不同橡膠支座受力性能對(duì)比

由支座剪切角度不同橡膠支座受力性能比較分析可知，鋼板最大應(yīng)力、橡膠最大拉應(yīng)力及最大水平位移隨著剪切角度增大而增大。鋼板最大應(yīng)力在86.43～334.86 MPa之間，橡膠最大拉應(yīng)力在1.93～5.77 MPa之間，最大水平位移在8.13～35.36 mm。

因此，當(dāng)支座剪切角度大于35°時(shí)，鋼板最大應(yīng)力為334.86 MPa，超過(guò)鋼板屈服強(qiáng)度325 MPa。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)板式橡膠支座在典型病害(支座脫空和支座剪切變形)下的受力性能指標(biāo)分析，探討了典型病害對(duì)支座受力性能的影響，得出如下結(jié)論：

(1)板式橡膠支座脫空面積小于20%時(shí)，支座壓縮變形超過(guò)支座允許壓縮變形，對(duì)支座性能影響較大；脫空面積大于20%時(shí)，出現(xiàn)鋼板最大應(yīng)力不滿足要求，對(duì)支座性能影響非常大。因此，對(duì)于公路橋梁板式橡膠支座不允許其發(fā)生脫空。

(2)支座發(fā)生剪切變形后，支座頂部橫向變形最大，支座鋼板應(yīng)力變化較均勻，支座最大拉應(yīng)力呈現(xiàn)不對(duì)稱，最大拉應(yīng)力基本出現(xiàn)在支座施加荷載側(cè)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在非加載側(cè)的橡膠底部區(qū)域。

(3)支座鋼板最大應(yīng)力、支座橡膠最大拉應(yīng)力及支座最大水平位移隨著剪切角度增大而增大，當(dāng)板式橡膠支座剪切變形大于0.7(剪切角度大于35°)時(shí)，鋼板最大應(yīng)力超過(guò)鋼板屈服強(qiáng)度，對(duì)支座性能影響很大，支座可能產(chǎn)生不可恢復(fù)的剪切塑性變形。

文中研究成果可為橋梁板式橡膠支座劣化分級(jí)及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)提供參考，但由于計(jì)算量有限，可進(jìn)一步詳細(xì)分析各影響因素對(duì)支座的影響。為了更準(zhǔn)確地對(duì)支座病害進(jìn)行判斷，在今后的研究中可結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。