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，是重要的承力和抗震减振装置，其质量直接影响支座的作用功能、安全可靠度和使用寿命。针对板式橡胶支座耐久性的研究已有较多[1-2]，Kalpakidis与杜永峰[3-5]等对高温下叠层橡胶支座的受力性能进行研究；Takenaka[6]对叠层橡胶支座的热力学性能进行了实验研究；由世岐等[7]对低温环境下叠层橡胶支座变形特性进行研究；吴波等[8]对隔震橡胶支座防火性能进行了研究；Gu等[9-11]对桥梁天然橡胶支座的老化性能进行了研究；李慧等[12]进行了-20~-50℃寒冷环境下的隔震叠层橡胶支座的性能试验。许冬华等[13]研究表明氯丁橡胶在低于10℃时开始出现轻微结晶现象，低于0℃时，结晶现象加剧，橡胶变硬，硬度和定伸应力的增大，影响支座的弹性模量，温度继续降低，这种现象更加明显[13]。在世界的温带及寒带地区，气温变化较大，在这种环境下，公路桥梁橡胶支座比建筑橡胶支座更容易受到气候的影响。迄今关于氯丁橡胶支座在冻融循环下的耐久性研究十分匮乏。因此对桥梁板式氯丁橡胶支座进行冻融循环处理，而后对其进行轴心受压试验，研究其受压性能，并利用最小二乘法给出相关的衰减曲线和衰减模型。
根据《公路桥梁板式橡胶支座规格系列》选取试件，其形状及尺寸如图 1所示，试件由衡水鑫力工程有限公司生产加工，其物理机械性能如表 1所示。
试件共分为5组，1组为在自然状态下的标准试件，另外4组为在标准冻融试验箱中进行冻融循环处理的试件，其分组情况如下表 2所示。
橡胶支座在辽宁省建筑材料监督检验院进行冻融循环处理，处理次数分别为25、50、75、100次。冻融循环处理分为冻和融两部分，冻的部分在标准冻融试验箱中进行，融的部分在水中进行。首先将试件放入-15℃的冷库中，试件间距大于20 mm，冷冻4 h后取出，再置于水温为20℃的水池中融化2 h，水面高出试件20 mm以上，试件间距大于20 mm，这样就完成了一个冻融循环。达到规定循环次数后，将试件从水中取出，拭干表面。氯丁橡胶支座的冻融循环处理情况如图 2所示。
试件应测量其处理前及处理后的尺寸，经过冻融循环处理，尺寸出现了细微变化。尺寸测量按照《公路桥梁板式橡胶支座》(JT/T 4－2004)[14]中方法进行。氯丁橡胶支座的尺寸变化见表 3。
试件冻融循环处理后，即轴心受压试验前试件的初始状态如图 3所示。
轴心受压试验在沈阳建筑大学结构实验室进行，采用如图 4所示的5 000 kN压力试验机。试件贴有12个应变片，6个竖向，6个横向；同时采用6个位移计测量其位移。图 5的测点布置图中y代表应变片，W代表位移计。
试验为轴心受压试验，采用分级加载方式，进行预压与正式加载。在预压时进行物理对中与几何对中，检测各测点的稳定性，其数值应基本一致，偏差应在15%以内[14]。加载过程持续到出现极限荷载，承载力下降，试件破坏为止。
进行轴心受压试验时，观察试验现象。逐级增加竖向荷载，未达到开裂荷载时，试件处于弹性状态，水平和竖向位移随荷载增加而增加，且与荷载的增加基本呈线性关系，此时观察试件表面，并未产生裂缝，外观变化较小；继续加载，达到开裂荷载时，试件边缘钢板与橡胶粘合处出现细微裂缝，此时荷载稍微有停滞状态，但很快恢复，而后荷载继续增加，水平位移也急剧增加，竖向位移变化较慢，裂缝变宽、变长，试件边缘开始产生凸出现象；当快达到破坏荷载时，水平位移及竖向位移增加较小；达到破坏荷载，承载力陡然下降，迅速减小，水平位移及竖向位移不再增加，裂缝达到最大，试件破坏。破坏位置主要是橡胶与钢板的粘合处，钢板与橡胶产生脱离，出现层状破坏。从各组试件的破坏现象观察，ZYBZ01的弹性阶段比冻融循环处理过的试件长，极限承载力较大；而冻融循环处理的试件，随冻融循环次数增加，弹性阶段缩短，极限承载力减小，试件裂缝较多、较大，破坏严重。图 6为试件的破坏形态。
在弹性阶段，不同冻融循环次数对桥梁板式氯丁橡胶支座的各项指标都有一定程度的影响，表 4为弹性阶段的各项指标对比。
极限承载力的衰减曲线如图 7所示，在弹性阶段，标准件的极限承载力最大，经冻融循环处理的试件的极限承载力随循环次数的增加而减小。同时，在达到极限承载力时，经冻融循环处理过的试件各向位移均小于标准试件，且破坏情况严重，裂缝更长、更宽。
只有标准试件极限抗压强度超过70 MPa，经过冻融循环处理的试件的极限抗压强度均低于70 MPa，且随着循环次数的增加，极限抗压强度降低。将极限抗压强度下的位移与压应力为70 MPa下的位移进行比较，除标准试件外，其他试件位移均小于压应力为70 MPa下的位移，这说明在达到压应力达到70 MPa时，试件已完全失去稳定性。
根据《军用设备气候极值》(GJB1172.11-91)[15]数据及统计温带地区在冬季的最高及最低平均气温显示，中国东北、华北及西北地区(除青海)的平均年冻融循环日数一般为60~130 d，实际冬季的昼夜温差约为12℃，而实验的温差为35℃，因此1次快速冻融循环约为实际1次冻融循环的3倍，此时25、50、75、100次冻融循环大约为实际的1、2、3、4 a的冻融情况，将极限抗压强度的数据通过曲线拟合成50 a氯丁橡胶支座的极限抗压强度，采用最小二乘法进行处理，其拟合曲线如图 8所示。
极限抗压强度衰减曲线符合乘幂函数，采用最小二乘法进行计算，氯丁橡胶支座的极限抗压强度衰减模型为：
式中：y为极限抗压强度，x为冻融年数。
将x=1、2、3、4代入公式中分别得y=59.12、56.21、54.58、53.44，与试验数据的比值平均值为0.998，标准差为0.017，变异系数为0.017，结果表明公路桥梁板式氯丁橡胶支座的极限抗压强度的衰减模型拟合公式与实际情况符合较好。由于统计冻融循环日数及昼夜温差为我国东北、华北及西北地区(除青海)的情况，则此衰减模型适用于我国东北、华北及西北地区(除青海)。
对于橡胶支座的竖向刚度，由式(2)计算[16]其实测竖向刚度：
式中：P1为第3次循环加载时的较小压力；P2为第3次循环加载时的较大压力；Y1为第3次循环加载时的较小位移；Y2为第3次循环加载时的较大位移。
图 9为氯丁橡胶支座的实测竖向刚度的变化曲线，竖向荷载的大小影响着竖向刚度变化，竖向刚度随竖向荷载的增大而减小，同时，经过冻融循环处理的试件的竖向刚度小于标准试件。竖向刚度减小，氯丁橡胶支座的稳定性变差。
对于氯丁橡胶支座的抗压弹性模量的研究由公式(3)进行计算[14]，选取y1-y12测点数值进行计算：
式中：E1为试样实测的抗压弹性模量计算值，精确至1 MPa；σ4、ε4为第4 MPa级试验荷载下的压应力和累计压缩应变值；σ10、ε10为第10 MPa级试验荷载下的压应力和累计压缩应变值。
表 5为氯丁橡胶支座的实测弹性模量对比，标准试件的抗压弹性模量的数值与厂家提供的弹性模量数值基本一致。经过冻融循环处理的试件的抗压弹性模量明显低于标准试件，且随着冻融循环次数的增加，试件的抗压弹性模量逐渐降低。
采用最小二乘法，将实测抗压弹性模量数据通过曲线拟合成50 a氯丁橡胶支座的抗压弹性模量。从表 5中数据变化趋势来看，抗压弹性模量符合幂函数，采用最小二乘法进行计算，氯丁橡胶支座的抗压弹性模量衰减模型为：
式中:E为抗压弹性模量，x为冻融年数。
将x=1、2、3、4代入公式(4)中分别得E=171.17、161.54、156.17、152.46，与试验数据的比值平均值为1，标准差为0.004，变异系数为0.004，结果表明公路桥梁板式氯丁橡胶支座抗压弹性模量衰减模型拟合公式与实际符合较好。
1) 经过冻融循环处理的氯丁橡胶支座的破坏情况比标准试件严重，且循环次数越多，裂缝越大，钢板外露情况越明显，层状破坏越严重。
2) 氯丁橡胶支座的弹性阶段随冻融循环增加而缩短，经过处理的试件的极限承载力较标准试件低，极限承载力随冻融循环次数增加而降低。
3) 冻融循环处理的试件的极限抗压强度小于标准试件，且随着冻融循环次数的增加，极限抗压强度逐渐降低，采用最小二乘法对数据进行拟合，得出的50 a的衰减模型符合实际情况。
4) 氯丁橡胶支座的竖向刚度受冻融循环影响，经过冻融循环处理试件的竖向刚度低于标准试件。
5) 冻融循环对氯丁橡胶支座的抗压弹性模量影响较大，采用最小二乘法对数据进行拟合，得出的50 a的衰减模型符合实际情况。
6) 冻融循环后，公路桥梁板式氯丁橡胶支座的各项力学性能指标显著降低，已无法满足实际工程需求，因此应严格控制公路桥梁板式氯丁橡胶支座的温度适用范围，并建议提高其最低适用温度，在寒冷地区尽量采用天然橡胶支座。
2013, Vol. 35 Issue (6): 40-45
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2013, Vol. 35 Issue (6): 40-45
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