碳纤维主缆鞍座处抗滑移试验

诸葛萍，强士中，任伟平，刘明虎

1)西南交通大学土木学院，成都610031;2)中交公路规划设计院有限公司，北京100010

碳纤维增强复合材料 (carbon fiber reinforced plastic，CFRP)具有抗拉强度高、密度小、耐腐蚀、疲劳性能优异、减振性能好及热膨胀系数低等优点，被认为是代替高强钢丝应用于大跨径悬索桥主缆的较好选择.在主缆鞍座抗滑移性能方面，Takena等［1］对鞍座表面分别涂以无机富锌漆和镀锌后主缆鞍座界面摩擦系数进行了实测，分别为0.31和0.60;Hasegawa 等［2］对钢主缆与配有摩擦板的鞍座间的摩阻力进行了研究，提出了配有摩擦板鞍座的设计总摩擦系数计算式;文献［3］对泰州长江公路大桥主缆与中主鞍座间的抗滑移性能进行了试验研究，测得多股钢主缆与鞍座界面的摩擦系数为0.53，单股钢主缆与鞍座界面的摩擦系数实测值为0.34.在CFRP丝摩擦学性能方面，Al-Mayah等［4］对CFRP筋-铝 (铜)套管界面间的滑移机制进行了研究，极限状态下CFRP筋-套管界面的剪应力与界面压力呈线性关系;Giltrow等［5］试验结果表明，CFRP材料种类与接触金属材质对摩擦性能影响很大.上述研究主要就钢主缆鞍座间抗滑移性能及CFRP材料的摩擦学性能进行研究，而CFRP主缆鞍座处的抗滑移性能有待分析.本研究对CFRP丝鞍座界面的摩擦系数进行了试验实测，结合实桥应用，分析了不同活载作用下CFRP主缆在鞍座处的抗滑移性能.

1 CFRP主缆鞍座界面摩擦系数

1.1 摩擦系数与压力无关

若CFRP丝-鞍座间的摩擦系数与界面压力无关，则可结合欧拉公式进行摩擦系数试验实测，

其中，T1和T2分别为主缆紧边拉力和主缆松边拉力，可直接通过试验测得;θ为主缆在鞍槽上的包角，如图1.悬索桥钢主缆鞍座界面摩擦系数的试验通常采用式 (1)作为理论依据.

图1 CFRP丝鞍座受力模型Fig.1 Analytical model of CFRP wire-saddle

1.2 摩擦系数与压力呈线性关系

由文献［6-7］可知，材料的摩擦系数可能随界面压力的变化而变化，CFRP-钢材界面可能存在此种情况，需通过材料摩擦学试验加以确定.假设p－μ曲线呈线性变化，

其中，p为CFRP丝表面压力;a和b为常系数，通过试验测得.沿圆弧方向取一微段，如图1，可得

其中，R为鞍座半径;T为CFRP丝轴向拉力.

由式 (3)可知，界面压力只与CFRP丝相应截面处的拉力有关，而CFRP丝截面拉力沿鞍槽可认为呈线性分布，则CFRP丝表面压力沿鞍座也呈线性分布.

根据式 (3)，A、B点处的CFRP丝表面压力p1、p2分别为p1=T1/R，p2=T2/R(如图1).则CFRP丝-鞍座间的摩擦系数为

其中，T2为滑动临界状态CFRP丝松边拉力;T1为滑动临界状态CFRP丝紧边拉力，两者均实测获得.模型试验需按照界面压力与实桥一致的原则进行.

根据CFRP丝-钢摩擦性能试验结果，可选取上述两种计算理论之一作为CFRP主缆-鞍座抗滑移试验的理论依据.

2 CFRP丝-钢摩擦性能试验

2.1 试验安装

试验模型如图2.CFRP丝采用表1中表面形式为微压纹的CFRP丝.为模拟界面接触形式 (线接触)，试验模型中钢夹块孔径远大于CFRP丝.常规悬索桥鞍槽表面的设计粗糙度通常为6.3 μm.为使钢夹块相应界面的粗糙度与鞍槽一致，对钢夹块界面作了喷砂处理，设计粗糙度为6.3 μm，喷砂后实测粗糙度为6.2 μm，钢夹块的材质为45号钢.为避免界面杂质对试验结果的影响，用丙酮对CFRP丝表面和钢夹块内槽面进行清洗.CFRP丝张拉端用CFRP丝夹片式锚具进行锚固.

由图2可知，CFRP丝表面压力由立式千斤顶提供，施加压力的大小由安装在钢夹块上方的压力传感器控制，拉力由穿心式千斤顶施加，张拉时CFRP丝的拉力和滑移量分别由安装在张拉端的压力传感器和试件末端的位移传感器测得.

图2 CFRP丝-钢摩擦试验模型Fig.2 Test model of CFRP wire-steel

表1 CFRP丝材料特性Table1 Material Properties of CFRP wire

2.2 摩擦系数试验实测

试验开始后，对每一级荷载对应的CFRP丝滑移量和张拉力进行测量并记录.随着拉力增加，CFRP丝滑移量逐渐变大，但滑移能趋于稳定，当滑移幅度明显变大且趋于滑脱时，对应拉力即为CFRP丝开始滑脱时的极限拉力，将此时测得的拉力和压力值代入μ=T/(2N)可算得CFRP丝-钢的摩擦系数，其中，T为CFRP丝极限拉力，N为钢夹块表面压力.

试验设置了3组试件，设计界面线压力分别为0.73、1.09 和 2.18 kN/mm.实测结果见表 2，摩擦系数平均值为0.314.由表2可知，CFRP丝-钢界面摩擦系数几乎不随压力的变化而变化，可认为CFRP丝-钢界面的摩擦系数与压力大小无关.由此可见，CFRP主缆-鞍座抗滑移试验可结合式(1)对CFRP主缆鞍座界面的摩擦系数进行实测.

表2 CFRP丝-钢夹块摩擦系数Table 2 Frictional coefficient of CFRP-steel

3 CFRP主缆-鞍座抗滑移试验

3.1 试验模型

对单根CFRP丝进行试验可了解CFRP主缆在鞍座处的抗滑移性能，试验模型如图3.影响界面抗滑移性能的因素有鞍座材质、CFRP丝材质及其表面粗糙度，因此，模型设计和加工应与实桥一致.模型中模拟鞍座鞍槽的弧形构件由方钢加工而成，为模拟实桥鞍槽表面粗糙度，对方钢表面作喷砂处理，设计粗糙度为6.3 μm，喷砂后实测粗糙度为5.6 μm，鞍座半径为2 m.CFRP丝两端锚具采用夹片式锚具，其锚固效率超过95%，能对CFRP丝进行可靠锚固.

CFRP丝张拉端 (A端)的拉力由穿心式千斤顶施加，A、B端的拉力T1和T2由压力传感器测得，由式 (1)可得CFRP丝-鞍座界面摩擦系数.为保证整个实验装置的可靠性，通过位移传感器对钢梁和台座在受力状态下的滑移情况进行监测.

图3 试验模型Fig.3 Test model

3.2 试验工况及加载设计

为研究CFRP丝表面形式对摩擦系数的影响，采用光圆和微压纹两种CFRP丝作为试验材料，均采用拉挤成型工艺生产，是目前应用较多的两种CFRP筋材［8］.大跨悬索桥主缆在桥塔鞍座上的包角约为42°，因此，试验设置了36°、42°和54°三种包角.对两种CFRP丝在3种包角时的摩擦系数分别进行实测.

表2表明，CFRP丝钢材界面的摩擦系数与界面压力无关，因此，在测试CFRP丝-鞍座界面摩擦系数时，界面压力大小不需与实桥中恒载引起的鞍座处CFRP丝表面压力一致.加载开始后，对各级荷载对应的两端拉力进行实测，其数据均可用于计算摩擦系数.每级荷载对应的荷载增量为5%Fcu，Fcu为CFRP单丝极限抗拉设计值.每加一级后进行持荷，待各仪器读数稳定后记录各数据.

日本JSCE-E 531-1995对CFRP筋的加载速度建议为100～500 MPa/min［9］，参考此技术规程，本试验的设计加载速度为200 MPa/min，通过压力传感器数据采集仪对加载速度进行控制.

3.3 试验结果及分析

为了解试验装置的可靠性，试验过程中对台座及钢梁受力时的滑移情况进行了监测，结果表明试验台座是安全可靠的.两种CFRP丝A、B端对应拉力T1－T2关系曲线如图4和图5(各含3个工况)，将曲线上各数据点代入式(1)可得相应的摩擦系数，结果见表3.表3表明，CFRP丝表面形式对摩擦系数影响较大，微压纹CFRP丝摩擦系数明显大于光圆CFRP丝，平均值达到0.496.本试验模型无侧向力作用，而实桥中鞍座对主缆施加了较大的侧向压力，因此，实桥对应的CFRP主缆-鞍座界面摩擦系数将大于本试验结果.文献 ［10］对泰州公路过江通道三塔悬索桥的主缆抗滑移试验研究结果表明，无侧压时单股钢主缆-鞍座界面摩擦系数平均值为0.340，此数值对应的抗滑移安全系数较高，说明CFRP主缆在鞍座处的抗滑移性能优良.由图4和图5可知，A、B端拉力呈线性关系，说明各级荷载对应的摩擦系数数值稳定，试验结果可靠，进一步验证了CFRP丝-钢材界面的摩擦系数与压力无关.

表3 CFRP丝摩擦系数实测结果Table 3 Test results of frictional coefficient

图4 微压纹丝T1-T2关系曲线Fig.4 T1-T2curve of spirally indented wire

图5 光圆丝T1-T2关系曲线Fig.5 T1-T2curve of Sleek wire

3.4 实桥CFRP主缆-鞍座处稳定性分析

悬索桥跨度越大，活载引起的主缆拉力占主缆全部拉力的比值就越小.鞍座处CFRP主缆不同拉力比时抗滑稳定安全系数K的计算结果见表4.K=μt/μc= θμt/lnSb，其中，μt为模型试验实测摩擦系数;μc=lnSb/θ为实桥抗滑移临界摩擦系数;Sb为CFRP主缆在鞍座两端的拉力比设计值;Sb=Fct/Fcl，Fct和Fcl分别为CFRP主缆紧边拉力和松边拉力;θ为主缆包角.

表4 鞍座处CFRP主缆不同拉力比时抗滑稳定安全系数Table 4 Anti-slip safety factor under different tensile ratio of cable at two end of saddle

对于大跨度悬索桥，Sb通常在1.02～1.08，对应的微压纹CFRP主缆在鞍座处的抗滑移安全系数超过4.7，若CFRP主缆在鞍座处的抗滑移安全系数为3，则Sb可达1.13，说明大跨悬索桥CFRP主缆在鞍座处抗滑移性能良好.另外，实桥中鞍座对主缆还施加了较大的侧向压力，因此，CFRP主缆实际抗滑稳定安全系数将会更大.

结 语

综上研究可知:①CFRP主缆-鞍座界面摩擦系数与界面压力无关;②CFRR主缆鞍座处抗滑移性能优良，微压纹CFRP丝单丝摩擦系数将超过0.496;③CFRP丝表面形式对摩擦系数影响较大，较粗糙的CFRP丝其鞍座处抗滑移性能较好;④悬索桥CFRP主缆鞍座处抗滑稳定安全系数K较高，当鞍座两侧主缆轴向拉力比在 1.02～1.08时，CFRP主缆的K值超过4.7.

［1］ Takena K，Sasaki M，Hata K，等.悬索桥主缆鞍座处抗滑移性能 ［J］.结构工程，1992，118(2):377-391.(英文版)

［2］ Hasegawa K，Kojima H，Sasaki M，等.悬索桥主缆与配有摩擦板的鞍座之间的摩阻力 ［J］.结构工程，1995，121(1):1-14.(英文版)

［3］ 西南交通大学土木工程学院.泰州长江公路大桥主缆与中主鞍座间抗滑移试验报告 ［R］.成都:西南交通大学，2006.

［4］ Al-Mayah A，Soudki K，Plumtree A.碳纤维复合材料与金属夹板接触界面的作用行为［J］.组合结构，2005，9(4):289-295.(英文版)

［5］ Giltrow J P，Lancaster J K.碳纤维增强复合材料界面的摩擦磨损行为 ［J］.摩擦学，1970，16(5)，359-374.(英文版)

［6］ 刘 强，曾燮榕，谢盛辉，等.Gr/Al-0.7Si-1.2Mg复合材料制备及摩擦性能研究［J］.深圳大学学报理工版，2007，24(2):166-171.

［7］ 夏荣海，朱家玮.欧拉公式的修正及其在摩擦提升摩擦系数测定上的应用［J］.中国矿业学院学报，1983(3):44-51.

［8］ 陈小兵.高性能纤维复合材料土木工程应用技术指南［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009:34-35.

［9］ JSCE-E 531-1995.碳纤维复合材料张拉性能测试方法［S］.(英文版)

［10］ 吉 林，陈 策，冯兆祥.三塔悬索桥中塔主缆与鞍座间抗滑移试验研究 ［J］.公路，2007(6):1-5.