彭立群 林達(dá)文 王 進(jìn) 吳興磊

(1.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司 湖南 株洲 412007；2.國家軌道交通高分子材料及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(湖南) 湖南 株洲 412007)

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)客運(yùn)專線橋梁的使用壽命提出了更高的要求，伸縮縫作為橋梁整體防水體系的重要部件，為提高橋梁結(jié)構(gòu)耐久性發(fā)揮了重要作用，因?yàn)閭鹘y(tǒng)橡膠伸縮縫安裝復(fù)雜、維護(hù)不便，所以新建客運(yùn)專線橋梁大都采用新型的聚氨酯彈性體伸縮縫，聚氨酯是一類在高分子結(jié)構(gòu)主鏈上含有氨酯基的聚合物，具有較好的耐高低溫、耐疲勞和防排水性能，因此在混凝土橋梁建設(shè)中廣泛應(yīng)用，彈性體伸縮縫通常是以現(xiàn)場(chǎng)澆筑的方式進(jìn)行施工，聚氨酯材料與混凝土之間的粘接性能是保證防水和疲勞壽命的關(guān)鍵參數(shù)，因此研究彈性體伸縮縫的粘接性能對(duì)提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全和可靠性具有重要的意義[1-2]。

1 彈性體伸縮縫

彈性體伸縮縫在澆筑前，首先對(duì)橋墩上相結(jié)合處的混凝土兩側(cè)面進(jìn)行清洗，待混凝土干燥后涂上特制的粘接涂料，然后在下側(cè)使用專用的施工工裝進(jìn)行底部造型或形成密封腔，利用防水A、B料均勻攪拌形成聚氨酯彈性密封材料，以一定的澆筑速度平穩(wěn)地注入伸縮縫內(nèi)，待密封材料固化后，定時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修便形成如圖1所示的彈性體伸縮縫[3]。當(dāng)后期使用過程中出現(xiàn)剝離、起鼓現(xiàn)象，可以有針對(duì)性地進(jìn)行維修，這種方法施工方便、維護(hù)成本低。試驗(yàn)用試樣需依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工工藝和標(biāo)準(zhǔn)要求制作標(biāo)準(zhǔn)件，其中低周疲勞試樣寬度為100 mm，高周疲勞試樣為600 mm，如圖2所示。

圖1 伸縮縫安裝位置

圖2 伸縮縫標(biāo)準(zhǔn)試樣

2 試驗(yàn)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)分析

德國鐵路橋梁標(biāo)準(zhǔn)DS 804.5201是世界上最早有關(guān)橋梁伸縮縫的標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)由交通部參考該標(biāo)準(zhǔn)起草了JT/T 327—2004 《公路橋梁伸縮縫裝置》，后修訂為JT/T 327—2016《橋梁伸縮縫裝置通用技術(shù)條件》，2005年鐵道部科技司發(fā)布了科技基[2005]101號(hào)《客運(yùn)專線橋梁伸縮裝置暫行技術(shù)條件》，TJ/GW 078—2005 《客運(yùn)專線橋梁伸縮縫裝置暫行技術(shù)條件》，其中標(biāo)準(zhǔn)中4.1、4.2和4.3項(xiàng)分別規(guī)定了伸縮縫必須同時(shí)滿足橋梁順向、橫向和豎向變形，型鋼與防水橡膠條拉伸3倍位移，夾持載荷15 min，夾持部分不脫落，防水膠條注水24 h無泄漏[4]，其中4.2項(xiàng)類似于粘接性能試驗(yàn)，但以上標(biāo)準(zhǔn)僅適用于橡膠類伸縮縫。

TJ/GW 120—2013《鐵路混凝土橋梁彈性體伸縮縫暫行技術(shù)條件》是鐵路總公司依據(jù)新型彈性體伸縮縫制定的新標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了試驗(yàn)成品的制樣、規(guī)格和試驗(yàn)項(xiàng)目點(diǎn)[5]。彈性體伸縮具體試驗(yàn)還可以參考TB/T 3435—2016 《鐵路混凝土橋梁梁端防水裝置》、GB/T 2362—2009 《混凝土道路伸縮縫用橡膠密封件》。

2.2 試驗(yàn)方案

彈性體伸縮縫性能試驗(yàn)分為低周拉伸疲勞試驗(yàn)、高周拉伸疲勞試驗(yàn)、剪切疲勞試驗(yàn)和靜載試驗(yàn)。

(1)低周拉伸疲勞試驗(yàn)：分常溫、低溫和高溫3種工況，主要測(cè)試試樣在低頻垂直拉伸載荷作用下的粘接和內(nèi)聚破壞情況。改進(jìn)前的方案只能進(jìn)行常溫條件的低周拉伸疲勞試驗(yàn)。改進(jìn)后的試驗(yàn)方案包括靜態(tài)電子萬能試驗(yàn)機(jī)、高低箱和專用試驗(yàn)工裝三部分，分別如圖3所示。

圖3 低周疲勞試驗(yàn)

改進(jìn)后的方案為：高低溫箱安裝于試驗(yàn)機(jī)動(dòng)橫梁加載中心，伸縮縫試樣通過工裝先橫向鎖緊成一個(gè)整體，下端固定于高低溫箱內(nèi)置平臺(tái)，上端通過連接裝置與試驗(yàn)動(dòng)橫梁固定。具體試驗(yàn)時(shí)，首先通過高低溫箱設(shè)置到規(guī)定溫度，然后通過試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣施加拉伸載荷進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)。

(2)高周拉伸疲勞試驗(yàn)：主要測(cè)試試樣在高頻垂直拉伸載荷作用下的粘接和內(nèi)聚破壞情況。試驗(yàn)在常溫條件下進(jìn)行，試驗(yàn)方案包括液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)和專用試驗(yàn)裝置，試樣下端通過專用工裝固定于試驗(yàn)機(jī)T型平臺(tái)，上端與試驗(yàn)機(jī)加力桿連接，通過垂向油缸施加動(dòng)態(tài)交變載荷，對(duì)伸縮縫進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn)。按加載方式分為單個(gè)拉伸和成組拉伸2種(見圖4)，其中，成組拉伸試驗(yàn)可以同時(shí)對(duì)3種不同配方聚氨酯伸縮縫進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得出最優(yōu)方案，達(dá)到降低開發(fā)周期的目的[6]。

圖4 高周疲勞試驗(yàn)

(3)剪切疲勞試驗(yàn)：測(cè)試試樣在剪切位移作用下的粘接和內(nèi)聚破壞情況。試驗(yàn)裝置包括橫向保持、夾持和滑臺(tái)剪切三部分，所述的伸縮縫試樣以水平方式安裝于剪切試驗(yàn)工裝內(nèi)，通過橫向保持裝置使試樣保持正常安裝間隙，右端通過夾持裝置固定于保持裝置側(cè)板、左端通過夾持裝置固定于滑臺(tái)剪切裝置，通過垂向油缸帶動(dòng)滑動(dòng)使試樣產(chǎn)生剪切變形，進(jìn)行剪切疲勞試驗(yàn)(見圖5)。

圖5 剪切疲勞試驗(yàn)

(4)靜載性能試驗(yàn)：是指對(duì)試樣施加靜態(tài)載荷，形成規(guī)定的靜載強(qiáng)度并保持規(guī)定的時(shí)間，觀察彈性體及粘接處的開裂情況(見圖6)。試驗(yàn)裝置包括加載頭、導(dǎo)向桿、保持架和砝碼。

圖6 靜載性能試驗(yàn)

2.3 試驗(yàn)裝置

重點(diǎn)介紹剪切試驗(yàn)裝置，主要由夾持裝置、剪切裝置、單通道加載試驗(yàn)機(jī)組成(見圖7)。其中試樣安裝于夾持裝置中，通過夾板和鎖緊螺栓固定，右側(cè)固定于保持框側(cè)板，左側(cè)安裝于滑臺(tái)的滑板，通過試驗(yàn)機(jī)垂向油缸施加位移進(jìn)行整體剪切試驗(yàn)。

圖7 試驗(yàn)方案

(1)夾持裝置：由U型固定板、夾板、鎖緊螺栓、鎖緊螺母、試樣組成，如圖8所示。其作用是通過U型固定板和夾板的調(diào)節(jié)，完成試樣的固定，模擬實(shí)際安裝工況。

(2)滑動(dòng)裝置：由上定位板、導(dǎo)桿、限位塊、滑板、導(dǎo)向板、下定位板組成(見圖9)。其作用是通過保持框保證試樣的安裝距離，并且將試驗(yàn)機(jī)垂向位移轉(zhuǎn)向成對(duì)試樣的剪切變形。

圖8 夾持裝置

圖9 滑動(dòng)裝置

2.4 有限元分析

2.4.1試驗(yàn)工裝

(1)靜態(tài)分析：當(dāng)垂向油缸推動(dòng)滑臺(tái)進(jìn)行剪切疲勞試驗(yàn)時(shí)，使得工裝夾持裝置承受較大的橫向載荷。根據(jù)長(zhǎng)期疲勞試驗(yàn)的要求，需要通過有限元分析，了解這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)三維模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分。

圖10 夾持裝置應(yīng)力/變形云圖

工裝選用的材料是45#鋼，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為 210 GPa，泊松比為 0.3，抗拉強(qiáng)度為600 MPa，屈服強(qiáng)度為355 MPa，計(jì)算分析得到了如圖10所示的應(yīng)力云圖和位移云圖。由圖11可以看到：夾持裝置的最大應(yīng)力出現(xiàn)在中間連接處，最大等效應(yīng)力為86 MPa，最大的位移出現(xiàn)在兩端夾持前部，最大位移為 0.6 mm，未發(fā)生明顯的變形。通過上述數(shù)據(jù)，可以得到關(guān)鍵承載件的安全系數(shù)n0=355/86=4.1，滿足安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

(2)模態(tài)分析：對(duì)工裝關(guān)鍵件夾持裝置進(jìn)行模態(tài)分析，工裝的四階振型148 Hz、150 Hz、152 Hz、163 Hz如圖11所示，工裝的最低固有頻率低于試驗(yàn)最高激振頻率2 Hz，不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

圖11 夾持裝置四階振型圖

2.4.2伸縮縫

分析得出伸縮縫在拉伸載荷條件下的最大應(yīng)力1.7 MPa產(chǎn)生于聚氨酯材料與混凝土粘接處；在剪切載荷條件下的最大應(yīng)力1.49 MPa產(chǎn)生于聚氨酯材料中間處；在靜載條件下的最大應(yīng)力2.42 MPa產(chǎn)生于兩端粘接處，3種工況下最大應(yīng)力均小于材料允許應(yīng)力，滿足粘接性能要求。

彈性體伸縮縫的粘接性能主要取決于混凝土表面粗糙度、粘接面積、底層涂料粘接性能和伸縮縫結(jié)構(gòu)形狀4個(gè)因素，從上述分析結(jié)果得出：伸縮縫設(shè)計(jì)成“n”型結(jié)構(gòu)，有助于增加側(cè)面粘接面積，達(dá)到增強(qiáng)粘接效果的目的，同時(shí)有利于減小彈性體材料的局部應(yīng)力，避免應(yīng)力集中進(jìn)而加速產(chǎn)品的疲勞破壞和失效，分析結(jié)果表明伸縮縫在拉伸、剪切、壓縮3種條件下均具有較好的粘接性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 低周疲勞對(duì)粘接性能的影響

3.1.1試驗(yàn)方法

常溫試驗(yàn)：在溫度(23±2)℃放置4 h，垂向拉伸(80～120)mm，頻率0.01 Hz，循環(huán)加載200次，記錄載荷與變形曲線。

高溫試驗(yàn)：在溫度(60±2)℃放置4 h，垂向拉伸(80～120)mm，頻率0.01 Hz，循環(huán)加載200次，記錄載荷與變形曲線。

低溫試驗(yàn)：在溫度(-30±2)℃放置4 h，垂向拉伸(45～85)mm，頻率0.01 Hz，循環(huán)加載200次，記錄載荷與變形曲線。

3.1.2結(jié)果及分析

常溫試驗(yàn)：從圖12可以看出伸縮縫的拉伸載荷隨變形呈非線性遞增，變形20 mm是曲線載荷拐點(diǎn)。其中加載穩(wěn)定后的包絡(luò)曲線基本重合且斜率明顯大于第1次加載曲線。這是因?yàn)榫郯滨ゲ牧鲜躆ullins效應(yīng)的影響，隨著拉伸次數(shù)的增加，材料的拉伸模量不斷減小，最后趨于穩(wěn)定值。當(dāng)試樣拉伸變形120 mm時(shí)的載荷為0.17 kN，變形80 mm時(shí)的載荷為0.09 kN，循環(huán)加載200次的滯回包絡(luò)曲線光滑且無異常，試樣外觀無粘接和內(nèi)聚破壞現(xiàn)象，這表明伸縮縫的粘接性能滿足常溫工況要求，與分析結(jié)果基本一致。

圖12 常溫條件載荷與變形曲線

高溫試驗(yàn)：從圖13可以看出在高溫拉伸條件下聚氨酯材料拉伸載荷有所下降，但受溫度影響不明顯，當(dāng)試樣拉伸變形120 mm時(shí)的載荷為0.16 kN，80 mm時(shí)的載荷為0.1 kN，循環(huán)加載200次的滯回包絡(luò)曲線光滑且無異常，試樣外觀無粘接和內(nèi)聚破壞現(xiàn)象，這表明伸縮縫在高溫條件下仍具有較好的粘接性能。

圖13 高溫條件載荷與變形曲線

低溫試驗(yàn)：從圖14可以看出由于溫度降低導(dǎo)致聚氨酯材料硬度變大，曲線非線性更加明顯，且循環(huán)加載曲線的斜率明顯大于常溫和高溫，這表明伸縮縫剛度變大。當(dāng)試樣拉伸變形85 mm時(shí)的載荷為0.14 kN，45 mm時(shí)的載荷為-0.1 kN，循環(huán)加載200次的滯回包絡(luò)曲線光滑且無異常，試樣外觀無粘接和內(nèi)聚破壞現(xiàn)象，這表明伸縮縫粘接性能滿足低溫工況的要求。

圖14 低溫條件載荷與變形曲線

3.2 高周疲勞對(duì)粘接性能的影響

3.2.1試驗(yàn)方法

將試樣裝入專用試驗(yàn)工裝，垂向以6 mm/min的速度拉伸，伸長(zhǎng)至62 mm作為平衡位置，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下以5 Hz的頻率進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，疲勞上限、下限分別為64 mm、60 mm，循環(huán)加載200萬次，觀察試樣的聚氨酯材料與混凝土的粘接狀態(tài)，以及材料內(nèi)聚破壞情況。

3.2.2結(jié)果及分析

高周疲勞試驗(yàn)后聚氨酯材料與混凝土塊粘接良好，無裂紋和其他異常。高周疲勞類似于動(dòng)態(tài)和小周期疲勞試驗(yàn)，在高頻拉伸變形條件下，一方面可以測(cè)試出聚氨酯材料、粘接涂料和混凝土3種不同介質(zhì)間的粘接性能，另一方面可以測(cè)試出聚氨酯本體材料的拉伸性能，從上述試驗(yàn)結(jié)果描述來分析，該彈性體伸縮縫的粘接性能滿足高周疲勞性能要求。

3.3 剪切疲勞對(duì)粘接性能的影響

3.3.1試驗(yàn)方法

通過設(shè)計(jì)專用試驗(yàn)工裝固定試樣一端混凝土塊，整體以水平方式安裝，保持初始安裝寬度，對(duì)另一端混凝土塊施加剪切位移±15 mm，頻率2 Hz，循環(huán)加載200萬次，觀察試樣的粘接狀態(tài)和內(nèi)聚破壞情況。

3.3.2結(jié)果及分析

剪切疲勞試驗(yàn)后聚氨酯材料與混凝土塊粘接良好，無裂紋和其他異常。在實(shí)際使用過程中，由于彈性體伸縮縫的自重在混凝土側(cè)面產(chǎn)生豎向變形，引起彈性體與混凝土的剝離，上述剪切疲勞試驗(yàn)是驗(yàn)證該工況的重要手段，從試驗(yàn)結(jié)果來分析，在大位移、高頻率、大剪切位移作用下，伸縮縫的彈性體與混凝土仍粘接良好無剝離，表明該彈性體伸縮縫的粘接性能滿足剪切疲勞性能要求，與分析結(jié)果基本一致。

3.4 靜載對(duì)粘接性能的影響

3.4.1試驗(yàn)方法

沿橋梁豎向?qū)ι炜s縫以砝碼方式施加質(zhì)量80 kg，加載過程中工裝導(dǎo)桿始終與產(chǎn)品保持垂直，保載1 h，觀察試樣的聚氨酯材料與混凝土的粘接狀態(tài)。

3.4.2結(jié)果及分析

靜載試驗(yàn)后聚氨酯材料與混凝土塊粘接良好、無破壞。該試驗(yàn)主要是驗(yàn)證彈性體伸縮縫是否因中間承載在兩端產(chǎn)生剪力或撕裂力，試樣出現(xiàn)粘接失效。從試驗(yàn)結(jié)果描述來分析，該彈性體伸縮縫的粘接性能滿足靜載性能要求，與分析結(jié)果基本一致。

4 結(jié)束語

以上通過對(duì)聚氨酯彈性體伸縮縫的使用工況進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了新型的力學(xué)性能試驗(yàn)方案，重點(diǎn)介紹了剪切疲勞試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)，為伸縮縫產(chǎn)品試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。研究表明：新型方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、滿足試驗(yàn)要求，且更能準(zhǔn)確地反映出彈性體伸縮縫的粘接性能，在4種工況下伸縮縫的粘接性能均滿足要求，且分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。