循环荷载下桥梁板式橡胶支座剪切滑移特征及处理方法研究

桥梁板式橡胶支座是我国公路梁桥结构体系的重要构件，但普遍存在因剪切引起的滑移和变形问题。为改善车辆循环荷载下桥梁板式橡胶支座剪切滑移问题，文章提出一种利用双面砂纸改变橡胶支座接触条件的方法，并基于室内循环剪切试验验证了该方法的可行性。研究表明，采用双面砂纸能够有效增大橡胶支座与桥梁间的摩擦力，从而大幅减小了循环剪切条件下橡胶支座的滑移现象，增强了橡胶支座的抗剪切变形能力。

循环剪切;桥梁橡胶支座;循环荷载;剪切变形;滑移

文献标识码：U443.36-A-32-106-3

0 引言

桥梁板式橡胶支座是我国公路梁桥结构体系的重要构件，但普遍存在着由剪切引起的滑移和变形问题，因此，如何改善桥梁橡胶支座工作环境从而提升其抗剪切变形能力，具有重要研究意义[1-3]。

由于桥梁支座病害严重，引起了我国学者的广泛关注[4-8]。李悦等[9]对其极限剪切破坏状态展开了系统研究，深入研究不同固定方式下板式橡胶支座的抗震性能。徐略勤等[10]深入研究了四川地震后的震害调查资料，并深入分析了桥梁板式橡胶支座横向震害特征及力学机理，进一步提出通过提高传统挡块的变形角度，能够有效改善板式橡胶支座摩擦滑移，实现预期的抗震目标。

上述研究采取不同方式研究振动荷载对桥梁橡胶支座滑移现象的影响，但提出的解决方法均比較复杂。本文提出一种利用砂纸增大接触摩阻力的方法，从而实现有效增大橡胶支座抗剪切变形能力，较好地解决了桥梁板式橡胶支座的滑移问题。

1 工程概况

本次研究依托于广西某立交桥老旧桥梁改造工程。桥梁呈东西向，全长约525.15 m。桥梁左右幅均采用双立柱式桥墩，以保持桥面的稳定性。桥面铺装厚200 mm的防水混凝土及100 mm厚的沥青混凝土作为防水层，以满足该分离式立交桥长期运营的防水要求。根据现场调查结果反馈，由于交通流量大、桥梁使用年限较长等原因，该桥梁的桥梁板式橡胶支座出现了严重的磨损、滑移和变形问题，亟须处理。

2 试验设计

2.1 工况设计

本次试验的主要目的是研究不同工况下桥梁板式橡胶支座剪切变形特征及工程性能，因此设计了无砂纸、单面砂纸和双面砂纸三种不同工况下的桥梁板式橡胶支座循环剪切试验（见图1）。板式橡胶支座为圆盘形支座，圆盘直径为300 mm，圆盘支座总厚度为63 mm，支座橡胶厚度为45 mm。见表1。

2.2 试验方案

采用稳定轴压σ1为10 MPa、变水平应力方式进行循环剪切实验，试验加载方式如图2所示。本次剪切试验操作步骤如下：（1）将加载仪器上下表面清理干净，避免杂物出现使得在试样受力面出现受力不均现象;（2）放置试样于加载仪器上，调整试样位置，使试样几何中心位于加载仪器中心轴线上。手动控制使试样夹持在仪器上，接触力控制在0.5～1 kN;（3）采用力控模式将轴向应力提升至10 MPa，加载速率为10 kN/min;（4）采用力控模式按照图2所示加载路径进行加载，加载速率为10 kN/min。当总剪应变达到4%时或加卸载循环次数>10时停止试验;（5）全程采用程序控制，自动记录试验结果数值。

3 试验结果分析

3.1 剪应力-应变曲线

图3为不同接触工况条件下桥梁板式橡胶支座剪应力-应变曲线图。由图3可知，在无砂纸条件下，橡胶支座在第二个加卸载循环的加载过程中剪应变已达到4%，而单面砂纸工况下则能承受到第三个加卸载循环，双面砂纸工况下橡胶支座的抗剪切性能最优，其在第10个加卸载循环后仍未破坏。此外，进一步观察到，随着接触条件的变化，橡胶-砂纸接触面越多，则支座的抗剪切变形能力越强。对于无砂纸情况，循环荷载下橡胶支座的剪切变形现象十分明显，在第二个循环加载过程中橡胶支座的剪切变形已达到最大，此时横向剪应力为0.9 MPa，支座剪应变为4%。对于单面砂纸工况下，橡胶支座在第一个循环加卸载的水平应力为0.9 MPa时，其最大剪应变为2.98%，较无砂纸工况下降低25.5%。而在双面砂纸工况下，橡胶支座的抗剪切变形能力有着非常明显的提升，在10次剪切加卸载循环后其最大剪应变仅达到1.43%。综上所述可知，桥梁橡胶支座在车辆循环荷载作用下会产生一定的剪切变形和滑移，但通过改变橡胶支座的接触条件，能够大幅度提升其在循环荷载影响下的变形能力，从而有效克服了桥梁橡胶支座剪切滑移问题。

3.2 支座有效剪应变

在进行桥梁板式橡胶支座循环剪切试验过程中，由于支座与加载板之间会产生相互滑动，因此产生的总剪应变实际上由橡胶支座的有效剪应变及滑移应变组成。有效剪应变是分析橡胶支座变形的重要参数，基于剪应力-应变曲线得到桥梁橡胶支座的有效剪应变随剪应力的变化关系如下页图4所示。由图4可知，对于不同工况下的橡胶支座，随着剪应力的逐渐增大，其有效剪应变亦逐渐增大，有效剪应变和剪应力之间呈线性正相关关系，相关系数R2均>0.98。进一步观察到，在相同的剪应力作用下，橡胶支座的有效剪应变符合双面砂纸>单面砂纸>无砂纸的变化规律，当水平剪应力达到1.0 MPa时，无砂纸情况下橡胶支座的有效剪应变为1.08%，单面砂纸和双面砂纸情况下的有效剪应变较无砂纸情况分别增大26.59%和44.67%。分析认为，在无砂纸情况下，橡胶支座和加载板之间的摩擦较小，因此在剪切作用下其发生了很大剪切滑移而橡胶支座本身发生的剪切变形却比较小;而双面砂纸情况下橡胶支座的滑移很小，因此其有效剪应变与总应变值接近一致。有效剪应变分析结果表明，在车辆循环荷载作用下无砂纸接触会导致橡胶支座与桥梁板之间产生很大滑移且其对剪应力的承载效果较差，这也是我国大多数板式桥梁橡胶支座产生较大横向滑移的原因。因此可见，通过采用添加双面砂纸、增大橡胶支座与桥梁板和桥墩之间摩擦力的方式，能够有效改善桥梁橡胶支座的滑移问题。

3.3 支座剪切刚度

《公路桥梁抗震设计细则》中桥梁橡胶支座剪切刚度计算方法如式（1）所示[11]：

K=G（A/te）（1）

式中：K——剪切刚度（kN/m）;

G——橡胶支座的剪切模量（kPa）;

A——橡胶支座的剪切面积（m2）。

由此可得到橡胶支座的剪切刚度设计值。进一步根据《公路桥梁板式橡胶支座》规定[12]，橡胶支座的剪切模量计算方法如式（2）所示：

G=τ1.0-τ0.3γ1.0-γ0.3（2）

式中：τ0.3——水平应力为0.3 MPa条件下材料的剪应力（MPa）;

τ1.0——水平应力为1.0 MPa条件下材料的剪应力（MPa）;

γ0.3——水平应力为0.3 MPa条件下材料的剪应变;

γ1.0——水平应力为1.0 MPa条件下材料的剪应变。

基于剪應力-应变曲线及式（1）、式（2）可得到不同工况下橡胶支座的剪切刚度计算结果如表2所示。由表2可知，随着剪应变的增大，橡胶支座的剪切刚度也逐渐增大;随着接触面砂纸数目的增大，橡胶支座的剪切刚度也逐渐增大，这表明增加砂纸能促进橡胶材料的抗剪切能力。

4 结语

为研究三种不同接触条件下桥梁板式橡胶支座的抗剪切能力，室内设计了无砂纸、单面砂纸和双面砂纸三种不同工况下橡胶支座的循环剪切试验。研究主要结论如下：

（1）桥梁橡胶支座在车辆循环荷载作用下会产生一定的剪切变形和滑移，但通过改变橡胶支座的接触条件，能够大幅度增大其在循环荷载影响下的变形能力，从而有效克服桥梁橡胶支座剪切滑移问题。双面砂纸工况下，橡胶支座的抗剪切变形能力有着非常明显的提升，在10次剪切加卸载循环后其最大剪应变仅达到1.43%。

（2）通过采用添加双面砂纸，增大橡胶支座与桥梁板、桥墩之间摩擦力的方式，使橡胶支座产生的滑移很小，其有效剪应变与总应变值接近一致。

参考文献

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[9]李 悦，李 冲，李 茜，等.桥梁板式橡胶支座剪切破坏及摩擦滑移性能试验研究[J].铁道学报，2020，42（8）：130-137.

[10]徐略勤，傅沛瑶，李建中，等.板式橡胶支座梁桥的典型横向震害及其影响因素分析[J].振动与冲击，2020，39（2）：209-217.

[11]JTG/T B02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则[S].

[12]JT/T 4-2004，公路桥梁板式橡胶支座[S].

收稿日期：2021-03-18

作者简介：

钟学文（1984—），工程师，主要从事道路桥梁检测工作。