匹配浇筑混凝土接触面摩擦系数试验研究

陈富强，田唯，刘占国，张照坤

（1.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；2.中交第二航务工程局有限公司技术中心，湖北 武汉 430040）

0 引言

节段预制拼装梁段及部分沉管隧道节段接头若采用考虑摩擦的抗剪设计理念[1-3]，必须要先对接头混凝土接触面摩擦力的产生规律进行充分研究。由于摩擦机理本身尚存在理论缺陷，从摩擦机理角度得到摩擦系数的解析值并不现实[4-5]。在实际工程中，根据工程实际需要开展针对性的试验研究，通过实验方法获得摩擦系数，是目前普遍的做法[6-7]。

最简易的摩擦系数测试方法是单摩擦面测试，可通过物体自重施加正应力，通过水平推（拉）力或自重分量使物体发生滑动，物体由静止转为滑动的临界时刻，摩擦面切向分力和法向分力的比值即为摩擦系数。该方法简单易行，测量准确，但通过试件自重施加正应力水平有限。为研究高正应力状态下物体摩擦系数，需要借助加载装置来实现，如桥梁橡胶支座检测中摩擦系数测试一般采用压剪试验机进行。

1 试验概况

1.1 方案设计

本试验采用双剪法进行摩擦系数测试（图1）。试件由3块相同尺寸的混凝土试块组成。测试时上下2块混凝土位置及混凝土试块竖向压力N不变，顶推中间试块至接触面滑动，当顶推力F达到峰值，即为混凝土块间的最大静摩擦力Fmax。由式（1）可得混凝土试块间静摩擦系数μ。通过改变竖向压力N，测试最大静摩擦系数。

图1 混凝土摩擦系数试验原理及模型示意图Fig.1 The principlesand model of concrete friction coefficient test

1.2 工况设置

针对匹配接触面工作环境不同的实际状况，重点观察几种主要因素对混凝土摩擦系数产生的影响，如接缝间正应力水平、接缝干湿状态及滑移模式等。

1） 正应力水平

传统的库仑摩擦定律认为，静摩擦系数独立于所施加的载荷，仅随接触材料的不同而变化。然而随着近代摩擦学的发展，发现库仑摩擦定律中静摩擦系数对于同种材料不变的结论与实际情况不符。表现为静摩擦系数随着法向载荷的增大而减小（摩擦力仍随正压力的增加而增加），但这一现象主要是由学者针对机械领域摩擦润滑研究中发现的。相对于金属结构，混凝土摩擦面具有应力水平低、表明粗糙度离散性大等特点，摩擦系数与应力水平间是否具有不可忽视的相关性，还有待试验观察。因此本试验对不同等级应力水平下混凝土摩擦系数进行测定。参照港珠澳大桥沉管实际状况，选取的混凝土摩擦面间正应力区间为0.5~2.0 MPa。

2） 干湿状态

相关规范中针对混凝土摩擦系数的建议值未涉及材料干湿状态而做区分。摩擦面干湿状态对摩擦系数影响如何，有待试验验证。为研究节段混凝土工作环境可能造成的摩擦系数变化，将试件分为干燥和湿润2种。其中干燥状态是指试验环境下，试件混凝土天然含水率状态，湿润环境是指将试件浸水一定时间后的饱水状态。

3） 滑移模式

抗震设计中，摩擦抗剪承载力计算须考虑反复滑移下的混凝土摩擦系数变化。在完成表1所列工况试验的基础上，通过观察特定试件、特定参数下，多次反复滑移试验结果，了解混凝土摩擦系数受滑动次数影响情况。

表1 混凝土摩擦系数测定工况表Table1 Working condition of concretefriction coefficient test

在以上工况试验基础上，通过测量试件静摩擦阶段相对微滑移，了解混凝土接触面摩擦抗剪荷载-位移特性。试验选取一组干燥试件进行，对应力工况进行了加密，测试工况如表2。

表2 混凝土摩擦力-位移特性试验工况Table 2 Test conditionsof concretefriction force and displacement characteristics

1.3 试件设计

试件结构形式如图1所示。在确定试件尺寸时，考虑了以下几个原则：

1） 接触面大小：为减小试验结果离散性干扰，摩擦接触面面积不宜过小；

2） 试件厚度：试件通过加载装置施加正应力，为保证接触面法向应力均匀性，试件厚度不宜过小；

3） 试件强度：为保证试验过程中试件完整性，宜进行必要的构造配筋；

4）试件重量：为便于试件安装，保证试验顺利进行，试件重量不宜过大。

基于以上几个方面考虑，并借鉴国内外同类试验做法，最终确定试件由3块150 mm×200 mm×500 mm的混凝土块件组成。

1.4 试验材料及设备

试验模型混凝土参照某工程岛隧工程沉管节段预制混凝土配合比制作，同时在胶材构成、骨料尺寸及外加剂方面充分考虑模型结构尺寸及功能需求。试件中构造筋采用直径为8 mm的圆钢筋（一级）。加载设备采用200 t多通道电液伺服加载系统，试块的相对水平滑移采用千分表测量，见图2、图3。

图2 加载装置Fig.2 Loading device

图3 加载及测量系统照片Fig.3 Loading and measuring system photo

2 试验结果

2.1 摩擦系数测定结果与分析

通过累计10组试件共计130次摩擦系数测定后，对样本数据的统计与观察分析发现，干燥状态下混凝土摩擦系数多处于0.55～0.75之间，湿润状态下混凝土摩擦系数多处于0.50～0.70之间。从实测数据的统计结果看，干燥状态及湿润状态下摩擦系数均值分别为0.69和0.62，对应标准偏差均为0.08，见表3。

表3 混凝土接触面初始状态摩擦系数实测值统计Table 3 Measured friction coefficient value of concrete contact surface in the initial state

从所测数据的分布规律看，湿润状态摩擦系数整体较干燥状态偏小，而不同应力水平组间结果影响因素复杂，无明显规律，摩擦系数实测值分布详见图4。

图4 摩擦系数实测值分布Fig.4 Distribution of the measured friction coefficient value

将干燥和湿润状态试件4种接触应力下的摩擦系数值排序，可得到摩擦系数值的累积频率曲线，如图5，图中横坐标μ对应的值为满足摩擦系数≥μ的数据占总样本的比例。不难看出，干燥状态和湿润状态下混凝土摩擦系数分别取值0.60和0.55是具有一定安全裕度的。

图5 实测摩擦系数超值累计频率Fig.5 Cumulative frequency of the measured friction coefficient value

2.2 反复滑移下摩擦系数测定结果分析

图6 显示为同组3块混凝土试件在匹配浇筑位置下（即相对位置X=0）往不同方向反复顶推的试验结果。从结果来看，反复滑动对试件接触面相对粗糙度的影响造成了部分试件摩擦系数出现明显降低，并在反复次数到达一定程度后趋于稳定，实测摩擦系数谷值与峰值比例为0.5左右。

试验同时表明，随着滑动位移持续增加即试件相对位置的变化，摩擦系数会逐渐回升至初始状态的水平，图7显示了试件1-7在短距离反复滑移后，进行长距离滑移所测摩擦系数变化情况。这充分表明，混凝土接触面相对位置变化历史（即滑移路径）会影响到其相对粗糙度特征，进而影响到摩擦系数值。在同一接触面相对位置下反复滑动造成摩擦系数降低后，随着滑动位移的增加即接触面相对位置的改变，摩擦系数会重新回升到新的水平。

3 结语

对不同接触应力水平及干湿状态下，匹配浇筑混凝土摩擦系数进行了试验测定，得到摩擦系数实测数据样本共计130个，并对不同应力水平下摩擦力位移特性和反复滑移下摩擦系数变化规律进行了观察。得出结论如下：

图6 多次滑移情况下摩擦系数Fig.6 The friction coefficient under repeatedly slips

图7 滑移路径对摩擦系数影响Fig.7 Influence of slip pathson friction coefficient

1）试验数据的统计分析表明，匹配浇筑混凝土接触面初始状态摩擦系数实测值多处于0.55~0.75之间，湿润状态和干燥状态摩擦系数样本均值分别为0.62和0.69；干燥和湿润状态下，混凝土摩擦系数参照相关规范分别取0.60和0.55是有一定安全裕度的；

2）不同工况摩擦系数实测数据的对比分析表明，混凝土摩擦系数大小受接触面正应力水平（0.5~2.0 MPa）影响不明显；

3）混凝土接触面多次反复滑移后，摩擦系数值较初始状态会出现不同程度降低，并随着反复次数的增多，最终稳定在一定水平；试件持续滑移下，接触面相对位置的变化会使得摩擦系数出现变化，并逐渐回到初始状态水平；

4）混凝土摩擦抗剪早期刚度接近弹性状态，摩擦抗剪强度峰值对应的剪切面相对变形（滑移量）多处于0.02~0.2 mm之间。

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