影响板式橡胶支座耐久性的因素与对策

板式橡胶支座由多层均匀分布的橡胶与钢板粘接叠合而成,是公路桥梁重要的承力和抗震减振装置,其质量的优劣直接影响着支座的作用功能和桥梁结构的安全可靠度和使用寿命。本文通过对影响板式橡胶支座耐久性各因素的分析探讨,提出了增加橡胶支座耐久性的防治对策 详情查看http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-JTJZ200604005.htm,板式橡胶支座的特点１．１橡胶的特点橡胶是一种柔性的材料，具有独特的粘弹性行为，不仅可以像弹簧一样通过弹性形变来吸收储存能量，而且还可以通过粘弹性大幅度消耗能量，这种能力是其它材料所不具备的。标准规定天然橡胶（ＮＲ）、氯丁橡胶（ＣＲ）、三元乙丙橡胶可用于桥梁支座，含胶量大于５５％。用于橡胶支座的３种胶料各具有特点。天然橡胶抗破坏、抗蠕变性能、对变形的恢复能力很强，弹性模量对温度变化的敏感性较弱，但抗臭氧、耐老化的能力较差；氯丁橡胶和三元乙丙橡胶虽有良好的抗臭氧性能，但抗蠕变以及对变形的复原能力比不上天然橡胶，其中氯丁橡胶的耐寒性一般。另外，由于氯丁橡胶属于结晶型橡胶，在使用期间或延长的贮存期会逐渐结晶硬化，其硬度、剪切模量和压缩模量将会提高，这会对橡胶支座的使用性能产生一定的影响。三元乙丙橡胶由于分子链内缺少极性基团，内聚力小，粘性差，三元乙丙橡胶需要特殊胶粘剂才能与钢板粘接良好，制造成本较高。若防老体系配方设计恰当，天然橡胶抗臭氧能力可有较大程度的提高，完全达到标准要求。综合上述情况，在一般条件下天然橡胶是生产桥梁橡胶支座的首选胶种１．２加劲钢板的作用由于泊松效应，受压时橡胶材料将产生横向膨胀变形。板式橡胶支座内部的加劲板可以改变并约束橡胶的横向膨胀变形能力，使橡胶在受压时变硬，从而提高橡胶支座的竖向承载能力和竖向抗压影响板式橡胶支座耐久性的因素与对策（东南大学土木工程学院，江苏南京２１００９６）要：本文介绍了板式橡胶支座的特点及其内部橡胶层的应力分布情况，根据撕裂能理论说明了橡胶支座内损伤的萌生机理和现象，提出了橡胶支座的临界疲劳损伤应力和强度储备的概念，并针对影响板式橡胶支座耐久性的各因素提出了防治对策。关键词：橡胶支座；许用应力；耐久性；临界疲劳极限应力 加劲板不会影响橡胶层的剪切变形能力和刚度。板式支座内部橡胶的膨胀效应和加劲板的约束效应由形状系数（Ｓ）确定，形状系数的定义如下：形状系数（Ｓ）＝有效承压面积／单层橡胶层的侧表面积。形状系数（Ｓ）和橡胶的剪切模量（Ｇ）共同决定了橡胶支座的力学性能。调节形状系数可以控制极限应变和承载力。橡胶支座的结构特点１．３应力集中现象根据不可压缩弹性理论，文献的研究表明，当形状系数Ｓ＜２０时，则在橡胶层与钢板连接的边缘处（即半径坐标与半径比值（ｒ／Ｒ＝０．９９）处）存在应力集中的现象。橡胶与钢板连接面边缘处的局部力集中系数最大，高达１０倍，且与支座的形状系数成反比，形状系数越小，集中系数越大。（ａ）压缩剪切状态下的应力分布（ｂ）应力集中分布２给出了不同形状系数的橡胶支座内部橡胶与钢板连接面的边缘处的竖向应力、径向应力和剪切应力分布梯度变化。竖向应力σＶ（ｒ／Ｒ＝０．９９）＝－２σ径向应力σＨ（ｒ／Ｒ＝０．９９）＝－１２σ剪切应力τＶ（ｒ／Ｒ＝０．９９）＝－１４τ支座的劣化与影响因素通过对江苏、安徽、贵州、宁夏等省高速公路板式橡胶支座的使用状况的抽样调查发现，一部分桥梁橡胶支座使用不久就出现老化开裂，有部分支座甚至在安装不到一年，桥梁尚未通车的情况下，就出现老化开裂，造成了巨大的经济损失。对调查结果进行分类和统计后，将板式橡胶支座的病害主要分为两大类，一类源于支座内在质量，如橡胶质量；橡胶层厚度不均匀；橡胶料中夹杂、微气孔等形成的初始裂纹源。另一类源于外在因素，如施工质量；支座设计、布置不当；支座工作应力过高；维护不２．１胶料质量对耐久性的影响胶料质量是影响橡胶支座使用寿命的主要因素，由于橡胶的硬度和抗剪弹性模量（Ｇ）及其力学性能与含胶量密切相关，而橡胶支座的抗剪弹性模量（Ｇ）和形状系数（Ｓ）决定作橡胶支座成品的力学性能，因而胶料质量实质取决于橡胶的含胶量，各国标准对含胶量的规定见表１。近几年有掺入再生胶的支座流入市场的现象，给桥梁建设带来巨大的危害，世界各国对橡胶支座使用的胶料都明确规定：不允许掺入任何再生胶，我国交通行业标准ＪＴ／Ｔ４－２００４《公路桥梁板式橡胶支座》中，明确规定不允许在支座胶料配方中使用任何再生胶或粉碎的硫化橡胶，同时规定通过抗剪粘结性能与老化后抗剪的交叉试验来检测支座是否含有再生胶。２．２橡胶－钢板叠合质量（界面粘合剂、厚薄均匀性）的影响实验研究还发现，叠合质量对支座成品性能同样重要。叠合质量包括橡胶与钢板的粘结质量、支座内部加劲钢板位置定位平行度和橡胶层厚薄均匀性。粘结质量不良在造成橡胶钢板的剥离强度降低的同时，还常常在支座内部留下初始病灶（如残余气泡形成的空穴、胶层夹杂等）。加劲钢板位置定位错位和不平行，造成胶层和保护层厚薄不均。胶层厚薄不均确造成支座局部胶层力学性能大幅下滑。因此，保证产品叠合质量对板式橡胶支座的使用寿命至关重要

各标准对含胶量的规定随着载荷的增加，内部胶层空穴（含固体杂质）的发展，如果存在交变负荷则裂纹必将在初始病灶处形成裂纹并扩展，直接影响支座的耐久性。橡胶和钢板界面破坏形式见图３。像胶和钢板界面破坏形式２．３设计应力与疲劳强度储备的影响当橡胶支座的工作应力大于临界疲劳应力时，橡胶支座在周期载荷下即可能发生裂纹并扩展，板式橡胶支座的临界疲劳应力（σ）与剪切模量和形状系数紧密关联，临界疲劳应力最低值与形状系数的关系曲线如图４所示。ｐｒＥＮ１３３７－３根据橡胶－钢双材料界面的疲劳特性规定板式橡胶支座设计压应力为不大于５Ｇ；美标ＡＡＳＨＴＯＭ２５１规定板式橡胶支座的设计压应力值为σ１１ＭＰａ。欧标和美标规定的许用应力Ｓ确定，都小于在临界疲劳应力最小值（σＴａ），如图４所示，而我国公路桥梁板式橡胶支座（ＪＴ／Ｔ４－２００４）规定橡胶支座的许用应力统一取为１０ＭＰａ，过于简化，且缺乏科学根据。当支座形状系数小于７时，部分支座设计应力已大于临界疲劳极限值，如图４所示，支座的疲劳强度储备下降很多，在周期载荷的作用下，支座的表面和内部均有可能萌生裂纹。临界撕裂能下形状系数与临界应力水平曲线２．４板式橡胶支座安装质量的影响支座的安装技术与工艺很重要，支座安装质量将直接影响支座的受力状态和耐久性。调查发现支座安装中常见质量问题如下：支座垫石与梁底支承楔块的位置、尺寸、标高的施工偏差过大。即支座垫石与梁底支承楔块的位置不准确，每边宽出支座的尺寸过小、支座垫石与梁底支承楔块的高度过大或过小、垫石顶标高的施工偏差过大。支座垫石混凝土顶不水平、不平整。支座垫石与梁底支承楔块内钢筋缺漏或保护层厚度过大，个别支座的规格型号与设计要求不完全相符。支座安装的位置、方向的施工偏差过大。支座上、下面未与梁底支承面、垫石顶面完全密贴或支座顶面不水平、支座顶标高的施工偏差过大，出现支座局部脱空、偏桥隧工程１７压等现象。四氟乙烯滑板与不锈钢滑板划伤、表面脏污、硅脂未注满。２．５橡胶支座设计选型和布置的影响调查发现，许多桥梁设计图纸中，通常仅仅对支座的直径或长宽、高（规格）提出了要求，而对所选支座内部结构、形状系数和承载力却没有的具体要求，这必然导致支座厂商提供外观、规格符合设计图纸要求，但内部结构（含胶量、支座的形状系数）符合厂商利益要求的产品。可支座的含胶量和形状系数直接影响支座的各项性能（承载能力和寿命）。支座的规格系列中同一外形规格的橡胶支座的形状系数（Ｓ）通常都分为二档（Ｓ＝１２和Ｓ＝７）。值得注意的是，根据撕裂能理论计算，随着形状系数（Ｓ）的下降，橡胶支座的临界承载能力也同步下降。当形状系数１２下降至７时，橡胶支座的临界承载能力下降约４２％。现行规范规定形状系数的取值范围为５至１２，因此厂商提供些范围的形状系数都是符合规范的，但实际承载能力或疲劳强度储备是不同的。这应当引起设计人员和规范制定者的重视。调查还发现，在许多桥梁设计图纸中，橡胶支座的布置是错误的，即活动支座与固定支座的布置不正确。轻则造成落梁后，橡胶支座初始变形（剪切）过大，造成支座处于不正确的变形受力状态中，从而造成支座的局部超载，影响支座弹性功能的发挥和承载能力及使用寿命。严重的还发生了落梁即造成梁体滑落的事故。除以上因素外，还有环境、荷载、养护维修等影响。所以支座的使用寿命，是各种因素综合作用的结果。防治对策３．１完善设计试验研究表明，板式橡胶支座的临界疲劳应力）与形状系数（Ｓ）、抗剪弹性模量（Ｇ）及支座的规格密切相关。依现行规范规定许用应力统一取１０ＭＰａ，对大规格，形状系数小于８的橡胶支座是不适合的，将导致橡胶支座的疲劳强度储备不足。在桥梁设计和规范修定时，橡胶支座的设计应力应当与橡胶支座的形状系数与抗剪弹性模量建立联系。设计者应根据实际负载设计或选择板式橡胶支座。适当降低板式橡胶支座的设计应力，确保板式橡胶支座有足够的疲劳强度储备。设计人员在设计橡胶支座时，对于所选择的橡胶支座，在设计图中应注明橡胶支座的规格尺寸、设计应力、支座成品的形状系数、设计寿命等重要参数。３．２完善检测手段橡胶支座各生产企业，和检测机构应强化并完善对支座成品的检测手段。对规范规定的常规检测项目认真把关，重视支座成品的解剖试验，防止宏观性能合格但内部质量有问题的支座流入市场和进入工程。应重视对橡胶支座成品含胶量及填充剂成份的检测。同时，增加抗剪粘结性能与老化后抗剪的交叉试验来检测支座是否含有再生胶。加大对橡胶支座的研究，尤其是加大橡胶支座的损伤与失效机理及老化性能的研究力度。增加对橡胶支座成品抗疲劳性能、抗老化性能、抗低温性能及抗剪极限能力的检测项目。推广采用自动检测装置并在检测报告中提供检测曲线。增加解剖试验的检测力度，杜绝橡胶层分布不均匀性超标和掺再生胶的产品流入工程。３．３确保支座安装质量和施工工艺支座垫石及梁底支承楔块施工前应对测量放线进行复核，确保其施工控制线的精度满足要求，施工时严格遵照设计与规范要求进行，确保其施工质量满足要求。垫石侧模安装时应用水平尺侧模顶的水平情况，不水平时应及时予以调整。垫石混凝土施工时注意对垫石顶面进行抹平但不得压光，使垫石混凝土顶面与侧模顶接顺在同一水平面上。重视支座垫石与梁底支承楔块等细小部位的施工质量，严格按设计图纸和规范要求安装上述部位的钢确保墩台顶与垫石的轴线位置、标高、垫石尺寸、平整度等方面的施工质量满足设计与规范要求；支座安装时使支座轴线与垫石上的支座设计位置中心线重合；如果设计采用活动支座，则还应复核支座的活动方向，以确保支座的活动方向与设计要求完全相符。支座安装前，应先将垫石顶面清理干净，确保垫石顶面无浮砂、灰尘、油污，然后在垫石上采用环氧树脂砂浆找平、坐浆，将支座及时安放在砂浆上，并采用水平尺检查支座的水平度，确保支座顶面水平。注意砂浆找平层厚度应均匀、合适，以确保支座底砂浆饱满、密实、支座顶面标高满足要求；并注意支座侧面不得粘附有砂浆，如有，则应及时予以刮除干净，以免影响支座将来的正常工作；支座上加设的支承钢板外观应平整，无翘曲、变形、锈蚀、裂缝等现象，钢板还应刷防锈漆。当施工中发现某种支座缺乏或规格、型号不对时，严禁（下转第６２页）桥隧工程１８当地气象部门合作，合力监测雾情，对区域团雾的活动加强侦测和预报。（２）严格的交通管理措施按照不同的能见度等级制定相应的交通管制等级，规定不同的能见度下限速值以及交警现场排查管理的密度，确保车辆畅通和安全。（３）完善的交通引导手段导致雾天交通事故的主要原因是驾驶员看不见前方的车辆。因此通过设置完善的交通诱导手段，控制车距是确保交通安全的关键。３．６不停车收费系统和收费数据挖掘系统的设计沪宁高速公路收费系统设计应重点解决不停车收费、多种支付手段和支付方式以及运作模式的运用；结合交通量的预测确定收费车道的扩建规模以及主线收费站的改建等问题。利用现金作为支付手段以及发行高速公路通行储值卡等支付手段的应用研究目前已比较成熟，但其应用尚不广泛。电子支付可以大大加快出口车道的通过速度，减少服务时间，提高服务质量，也避免了由于现金流通量过大所带来的一系列问题。但电子支付系统对可靠性和差错率的要求远高于其他系统，要在高速公路支付系统中推行电子货币，还将遇到不少难题。在联网收费条件下，收费站出口车道现金流量较大。为解决这一问题，设计采用了现金流通管理系统。通过对联网收费数据的综合利用，可以为监控管理系统提供更为准确的交通量信息。设计对通过数据挖掘手段获取交通量信息进行了专门研讨。结语沪宁高速公路机电工程对在高速公路交通工程系统中如何运用当代最新的科学技术成就为实现高速公路安全、畅通和高效的目的服务这一方面，做了不少有益的尝试，代表了高速公路机电工程技术的发展方向，虽然其中倡导的部分设计理念由于条件所限，可能要分步实施，但这些设计理念和关键性对策的合理性的先进性是值得借鉴的。 0