匹配澆筑混凝土接觸面摩擦系數(shù)試驗研究

陳富強，田唯，劉占國，張照坤

（1.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；2.中交第二航務工程局有限公司技術中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

節(jié)段預制拼裝梁段及部分沉管隧道節(jié)段接頭若采用考慮摩擦的抗剪設計理念[1-3]，必須要先對接頭混凝土接觸面摩擦力的產(chǎn)生規(guī)律進行充分研究。由于摩擦機理本身尚存在理論缺陷，從摩擦機理角度得到摩擦系數(shù)的解析值并不現(xiàn)實[4-5]。在實際工程中，根據(jù)工程實際需要開展針對性的試驗研究，通過實驗方法獲得摩擦系數(shù)，是目前普遍的做法[6-7]。

最簡易的摩擦系數(shù)測試方法是單摩擦面測試，可通過物體自重施加正應力，通過水平推（拉）力或自重分量使物體發(fā)生滑動，物體由靜止轉為滑動的臨界時刻，摩擦面切向分力和法向分力的比值即為摩擦系數(shù)。該方法簡單易行，測量準確，但通過試件自重施加正應力水平有限。為研究高正應力狀態(tài)下物體摩擦系數(shù)，需要借助加載裝置來實現(xiàn)，如橋梁橡膠支座檢測中摩擦系數(shù)測試一般采用壓剪試驗機進行。

1 試驗概況

1.1 方案設計

本試驗采用雙剪法進行摩擦系數(shù)測試（圖1）。試件由3塊相同尺寸的混凝土試塊組成。測試時上下2塊混凝土位置及混凝土試塊豎向壓力N不變，頂推中間試塊至接觸面滑動，當頂推力F達到峰值，即為混凝土塊間的最大靜摩擦力Fmax。由式（1）可得混凝土試塊間靜摩擦系數(shù)μ。通過改變豎向壓力N，測試最大靜摩擦系數(shù)。

圖1 混凝土摩擦系數(shù)試驗原理及模型示意圖Fig.1 The principlesand model of concrete friction coefficient test

1.2 工況設置

針對匹配接觸面工作環(huán)境不同的實際狀況，重點觀察幾種主要因素對混凝土摩擦系數(shù)產(chǎn)生的影響，如接縫間正應力水平、接縫干濕狀態(tài)及滑移模式等。

1） 正應力水平

傳統(tǒng)的庫侖摩擦定律認為，靜摩擦系數(shù)獨立于所施加的載荷，僅隨接觸材料的不同而變化。然而隨著近代摩擦學的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)庫侖摩擦定律中靜摩擦系數(shù)對于同種材料不變的結論與實際情況不符。表現(xiàn)為靜摩擦系數(shù)隨著法向載荷的增大而減?。Σ亮θ噪S正壓力的增加而增加），但這一現(xiàn)象主要是由學者針對機械領域摩擦潤滑研究中發(fā)現(xiàn)的。相對于金屬結構，混凝土摩擦面具有應力水平低、表明粗糙度離散性大等特點，摩擦系數(shù)與應力水平間是否具有不可忽視的相關性，還有待試驗觀察。因此本試驗對不同等級應力水平下混凝土摩擦系數(shù)進行測定。參照港珠澳大橋沉管實際狀況，選取的混凝土摩擦面間正應力區(qū)間為0.5~2.0 MPa。

2） 干濕狀態(tài)

相關規(guī)范中針對混凝土摩擦系數(shù)的建議值未涉及材料干濕狀態(tài)而做區(qū)分。摩擦面干濕狀態(tài)對摩擦系數(shù)影響如何，有待試驗驗證。為研究節(jié)段混凝土工作環(huán)境可能造成的摩擦系數(shù)變化，將試件分為干燥和濕潤2種。其中干燥狀態(tài)是指試驗環(huán)境下，試件混凝土天然含水率狀態(tài)，濕潤環(huán)境是指將試件浸水一定時間后的飽水狀態(tài)。

3） 滑移模式

抗震設計中，摩擦抗剪承載力計算須考慮反復滑移下的混凝土摩擦系數(shù)變化。在完成表1所列工況試驗的基礎上，通過觀察特定試件、特定參數(shù)下，多次反復滑移試驗結果，了解混凝土摩擦系數(shù)受滑動次數(shù)影響情況。

表1 混凝土摩擦系數(shù)測定工況表Table1 Working condition of concretefriction coefficient test

在以上工況試驗基礎上，通過測量試件靜摩擦階段相對微滑移，了解混凝土接觸面摩擦抗剪荷載-位移特性。試驗選取一組干燥試件進行，對應力工況進行了加密，測試工況如表2。

表2 混凝土摩擦力-位移特性試驗工況Table 2 Test conditionsof concretefriction force and displacement characteristics

1.3 試件設計

試件結構形式如圖1所示。在確定試件尺寸時，考慮了以下幾個原則：

1） 接觸面大?。簽闇p小試驗結果離散性干擾，摩擦接觸面面積不宜過??；

2） 試件厚度：試件通過加載裝置施加正應力，為保證接觸面法向應力均勻性，試件厚度不宜過??；

3） 試件強度：為保證試驗過程中試件完整性，宜進行必要的構造配筋；

4）試件重量：為便于試件安裝，保證試驗順利進行，試件重量不宜過大。

基于以上幾個方面考慮，并借鑒國內(nèi)外同類試驗做法，最終確定試件由3塊150 mm×200 mm×500 mm的混凝土塊件組成。

1.4 試驗材料及設備

試驗模型混凝土參照某工程島隧工程沉管節(jié)段預制混凝土配合比制作，同時在膠材構成、骨料尺寸及外加劑方面充分考慮模型結構尺寸及功能需求。試件中構造筋采用直徑為8 mm的圓鋼筋（一級）。加載設備采用200 t多通道電液伺服加載系統(tǒng)，試塊的相對水平滑移采用千分表測量，見圖2、圖3。

圖2 加載裝置Fig.2 Loading device

圖3 加載及測量系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.3 Loading and measuring system photo

2 試驗結果

2.1 摩擦系數(shù)測定結果與分析

通過累計10組試件共計130次摩擦系數(shù)測定后，對樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與觀察分析發(fā)現(xiàn)，干燥狀態(tài)下混凝土摩擦系數(shù)多處于0.55～0.75之間，濕潤狀態(tài)下混凝土摩擦系數(shù)多處于0.50～0.70之間。從實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果看，干燥狀態(tài)及濕潤狀態(tài)下摩擦系數(shù)均值分別為0.69和0.62，對應標準偏差均為0.08，見表3。

表3 混凝土接觸面初始狀態(tài)摩擦系數(shù)實測值統(tǒng)計Table 3 Measured friction coefficient value of concrete contact surface in the initial state

從所測數(shù)據(jù)的分布規(guī)律看，濕潤狀態(tài)摩擦系數(shù)整體較干燥狀態(tài)偏小，而不同應力水平組間結果影響因素復雜，無明顯規(guī)律，摩擦系數(shù)實測值分布詳見圖4。

圖4 摩擦系數(shù)實測值分布Fig.4 Distribution of the measured friction coefficient value

將干燥和濕潤狀態(tài)試件4種接觸應力下的摩擦系數(shù)值排序，可得到摩擦系數(shù)值的累積頻率曲線，如圖5，圖中橫坐標μ對應的值為滿足摩擦系數(shù)≥μ的數(shù)據(jù)占總樣本的比例。不難看出，干燥狀態(tài)和濕潤狀態(tài)下混凝土摩擦系數(shù)分別取值0.60和0.55是具有一定安全裕度的。

圖5 實測摩擦系數(shù)超值累計頻率Fig.5 Cumulative frequency of the measured friction coefficient value

2.2 反復滑移下摩擦系數(shù)測定結果分析

圖6 顯示為同組3塊混凝土試件在匹配澆筑位置下（即相對位置X=0）往不同方向反復頂推的試驗結果。從結果來看，反復滑動對試件接觸面相對粗糙度的影響造成了部分試件摩擦系數(shù)出現(xiàn)明顯降低，并在反復次數(shù)到達一定程度后趨于穩(wěn)定，實測摩擦系數(shù)谷值與峰值比例為0.5左右。

試驗同時表明，隨著滑動位移持續(xù)增加即試件相對位置的變化，摩擦系數(shù)會逐漸回升至初始狀態(tài)的水平，圖7顯示了試件1-7在短距離反復滑移后，進行長距離滑移所測摩擦系數(shù)變化情況。這充分表明，混凝土接觸面相對位置變化歷史（即滑移路徑）會影響到其相對粗糙度特征，進而影響到摩擦系數(shù)值。在同一接觸面相對位置下反復滑動造成摩擦系數(shù)降低后，隨著滑動位移的增加即接觸面相對位置的改變，摩擦系數(shù)會重新回升到新的水平。

3 結語

對不同接觸應力水平及干濕狀態(tài)下，匹配澆筑混凝土摩擦系數(shù)進行了試驗測定，得到摩擦系數(shù)實測數(shù)據(jù)樣本共計130個，并對不同應力水平下摩擦力位移特性和反復滑移下摩擦系數(shù)變化規(guī)律進行了觀察。得出結論如下：

圖6 多次滑移情況下摩擦系數(shù)Fig.6 The friction coefficient under repeatedly slips

圖7 滑移路徑對摩擦系數(shù)影響Fig.7 Influence of slip pathson friction coefficient

1）試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明，匹配澆筑混凝土接觸面初始狀態(tài)摩擦系數(shù)實測值多處于0.55~0.75之間，濕潤狀態(tài)和干燥狀態(tài)摩擦系數(shù)樣本均值分別為0.62和0.69；干燥和濕潤狀態(tài)下，混凝土摩擦系數(shù)參照相關規(guī)范分別取0.60和0.55是有一定安全裕度的；

2）不同工況摩擦系數(shù)實測數(shù)據(jù)的對比分析表明，混凝土摩擦系數(shù)大小受接觸面正應力水平（0.5~2.0 MPa）影響不明顯；

3）混凝土接觸面多次反復滑移后，摩擦系數(shù)值較初始狀態(tài)會出現(xiàn)不同程度降低，并隨著反復次數(shù)的增多，最終穩(wěn)定在一定水平；試件持續(xù)滑移下，接觸面相對位置的變化會使得摩擦系數(shù)出現(xiàn)變化，并逐漸回到初始狀態(tài)水平；

4）混凝土摩擦抗剪早期剛度接近彈性狀態(tài)，摩擦抗剪強度峰值對應的剪切面相對變形（滑移量）多處于0.02~0.2 mm之間。

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