支座摩擦系數(shù)測試試驗研究

謝軍，丁智霞

（1.江蘇科迪建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，江蘇 南京 210096；2.東南大學土木工程學院，江蘇 南京 210096）

1 試驗簡介

該體育場鋼結(jié)構(gòu)工程下部為鋼勁性柱、 鋼骨梁等；上部為罩棚結(jié)構(gòu)。 罩棚結(jié)構(gòu)為主結(jié)構(gòu)，包含主拱、徑向桁架、側(cè)向桁架、背拱等，均為管桁架。主拱拱腳設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉索。 罩棚結(jié)構(gòu)最高點為上罩棚49.3 m，下罩棚最高點為43.5 m，主拱最高點為43 m，主拱跨度280.7 m。其結(jié)構(gòu)采用四邊形鋼管桁架拱及平面主次桁架體系。 拱外側(cè)懸挑的上下罩棚以及拱與剪力墻之間的屋蓋采用平面主次桁架，桁架之間設(shè)置斜向撐桿，在屋蓋端部設(shè)置環(huán)向桁架背拱。 對上部罩棚結(jié)構(gòu)的主拱下滑移支座進行自重工況下摩擦系數(shù)試驗， 對主拱預(yù)應(yīng)力張拉提供技術(shù)數(shù)據(jù)（圖1）。

圖1 體育場效果圖

2 測試方案

2.1 試驗原理

本試驗參考《公路橋梁板式橡膠支座》(JT/T 4-2004）A.4.5方法及原理，用以實測滑移支座在自重作用下滑動面的綜合摩擦系數(shù)，為靜摩擦系數(shù)。 在固定支座兩側(cè)安裝反力架；拉拔儀通過反力架給滑移支座提供水平推力，在拉拔儀與滑移支座之間安裝壓力傳感器， 采集支座出現(xiàn)滑移瞬間的水平推力。 摩擦系數(shù)計算公式：

式中：μf— 滑動支座與固定支座之間的綜合摩擦系數(shù)，精確至0.01；

H— 接觸面發(fā)生滑動時的水平力(kN)；

G— 滑動支座自重及附加配重之和(kN)；

試驗過程應(yīng)連續(xù)進行三次，取三次結(jié)果的算術(shù)平均值。

2.2 技術(shù)方案

主拱滑移支座現(xiàn)場摩擦系數(shù)試驗裝置主要由拉拔儀、壓力傳感器及反力架組成。

試驗方法：在固定支座兩側(cè)安裝反力架，拉拔儀通過反力架給滑移支座提供水平推力，在拉拔儀與滑移支座之間安裝壓力傳感器，采集支座出現(xiàn)滑移瞬間的水平推力，如圖2所示。

圖2 試驗方案示意圖

3 測試步驟

（1）試驗分兩組進行，分別為南端和北端下滑移支座摩擦系數(shù)試驗，首先進行南端試驗。

（2）試驗前，現(xiàn)場工作人員對下滑移支座用千斤頂來回左右推動三次，減小外界的摩擦影響因素。

（3）試驗人員按試驗要求安置好試驗儀器和裝備， 通過拉拔儀對下滑移支座施加緩慢施加壓力，經(jīng)過傳感器采集力值反饋到電腦上。

（4）通過軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析，在判定為滑動的情況下繼續(xù)施加力，直到下滑移支座連續(xù)滑動，待穩(wěn)定滑移后，一次試驗結(jié)束。

（5）一次滑動試驗結(jié)束后，現(xiàn)場工作人員再用千斤頂將移動后的下滑移支座頂回到初始位置，試驗人員重復(fù)2、3步驟進行試驗，如此重復(fù)三次試驗，得到數(shù)據(jù)。

（6）重復(fù)試驗步驟（2）~（5），進行北端下滑移支座摩擦系數(shù)試驗，得到數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束。

4 數(shù)據(jù)處理

圖3、4、5為南端上下滑移支座（自重260 kN）摩擦系數(shù)試驗的數(shù)據(jù)，在圖3中，滑移支座滑移的力值分別為6.69 kN、6.72 kN、6.69 kN。 平均值為6.70 kN，摩擦系數(shù)為0.026。圖4中下滑移支座滑動的力值分別為7.25 kN、7.68 kN、7.65 kN，平均值為7.53 kN，其摩擦系數(shù)為0.029。 圖5中滑動的力值分別為6.73 kN、6.70 kN、6.80 kN，平均值為6.74 kN，其摩擦系數(shù)為0.026。 取三次滑移試驗的摩擦系數(shù)的平均值作為南端下滑移支座的摩擦系數(shù)，其值為0.027。

圖3 南端上下滑移支座（自重260 kN）摩擦系數(shù)試驗

圖4 南端下滑移支座（自重260 kN）摩擦系數(shù)試驗

圖5 南端上下滑移支座（自重260 kN）摩擦系數(shù)試驗

圖6、7、8為南端上下滑移支座（自重549.5 kN）摩擦系數(shù)試驗的數(shù)據(jù)，在圖6中，滑移支座滑移的力值分別為16.11 kN、15.59 kN、15.79 kN， 平均值為15.83 kN，摩擦系數(shù)為0.029。圖7中下滑移支座滑動的力值分別為16.92 kN、15.41 kN、15.22 kN， 平均值為15.85 kN，摩擦系數(shù)為0.029。圖8中滑動的力值分別為17.42 kN、15.41 kN、15.70 kN， 平均值為16.18 kN，摩擦系數(shù)為0.029。 取三次滑移試驗的摩擦系數(shù)的平均值作為南端下滑移支座的摩擦系數(shù)，其值為0.029。

圖6 南端上下滑移支座（自重549.5 kN）摩擦系數(shù)試驗

5 試驗室摩擦系數(shù)測定

采用相同試驗原理在試驗室進行支座摩擦系數(shù)的測定。

圖7 南端上下滑移支座（自重549.5 kN）摩擦系數(shù)試驗

圖8 南端上下滑移支座（自重549.5 kN）摩擦系數(shù)試驗

5.1 試驗步驟

（1） 將四氟滑板與不銹鋼板試樣按規(guī)定擺放，對準試驗機承載板中心位置， 精度應(yīng)小于1%的試件短邊尺寸。試驗時將四氟滑板試樣的儲油罐內(nèi)注滿5201-2硅脂油；

（2）將壓應(yīng)力以（0.03~0.04） MPa/s的速率連續(xù)地增至平均壓應(yīng)力，繪制應(yīng)力-時間曲線，并在整個摩擦系數(shù)試驗過程中保持不變。 其預(yù)壓時間為1 h；

（3）以（0.02~0.03） MPa/s的速率連續(xù)施加水平力，直至不銹鋼板與四氟滑板試樣接觸面間發(fā)生滑動為止，記錄此時的水平剪應(yīng)力座位初始值。 試驗過程應(yīng)連續(xù)進行三次。

5.2 數(shù)據(jù)處理

摩擦系數(shù)應(yīng)按下列公式計算，并取三次試驗結(jié)果的算術(shù)平均值：

式中：μf—四氟滑板與不銹鋼表面的摩擦系數(shù)，精確至0.01；

τ—接觸面發(fā)生滑動時的平均剪應(yīng)力，MPa；

σ—支座平均壓應(yīng)力，MPa；

H—支座承受的最大水平力，kN；

R—支座承受的最大水平力，kN；

A0—支座有效承壓面積，mm2。

試驗室所得支座摩擦系數(shù)三次平均值為0.001。

6 結(jié)論

現(xiàn)場測試所得摩擦系數(shù)0.027和0.029均比試驗室測出數(shù)值0.001大接近20多倍。 出現(xiàn)此工況，分析其原因主要有以下幾點：

（1） 試驗室所做試驗中接觸摩擦面為水平面，而現(xiàn)場測試中支座有57°的傾角存在， 實際工況為偏心受壓的局部接觸面，非平面受壓，從而引起摩擦系數(shù)增大；

（2）現(xiàn)場測試中由于溫度、濕度接觸面的清潔面等均均無法達到實驗室的狀態(tài)，同時雨水滲入支座后有可能使接觸面產(chǎn)生粘滯力，導致摩擦系數(shù)偏大。

（3）現(xiàn)場反應(yīng)是滑移支座自重工況下實際的靜摩擦系數(shù)， 實際作用點為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的作用位置，試驗室反應(yīng)的主要偏向于四氟板本身的材性摩擦系數(shù)，試驗力作用位置較理想，所以試驗室數(shù)據(jù)比現(xiàn)場數(shù)據(jù)要小很多。

基于以上分析，我們在工程設(shè)計時對于滑移支座試驗室分析僅為參考，最終所要用的滑移支座摩擦系數(shù)要以現(xiàn)場實際工況試驗數(shù)據(jù)為準，否則可能會出現(xiàn)嚴重理論與實際的偏差， 進而導致工程事故。