碳纖維主纜鞍座處抗滑移試驗(yàn)

諸葛萍，強(qiáng)士中，任偉平，劉明虎

1)西南交通大學(xué)土木學(xué)院，成都610031;2)中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100010

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 (carbon fiber reinforced plastic，CFRP)具有抗拉強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、疲勞性能優(yōu)異、減振性能好及熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是代替高強(qiáng)鋼絲應(yīng)用于大跨徑懸索橋主纜的較好選擇.在主纜鞍座抗滑移性能方面，Takena等［1］對(duì)鞍座表面分別涂以無(wú)機(jī)富鋅漆和鍍鋅后主纜鞍座界面摩擦系數(shù)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，分別為0.31和0.60;Hasegawa 等［2］對(duì)鋼主纜與配有摩擦板的鞍座間的摩阻力進(jìn)行了研究，提出了配有摩擦板鞍座的設(shè)計(jì)總摩擦系數(shù)計(jì)算式;文獻(xiàn)［3］對(duì)泰州長(zhǎng)江公路大橋主纜與中主鞍座間的抗滑移性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，測(cè)得多股鋼主纜與鞍座界面的摩擦系數(shù)為0.53，單股鋼主纜與鞍座界面的摩擦系數(shù)實(shí)測(cè)值為0.34.在CFRP絲摩擦學(xué)性能方面，Al-Mayah等［4］對(duì)CFRP筋-鋁 (銅)套管界面間的滑移機(jī)制進(jìn)行了研究，極限狀態(tài)下CFRP筋-套管界面的剪應(yīng)力與界面壓力呈線性關(guān)系;Giltrow等［5］試驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP材料種類與接觸金屬材質(zhì)對(duì)摩擦性能影響很大.上述研究主要就鋼主纜鞍座間抗滑移性能及CFRP材料的摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究，而CFRP主纜鞍座處的抗滑移性能有待分析.本研究對(duì)CFRP絲鞍座界面的摩擦系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)實(shí)測(cè)，結(jié)合實(shí)橋應(yīng)用，分析了不同活載作用下CFRP主纜在鞍座處的抗滑移性能.

1 CFRP主纜鞍座界面摩擦系數(shù)

1.1 摩擦系數(shù)與壓力無(wú)關(guān)

若CFRP絲-鞍座間的摩擦系數(shù)與界面壓力無(wú)關(guān)，則可結(jié)合歐拉公式進(jìn)行摩擦系數(shù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)，

其中，T1和T2分別為主纜緊邊拉力和主纜松邊拉力，可直接通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得;θ為主纜在鞍槽上的包角，如圖1.懸索橋鋼主纜鞍座界面摩擦系數(shù)的試驗(yàn)通常采用式 (1)作為理論依據(jù).

圖1 CFRP絲鞍座受力模型Fig.1 Analytical model of CFRP wire-saddle

1.2 摩擦系數(shù)與壓力呈線性關(guān)系

由文獻(xiàn)［6-7］可知，材料的摩擦系數(shù)可能隨界面壓力的變化而變化，CFRP-鋼材界面可能存在此種情況，需通過(guò)材料摩擦學(xué)試驗(yàn)加以確定.假設(shè)p－μ曲線呈線性變化，

其中，p為CFRP絲表面壓力;a和b為常系數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得.沿圓弧方向取一微段，如圖1，可得

其中，R為鞍座半徑;T為CFRP絲軸向拉力.

由式 (3)可知，界面壓力只與CFRP絲相應(yīng)截面處的拉力有關(guān)，而CFRP絲截面拉力沿鞍槽可認(rèn)為呈線性分布，則CFRP絲表面壓力沿鞍座也呈線性分布.

根據(jù)式 (3)，A、B點(diǎn)處的CFRP絲表面壓力p1、p2分別為p1=T1/R，p2=T2/R(如圖1).則CFRP絲-鞍座間的摩擦系數(shù)為

其中，T2為滑動(dòng)臨界狀態(tài)CFRP絲松邊拉力;T1為滑動(dòng)臨界狀態(tài)CFRP絲緊邊拉力，兩者均實(shí)測(cè)獲得.模型試驗(yàn)需按照界面壓力與實(shí)橋一致的原則進(jìn)行.

根據(jù)CFRP絲-鋼摩擦性能試驗(yàn)結(jié)果，可選取上述兩種計(jì)算理論之一作為CFRP主纜-鞍座抗滑移試驗(yàn)的理論依據(jù).

2 CFRP絲-鋼摩擦性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)安裝

試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2.CFRP絲采用表1中表面形式為微壓紋的CFRP絲.為模擬界面接觸形式 (線接觸)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袖搳A塊孔徑遠(yuǎn)大于CFRP絲.常規(guī)懸索橋鞍槽表面的設(shè)計(jì)粗糙度通常為6.3 μm.為使鋼夾塊相應(yīng)界面的粗糙度與鞍槽一致，對(duì)鋼夾塊界面作了噴砂處理，設(shè)計(jì)粗糙度為6.3 μm，噴砂后實(shí)測(cè)粗糙度為6.2 μm，鋼夾塊的材質(zhì)為45號(hào)鋼.為避免界面雜質(zhì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，用丙酮對(duì)CFRP絲表面和鋼夾塊內(nèi)槽面進(jìn)行清洗.CFRP絲張拉端用CFRP絲夾片式錨具進(jìn)行錨固.

由圖2可知，CFRP絲表面壓力由立式千斤頂提供，施加壓力的大小由安裝在鋼夾塊上方的壓力傳感器控制，拉力由穿心式千斤頂施加，張拉時(shí)CFRP絲的拉力和滑移量分別由安裝在張拉端的壓力傳感器和試件末端的位移傳感器測(cè)得.

圖2 CFRP絲-鋼摩擦試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Test model of CFRP wire-steel

表1 CFRP絲材料特性Table1 Material Properties of CFRP wire

2.2 摩擦系數(shù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)

試驗(yàn)開始后，對(duì)每一級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的CFRP絲滑移量和張拉力進(jìn)行測(cè)量并記錄.隨著拉力增加，CFRP絲滑移量逐漸變大，但滑移能趨于穩(wěn)定，當(dāng)滑移幅度明顯變大且趨于滑脫時(shí)，對(duì)應(yīng)拉力即為CFRP絲開始滑脫時(shí)的極限拉力，將此時(shí)測(cè)得的拉力和壓力值代入μ=T/(2N)可算得CFRP絲-鋼的摩擦系數(shù)，其中，T為CFRP絲極限拉力，N為鋼夾塊表面壓力.

試驗(yàn)設(shè)置了3組試件，設(shè)計(jì)界面線壓力分別為0.73、1.09 和 2.18 kN/mm.實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表 2，摩擦系數(shù)平均值為0.314.由表2可知，CFRP絲-鋼界面摩擦系數(shù)幾乎不隨壓力的變化而變化，可認(rèn)為CFRP絲-鋼界面的摩擦系數(shù)與壓力大小無(wú)關(guān).由此可見(jiàn)，CFRP主纜-鞍座抗滑移試驗(yàn)可結(jié)合式(1)對(duì)CFRP主纜鞍座界面的摩擦系數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè).

表2 CFRP絲-鋼夾塊摩擦系數(shù)Table 2 Frictional coefficient of CFRP-steel

3 CFRP主纜-鞍座抗滑移試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

對(duì)單根CFRP絲進(jìn)行試驗(yàn)可了解CFRP主纜在鞍座處的抗滑移性能，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3.影響界面抗滑移性能的因素有鞍座材質(zhì)、CFRP絲材質(zhì)及其表面粗糙度，因此，模型設(shè)計(jì)和加工應(yīng)與實(shí)橋一致.模型中模擬鞍座鞍槽的弧形構(gòu)件由方鋼加工而成，為模擬實(shí)橋鞍槽表面粗糙度，對(duì)方鋼表面作噴砂處理，設(shè)計(jì)粗糙度為6.3 μm，噴砂后實(shí)測(cè)粗糙度為5.6 μm，鞍座半徑為2 m.CFRP絲兩端錨具采用夾片式錨具，其錨固效率超過(guò)95%，能對(duì)CFRP絲進(jìn)行可靠錨固.

CFRP絲張拉端 (A端)的拉力由穿心式千斤頂施加，A、B端的拉力T1和T2由壓力傳感器測(cè)得，由式 (1)可得CFRP絲-鞍座界面摩擦系數(shù).為保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性，通過(guò)位移傳感器對(duì)鋼梁和臺(tái)座在受力狀態(tài)下的滑移情況進(jìn)行監(jiān)測(cè).

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Test model

3.2 試驗(yàn)工況及加載設(shè)計(jì)

為研究CFRP絲表面形式對(duì)摩擦系數(shù)的影響，采用光圓和微壓紋兩種CFRP絲作為試驗(yàn)材料，均采用拉擠成型工藝生產(chǎn)，是目前應(yīng)用較多的兩種CFRP筋材［8］.大跨懸索橋主纜在橋塔鞍座上的包角約為42°，因此，試驗(yàn)設(shè)置了36°、42°和54°三種包角.對(duì)兩種CFRP絲在3種包角時(shí)的摩擦系數(shù)分別進(jìn)行實(shí)測(cè).

表2表明，CFRP絲鋼材界面的摩擦系數(shù)與界面壓力無(wú)關(guān)，因此，在測(cè)試CFRP絲-鞍座界面摩擦系數(shù)時(shí)，界面壓力大小不需與實(shí)橋中恒載引起的鞍座處CFRP絲表面壓力一致.加載開始后，對(duì)各級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的兩端拉力進(jìn)行實(shí)測(cè)，其數(shù)據(jù)均可用于計(jì)算摩擦系數(shù).每級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的荷載增量為5%Fcu，F(xiàn)cu為CFRP單絲極限抗拉設(shè)計(jì)值.每加一級(jí)后進(jìn)行持荷，待各儀器讀數(shù)穩(wěn)定后記錄各數(shù)據(jù).

日本JSCE-E 531-1995對(duì)CFRP筋的加載速度建議為100～500 MPa/min［9］，參考此技術(shù)規(guī)程，本試驗(yàn)的設(shè)計(jì)加載速度為200 MPa/min，通過(guò)壓力傳感器數(shù)據(jù)采集儀對(duì)加載速度進(jìn)行控制.

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了解試驗(yàn)裝置的可靠性，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)臺(tái)座及鋼梁受力時(shí)的滑移情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明試驗(yàn)臺(tái)座是安全可靠的.兩種CFRP絲A、B端對(duì)應(yīng)拉力T1－T2關(guān)系曲線如圖4和圖5(各含3個(gè)工況)，將曲線上各數(shù)據(jù)點(diǎn)代入式(1)可得相應(yīng)的摩擦系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3.表3表明，CFRP絲表面形式對(duì)摩擦系數(shù)影響較大，微壓紋CFRP絲摩擦系數(shù)明顯大于光圓CFRP絲，平均值達(dá)到0.496.本試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔o(wú)側(cè)向力作用，而實(shí)橋中鞍座對(duì)主纜施加了較大的側(cè)向壓力，因此，實(shí)橋?qū)?yīng)的CFRP主纜-鞍座界面摩擦系數(shù)將大于本試驗(yàn)結(jié)果.文獻(xiàn) ［10］對(duì)泰州公路過(guò)江通道三塔懸索橋的主纜抗滑移試驗(yàn)研究結(jié)果表明，無(wú)側(cè)壓時(shí)單股鋼主纜-鞍座界面摩擦系數(shù)平均值為0.340，此數(shù)值對(duì)應(yīng)的抗滑移安全系數(shù)較高，說(shuō)明CFRP主纜在鞍座處的抗滑移性能優(yōu)良.由圖4和圖5可知，A、B端拉力呈線性關(guān)系，說(shuō)明各級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)數(shù)值穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果可靠，進(jìn)一步驗(yàn)證了CFRP絲-鋼材界面的摩擦系數(shù)與壓力無(wú)關(guān).

表3 CFRP絲摩擦系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果Table 3 Test results of frictional coefficient

圖4 微壓紋絲T1-T2關(guān)系曲線Fig.4 T1-T2curve of spirally indented wire

圖5 光圓絲T1-T2關(guān)系曲線Fig.5 T1-T2curve of Sleek wire

3.4 實(shí)橋CFRP主纜-鞍座處穩(wěn)定性分析

懸索橋跨度越大，活載引起的主纜拉力占主纜全部拉力的比值就越小.鞍座處CFRP主纜不同拉力比時(shí)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4.K=μt/μc= θμt/lnSb，其中，μt為模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)摩擦系數(shù);μc=lnSb/θ為實(shí)橋抗滑移臨界摩擦系數(shù);Sb為CFRP主纜在鞍座兩端的拉力比設(shè)計(jì)值;Sb=Fct/Fcl，F(xiàn)ct和Fcl分別為CFRP主纜緊邊拉力和松邊拉力;θ為主纜包角.

表4 鞍座處CFRP主纜不同拉力比時(shí)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Table 4 Anti-slip safety factor under different tensile ratio of cable at two end of saddle

對(duì)于大跨度懸索橋，Sb通常在1.02～1.08，對(duì)應(yīng)的微壓紋CFRP主纜在鞍座處的抗滑移安全系數(shù)超過(guò)4.7，若CFRP主纜在鞍座處的抗滑移安全系數(shù)為3，則Sb可達(dá)1.13，說(shuō)明大跨懸索橋CFRP主纜在鞍座處抗滑移性能良好.另外，實(shí)橋中鞍座對(duì)主纜還施加了較大的側(cè)向壓力，因此，CFRP主纜實(shí)際抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)將會(huì)更大.

結(jié) 語(yǔ)

綜上研究可知:①CFRP主纜-鞍座界面摩擦系數(shù)與界面壓力無(wú)關(guān);②CFRR主纜鞍座處抗滑移性能優(yōu)良，微壓紋CFRP絲單絲摩擦系數(shù)將超過(guò)0.496;③CFRP絲表面形式對(duì)摩擦系數(shù)影響較大，較粗糙的CFRP絲其鞍座處抗滑移性能較好;④懸索橋CFRP主纜鞍座處抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K較高，當(dāng)鞍座兩側(cè)主纜軸向拉力比在 1.02～1.08時(shí)，CFRP主纜的K值超過(guò)4.7.

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