匹配澆筑混凝土接觸面摩擦系數試驗研究

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

節段預制拼裝梁段及部分沉管隧道節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生規律進行充分研究。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的解析值并不現實[4-5]。在實際工程中，根據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，是目前普遍的做法[6-7]。

最簡易的摩擦系數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。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下物體摩擦系數，需要借助加載裝置來實現，如橋梁橡膠支座檢測中摩擦系數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μ。通過改變豎向壓力N，測試最大靜摩擦系數。

圖1 混凝土摩擦系數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產生的影響，如接縫間正應力水平、接縫干濕狀態及滑移模式等。

1） 正應力水平

傳統的庫侖摩擦定律認為，靜摩擦系數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展，發現庫侖摩擦定律中靜摩擦系數對于同種材料不變的結論與實際情況不符。表現為靜摩擦系數隨著法向載荷的增大而減小（摩擦力仍隨正壓力的增加而增加），但這一現象主要是由學者針對機械領域摩擦潤滑研究中發現的。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間為0.5~2.0 MPa。

2） 干濕狀態

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

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、特定參數下，多次反復滑移試驗結果，了解混凝土摩擦系數受滑動次數影響情況。

表1 混凝土摩擦系數測定工況表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?。?/p>

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，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 加載及測量系統照片Fig.3 Loading and measuring system photo

2 試驗結果

2.1 摩擦系數測定結果與分析

通過累計10組試件共計130次摩擦系數測定后，對樣本數據的統計與觀察分析發現，干燥狀態下混凝土摩擦系數多處于0.55～0.75之間，濕潤狀態下混凝土摩擦系數多處于0.50～0.70之間。從實測數據的統計結果看，干燥狀態及濕潤狀態下摩擦系數均值分別為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摩擦系數實測值統計Table 3 Measured friction coefficient value of concrete contact surface in the initial state

從所測數據的分布規律看，濕潤狀態摩擦系數整體較干燥狀態偏小，而不同應力水平組間結果影響因素復雜，無明顯規律，摩擦系數實測值分布詳見圖4。

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

將干燥和濕潤狀態試件4種接觸應力下的摩擦系數值排序，可得到摩擦系數值的累積頻率曲線，如圖5，圖中橫坐標μ對應的值為滿足摩擦系數≥μ的數據占總樣本的比例。不難看出，干燥狀態和濕潤狀態下混凝土摩擦系數分別取值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出現明顯降低，并在反復次數到達一定程度后趨于穩定，實測摩擦系數谷值與峰值比例為0.5左右。

試驗同時表明，隨著滑動位移持續增加即試件相對位置的變化，摩擦系數會逐漸回升至初始狀態的水平，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值。在同一接觸面相對位置下反復滑動造成摩擦系數降低后，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下，匹配澆筑混凝土摩擦系數進行了試驗測定，得到摩擦系數實測數據樣本共計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變化規律進行了觀察。得出結論如下：

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

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

1）試驗數據的統計分析表明，匹配澆筑混凝土接觸面初始狀態摩擦系數實測值多處于0.55~0.75之間，濕潤狀態和干燥狀態摩擦系數樣本均值分別為0.62和0.69；干燥和濕潤狀態下，混凝土摩擦系數參照相關規范分別取0.60和0.55是有一定安全裕度的；

2）不同工況摩擦系數實測數據的對比分析表明，混凝土摩擦系數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，摩擦系數值較初始狀態會出現不同程度降低，并隨著反復次數的增多，最終穩定在一定水平；試件持續滑移下，接觸面相對位置的變化會使得摩擦系數出現變化，并逐漸回到初始狀態水平；

4）混凝土摩擦抗剪早期剛度接近彈性狀態，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。

[1] Guide specifications for design and construction of segmental concrete bridges[M].2nd ed.Washington DC:American Association of State Highway and Transportation Officials,1999.

[2] MNL 120-04,PCI design handbook-precast and prestressed concrete[S].

[3] BS-EN 1990:2002,Eurocode-basisof structural design(2002)[S].

[4] 韓雪英，王影．摩擦的產生機理與分類[J]．東北電力大學學報，2010，30（4）：79-83.HANXue-ying,WANGYing.Thereason and classification of friction[J].Journal of Northeast Dianli University,2010,30(4):79-83.

[5] 劉大為．物體非臨界摩擦力本構關系[J]．工程力學，1999，16（1）：94-97.LIU Da-wei.Constitutive relation of bodies about non-critical static friction[J].Engineering Mechanics,1999,16(1):94-97.

[6] 王懷智，馬震岳，王剛.混凝土重力壩壩體裂縫摩擦系數影響研究[J].大壩與安全，2010（3）：10-13.WANGHuai-zhi,MA Zhen-yue,WANGGang.Study on theinfluence of frictional coefficient of cracks at concrete gravity dams[J].Dam&Safety,2010(3)：10-13.

[7] 朱冠美,李家正，王迎春.丹江口大壩后期加高工程現場原位抗剪試驗研究[J]．長江科學院院報，1999，16（3）：21-24.ZHU Guan-mei,LIJia-zheng,WANGYing-chun.Study on field shear test of late heightening project of Danjiangkou Dam[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,1999,16(3):21-24.