球鋼支座的摩擦副材料性能及測試方法比較

劉小方，白午龍，2，段昕智，2，何昌軒，2

（1.上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200031；2.上海城市路域生態(tài)工程技術(shù)研究中心，上海市 200031）

0 引 言

球鋼支座具有豎向極限荷載高、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、不使用橡膠等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用在各種工程中，包括大跨度空間結(jié)構(gòu)及大跨度橋等。它不僅能夠?qū)蛄荷喜拷Y(jié)構(gòu)的豎向荷載均勻地傳遞到下部結(jié)構(gòu)，還可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦副和滑動(dòng)摩擦副之間的相對位移很好地適應(yīng)梁體在不同作用下產(chǎn)生的大形變和位移。因此，摩擦副的性能對支座的影響非常重要。隨著社會(huì)對橋梁工程的需求日益提升，設(shè)計(jì)理念的不斷更新和新材料的研發(fā)與應(yīng)用，都對球鋼支座的性能和設(shè)計(jì)提出更高更細(xì)致的要求，需要科學(xué)地確定球鋼支座的性能指標(biāo)，并嚴(yán)格控制各項(xiàng)指標(biāo)的檢測方法。

1 球鋼支座的原理和特點(diǎn)

支座在橋梁工程中是必不可少的構(gòu)件之一，具有將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到下部結(jié)構(gòu)和適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)變形的作用。

球鋼支座的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要組成部分包括下支座板、上支座板、球冠襯板、轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦副、滑動(dòng)摩擦副和其他附屬構(gòu)件。

圖1 球鋼支座結(jié)構(gòu)示意圖

球型支座具有傳力可靠，各向轉(zhuǎn)動(dòng)性能一致、承載能力大、水平位移大的特點(diǎn)，并且轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小，能適應(yīng)大轉(zhuǎn)角承載噸位和構(gòu)件中不使用橡膠，能滿足低溫地區(qū)的需要且不存在橡膠老化的問題。

2 球鋼支座性能分析

根據(jù)球鋼支座的原理和特點(diǎn)，《橋梁球鋼支座》規(guī)范[1]對其性能提出以下要求：

（1）豎向荷載的承載能力；

（2）非滑移方向的水平承載力；

（3）正常工作時(shí)的環(huán)境溫度區(qū)間；

（4）正常工作時(shí)滑移方向的摩擦系數(shù)；

（5）支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

球鋼支座的豎向荷載的承載能力，直接取決于球鋼支座的摩擦副材料的抗壓能力[2]。上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載施加到上支座板，通過摩擦副、球冠襯板和下支座板，最終傳遞到下部結(jié)構(gòu)。這其中除了摩擦副以外都是鋼構(gòu)件，抗壓強(qiáng)度高。因此，通常球鋼支座中的摩擦副的抗壓強(qiáng)度決定了整個(gè)支座的抗壓強(qiáng)度。

由于支座工作時(shí)是通過平面摩擦副的相對位移來適應(yīng)變形，因此正常工作時(shí)滑移方向的摩擦系數(shù)即為平面摩擦副的摩擦系數(shù)。

如圖2所示，支座的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩

圖2 球鋼支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩

式中：N為支座豎向設(shè)計(jì)荷載；μ為中間鋼襯板和球面滑板摩擦系數(shù)；R為中間鋼襯板球面半徑。

由式（1）可知，支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩只與這三個(gè)參數(shù)有關(guān)。當(dāng)豎向荷載和支座尺寸一定時(shí)，摩擦副間的摩擦系數(shù)越小，支座的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩就越小。

可見，摩擦副材料的抗壓能力和摩擦系數(shù)直接決定了一定尺寸條件下支座的豎向荷載承載力、滑移方向的摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩。因此，摩擦副的抗壓能力和摩擦系數(shù)是兩項(xiàng)關(guān)鍵的性能指標(biāo)，需要對其進(jìn)行科學(xué)測試和嚴(yán)格檢測。

3 摩擦副材料的應(yīng)用發(fā)展

目前常用的橋梁支座摩擦副材料主要包括三大類：聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯和其他工程塑料。

3.1 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯（PTFE）具有摩擦系數(shù)低、自潤滑性能、耐老化性能優(yōu)異等特點(diǎn)，1959年聚四氟乙烯橋梁支座在德國研制成功，這是聚四氟乙烯材料首次在橋梁支座中應(yīng)用。自20世紀(jì)70年代以來，我國在相關(guān)支座標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了聚四氟乙烯滑板的性能要求，并在板式橡膠支座、盆式橡膠支座等公路和鐵路橋梁支座中大量應(yīng)用。純聚四氟乙烯雖然具有良好的摩擦與磨耗性能，但其耐蠕變性能較差，在高應(yīng)力下磨損率較大，為此國內(nèi)外開始進(jìn)行填充聚四氟乙烯材料的研制開發(fā)[3]，主要通過表面改性、填充改性、共混改性等方法，改善PTFE自身缺陷，提高其性能。

目前填充改性的PTFE制品所用的填料品種非常多，大致可分為金屬填料，無機(jī)物填料、有機(jī)物填料和納米材料。

例如，張招柱等人[4]對MoS2、CuS、PbS及石墨（添加量均為30vol%）填充的聚四氟乙烯復(fù)合材料在干摩擦條件下與GCr15軸承鋼對摩時(shí)的摩擦磨損性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，填料均改善了PTFE復(fù)合材料的耐磨性，使其磨損量與純PTFE相比大大降低。

王立虎等人[5]制備了用于高鐵橋梁支座滑板的石墨烯（Go）和碳纖維（CF）填充聚PTFE復(fù)合材料，并對其力學(xué)性能、微觀組織及摩擦學(xué)特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，適量Go和CF的填充能大大改善PTFE的力學(xué)性能和摩擦磨損性能。

3.2 超高分子量聚乙烯

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一種具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性工程塑料，具有物理力學(xué)性能好、耐磨損[6]（如圖3所示）、自潤滑、耐腐蝕、耐老化等優(yōu)點(diǎn)，但由于其過高的相對分子質(zhì)量，UHMWPE的熔體流動(dòng)速率非常低，黏度大且熔點(diǎn)高，致使其很難被加工成型。除此之外，UHMWPE的表面硬度、抗蠕變性和彎曲強(qiáng)度等不及其它工程塑料，導(dǎo)致其使用效果和應(yīng)用范圍受到限制。

圖3 超高分子量聚乙烯與其他材料的耐磨性比較

改性超高分子量聚乙烯是在超高分子量聚乙烯基礎(chǔ)上經(jīng)過共混復(fù)合改性或交聯(lián)的方式，提高其抗蠕變性能、表面硬度及摩擦磨損性能而獲得的。

胡平等人[7]使用三氧化二鋁、二氧化硅、碳黑、玻璃微珠作為填料填充UHMPWE材料，發(fā)現(xiàn)填充后的UHMWPE材料的面硬度、熱變形溫度及耐磨性有所提高，特別是使用玻璃微珠填料改性的UHMWPE耐磨性可比純UHMWPE提高約40%。

陳霧等人[8]將多壁碳納米管（MWNTs）以不同濃度與UHMWPE粉料共混，通過熱模壓成型的方法制備MWNTs/UHMWPE復(fù)合材料。通過摩擦磨損試驗(yàn)系統(tǒng)研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)MWNTs對UHMWPE復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著MWNTs含量的增加，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)的變化并不顯著；當(dāng)MWNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，復(fù)合材料表現(xiàn)出較小的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的抗磨性能。

3.3 其他工程塑料

隨著橋梁工程的發(fā)展，對支座的需求不斷增大，支座摩擦副的材料也逐漸趨向多樣化。除了上述的材料，常作為橋梁支座摩擦副材料的其他工程塑料還包括尼龍、聚己二酸乙二醇酯、聚己二酸丁二醇酯等。這些材料具有硬度高、強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng)、耐熱性優(yōu)異、耐磨性好等特點(diǎn)，可用于減隔震支座用耐熱滑板、轉(zhuǎn)體球鉸用耐磨板等。這些工程塑料均具有較好的摩擦性能，但與聚四氟乙烯和改性超高分子量聚乙烯相比，其耐老化性能、吸水性、自潤滑性能相對稍差，還有待進(jìn)行深入的改進(jìn)研究[3]。

4 摩擦副材料性能指標(biāo)測試方法

針對摩擦副的抗壓性能和摩擦系數(shù)，不同的國家有不同的性能指標(biāo)和測試方法。

我國在《橋梁支座用高分子材料滑板》規(guī)范（后文簡稱《規(guī)范》）中[9]，針對摩擦副材料的多項(xiàng)性能制定了詳細(xì)的指標(biāo)，例如拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、荷載壓縮變形等，并且給出了系統(tǒng)的測試方案。

英國結(jié)構(gòu)支座標(biāo)準(zhǔn)《BSEN1337-2》[10]中同樣對摩擦副的摩擦系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、耐磨性等性能指標(biāo)提出了要求和測試方法。但即使是針對同一性能指標(biāo)，各國采用的測試方法也有所區(qū)別。

4.1 抗壓強(qiáng)度

《規(guī)范》中針對摩擦副的抗壓能力的性能指標(biāo)是在規(guī)定壓應(yīng)力、規(guī)定的試驗(yàn)溫度范圍和持荷時(shí)間下，滑板的壓縮變形量。

英國標(biāo)準(zhǔn)《BSEN1337-2》中針對常用的摩擦副材料的抗壓強(qiáng)度提出了規(guī)定，例如恒載或動(dòng)載作用下的PTFE（聚四氟乙烯滑板）都應(yīng)具有抗壓強(qiáng)度fk=90MPa。

在《EuropeAssessmentDocument050004-00-0301》（后文簡稱EAD）[11]中給出摩擦副材料的抗壓強(qiáng)度測試方法。具體為持續(xù)作用規(guī)定的荷載p=fk，超過48h之后，試樣的厚度每小時(shí)變化量小于滑板厚度的0.5‰，即為符合要求。并且給出了荷載作用下的變形的測試方法，測量在空載條件下的試件厚度初始值h0與加載后的終值hr之間的差異的測量特性值Δh，并根據(jù)《EN1990》[12]附件D試驗(yàn)輔助設(shè)計(jì)，進(jìn)行評估。

以UHMWPE為例，具體的測試參數(shù)見表1。

表1 國內(nèi)外荷載變形測試條件比較

4.2 摩擦系數(shù)

《規(guī)范》中針對摩擦副材料的摩擦系數(shù)的性能指標(biāo)測試方法為雙剪試驗(yàn)方式。在規(guī)定壓應(yīng)力下，使用該方法測試不同試驗(yàn)溫度條件時(shí)的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)。

英國標(biāo)準(zhǔn)《BSEN1337-2》[10]中摩擦性能的測試步驟為使用壓力試驗(yàn)機(jī)、試樣以及一組滾軸，測量在垂直載荷下引起和保持試樣運(yùn)動(dòng)的必要摩擦力。

以UHMWPE為例，具體的測試參數(shù)見表2。

表2 國內(nèi)外摩擦系數(shù)測試條件比較

5 結(jié) 語

球鋼支座因具有良好的轉(zhuǎn)動(dòng)性能等優(yōu)點(diǎn)，在工程項(xiàng)目中得到了越來越廣泛地運(yùn)用，特別是在嚴(yán)寒、沿海地區(qū)，橡膠易老化、易被腐蝕，球鋼支座具有顯著的優(yōu)勢和重要的地位。為了進(jìn)一步提高球鋼支座的性能，開發(fā)球鋼支座的潛力，拓寬球鋼支座的應(yīng)用前景，我們需要采用新型高性能摩擦副材料。因此，為了保證支座的正常工作，可參考各國的規(guī)范，對新型材料的性能進(jìn)行嚴(yán)格地測試。但是目前規(guī)范還不夠全面，新材料在測試中還需要進(jìn)一步摸索，在試驗(yàn)中積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)我國高性能球鋼支座的進(jìn)一步發(fā)展。