既有山区高速公路桥梁板式橡胶支座试验分析研究

文/甘贤军、陈宇啸

1 前言

板式橡胶支座具有构造简单、安装方便、节省钢材、价格低廉、养护简便、易于更换等特点，是我国高速公路桥梁使用最广泛的桥梁支座。近年来，高速公路桥梁板式橡胶支座的病害呈现逐年增加的趋势，部分公路通车不到5年就开始大量更换板式橡胶支座，但其远未达到设计使用寿命，这引起了管理方、设计方及行业主管部门关注，已有很多文献对支座病害原因进行了分析，其主要原因是支座产品使用了再生胶、安装不合格等[1]。为此，有些地区出台了桥梁板式橡胶支座更换和维护的地方标准，为公路桥梁支座管养提供了依据和技术支撑。但是，已有文献针对已使用较长时间的支座性能劣化程度、剩余寿命和力学指标等研究不多，由此本文对更换下来的既有支座进行了一系列力学指标检测，并取得了很有参考价值的试验数据，为进一步研究桥梁支座有关问题打下基础。

2 重庆G42 沪蓉高速万梁段桥梁概况

G42 沪蓉高速万梁段位于大巴山区域，于2003年建成通车，是典型山区高速公路。其中，主线桥共74 座，预应力混凝土简支T 梁桥31 座，预应力混凝土简支空心板桥37 座，连续刚构桥1 座，拱桥5 座。该段桥梁支座主要为板式橡胶支座，简支T 梁桥板式橡胶支座共4740 个，简支空心板桥（包括5 座箱型拱桥拱上建筑的8m 实心板）板式橡胶支座共14720 个。经过十多年的运营，部分桥梁板式橡胶支座陆续出现了开裂、老化、剪切变形、橡胶层不均匀鼓突等病害。

3 试验内容

为掌握支座病害对支座使用功能的影响、评估支座剩余使用寿命，选取两座典型T 梁和空心板橡胶支座进行抽样检测，包括支座病害调查、更换受检支座，检测更换下的旧支座力学性能；比对旧支座的检测数据与安装时的检测数据，分析支座产生病害的原因和防治措施。

支座检查试验结果：共检查支座45 个，病害等级为3 级的支座共17 个，占37.8%；病害等级为2 级的支座25 个，占55.6%；病害等级为1级的支座共3 个，占6.7%。病害严重的支座比例高达37.8%。另外，选取更换下的旧支座进行了极限抗压强度、抗压弹性模量、抗剪弹性模量试验，结果如下表1、表2、表3。

表1 极限抗压强度试验结果

表2 抗压弹性模量试验结果

表3 抗剪弹性模试验结果

4 试验主要结论

支座病害现场检查记录显示，支座开裂、局部脱空、不均匀鼓突、剪切变形等病害主要分布在支座纵向前、后侧；支座病害、支座垫石与梁底夹角均出现在纵桥向，表明支座局部脱空、开裂、不均匀鼓突、剪切变形等病害与支座安装不平关系密切，如下图1。橡胶支座病害等级与支座垫石和梁底夹角大小呈正变关系，夹角越大，即支座水平度越差，支座病害等级越高，如下图2[2]。

图1 支座病害与支座不平关系示意图

图2 支座病害等级与支座垫石和梁底夹角的关系曲线

各病害等级的板式橡胶支座极限抗压强度均合格。板式橡胶支座局部开裂、胶层不均匀鼓突、剪切变形等病害，对支座的承载能力无明显影响[3]。

5 支座病害原因分析

5.1 支座病害与支承面水平度存在关联

根据支座病害现场检查结果，支座开裂、局部脱空、不均匀鼓突、剪切变形等病害主要分布在支座纵向前、后侧；而支座垫石顶面、梁底支承面在横桥方向基本平行，在纵桥方向大多不平行，即梁底支承面纵坡i1≠垫石顶面纵坡i2；垫石顶面与梁底面存在夹角，θ=i1-i2；支座病害、支座垫石与梁底夹角均出现在纵桥向，说明支座局部脱空、开裂、不均匀鼓突、剪切变形等病害与支座安装不平关系密切。

5.2 支座病害等级与垫石和梁底间夹角θ存在关联

依据详细检查，病害等级为3 级的支座17个，17 个支座垫石梁底间夹角θ 取平均值，得到∑θi/17 = 1.02°；病害等级为2 级的支座25个，25 个支座垫石梁底间夹角θ 取平均值，得到∑θi/25 = 0.68°；病害等级为1 级的支座3个，3 个支座垫石梁底间夹角θ 取平均值得到∑θi/3 = 0.23°。

支座病害等级与支座垫石和梁底间夹角平均值呈正变关系，板式橡胶支座病害等级与支座垫石和梁底夹角大小呈正变关系，夹角越大，即支座水平度越差，支座病害等级越高。

通过以上定性、定量分析，部分桥梁板式橡胶支座病害主要原因为支座上下支承面不平行，进而导致支座局部承压而出现局部脱空、开裂、鼓突等现象。病害等级与夹角大小呈正变关系，夹角越大，支座病害越严重。

5.3 支座老化原因分析

部分板式橡胶支座表层橡胶出现细密的龟裂裂纹，这是支座老化的表现。

氧化是影响橡胶材料老化的最主要因素。橡胶内部与表面的老化程度、速度明显不同，因为氧在氧化橡胶中的扩散远比在新橡胶中要慢得多,所以支座表面的橡胶氧化层成为了保护层。值得注意的是，桥梁板式橡胶支座龟裂主要出现在偏压脱空的支座上；板式橡胶支座在受偏压部位会产生过大的压缩或剪切变形，造成支座表面受拉或受压，进而出现裂纹，使橡胶支座表层的氧化层破坏，失去保护作用，加快橡胶支座内部老化。因此，支座安装不平造成的支座偏压开裂，是渝宜路万梁段桥梁支座内部老化的重要原因[4]。

6 结语

病害等级为1 级的支座，抗压弹性模量、抗剪弹性模量实测值合格，即支座满足结构变形的使用功能。

病害等级为2 级的支座，其抗压弹性模量实测值合格，抗剪弹性模量实测值不合格。病害已对支座使用功能产生影响，但通过加强外防护处理或修复，并定期观察，严格控制病害发展后仍可使用，因此支座病害属于中度病害。

病害等级为3 级的支座，其抗压弹性模量实测值为E-E23.3%，略超规定值（E±E20%），支座的竖向变形、转角功能有轻度影响；抗剪弹性模量实测值不合格；支座不能满足梁体纵向变形需求。梁体伸长或缩短时，可能带动支座滑移，甚至出现支座滑出垫石而落梁。另外，因其变形能力差，继续使用会加速破损，直至压溃，不能有效传递竖向荷载；同时，还会引起装配式梁横向联结损坏，最终可能导致单板受力、梁板断裂，所以对病害等级达到3 级的支座，建议尽快更换。