CN106568706B - 一种桥梁及建筑隔震装置用滑动材料摩擦性能评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于结构工程减隔震技术领域，并公开了一种桥梁及建筑隔震装置用滑动材料摩擦性能评定方法，包括以下步骤：S1：获得被评定材料的初始参数；S2：检测被评定材料的竖向承压性能；S3：检测非地震条件下的最大水平摩擦力；S4：进行摩擦特性试验；S5：进行长程摩擦试验。本发明在摩擦试验进行前增加了竖向承压试验，首先判定被评定材料的承压能力是否满足设计要求，可有效缩短评定周期，提高检测效率；并且还考虑了承载压力、运动速率及温度对摩擦系数的影响，同时对长距离摩擦系数的稳定性进行了监测；这些检测结果使得对被评定材料的摩擦性能的评价更为全面，为桥梁及建筑隔震装置用滑动材料的开发选型提供了科学可靠的评价途径。

Description

一种桥梁及建筑隔震装置用滑动材料摩擦性能评定方法

技术领域

本发明属于结构工程减隔震技术领域，更具体地，涉及一种滑动材料摩擦性能评定方法。

背景技术

随着我国结构工程减隔震技术研究水平的不断提高，隔震装置在房屋建筑和桥梁工程上的应用也越来越多。

大多数的隔震装置都是采用摩擦滑移的方式将地震或者其他振动能量转化为热能而耗散掉。其中，滑动材料是隔震装置发生摩擦滑移的核心元件，其摩擦性能直接决定了隔震装置的减震效果。目前，国内仅有的几种滑动材料都是沿用欧美国家的技术选型，并且国内现行的一些检测标准也都是基于这几种特定的滑动材料的例行检验，主要根据以下两个指标进行摩擦性能的评定：

1)初始静摩擦力：在给定的竖向载荷下，输入特定位移和速率的三角波或斜波，使碟形被评定试样和滑动钢板发生相对运动，测得运动起始阶段的静摩擦系数；

2)线磨耗率：在给定的竖向载荷下，输入特定位移和速率的简谐波，使碟形被评定试样和滑动钢板发生相对运动，达到规定的滑动距离后，根据试验前后被评定试样质量的变化计算出平均每公里被评定试样厚度的变化量。

上述评定方法存在如下明显的缺陷：

1)不能反映滑动材料在高速运动中的摩擦系数，而该指标是隔震装置等效阻尼比的重要设计参考依据；

2)未考虑滑动材料的自身变形对被评定试样厚度变化的影响，依靠质量推算出厚度的变化与实际厚度测量值往往存在很大差异；

3)未考虑温度和滑动速度对滑动材料的摩擦性能的影响，且不同材料的摩擦性能对温度和滑动速度的依赖性相差很大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种桥梁及建筑隔震装置用滑动材料摩擦性能评定方法，其可以有效缩短评定周期，提高检测效率。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种桥梁及建筑隔震装置用滑动材料摩擦性能评定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获得被评定材料的初始参数：搜集被评定材料的基本信息、理化性能检测值以及适用对象的设计参数值；

S2：检测被评定材料的竖向承压性能：将被评定材料制成承压试样Ⅰ和承压试样Ⅱ，然后分别嵌入承压工装，并记录承压试样Ⅰ和承压试样Ⅱ的初始外露高度h₁和h₂，连续记录单个小时内承压试样外露高度的变化值，确定被评定材料的竖向承压能力是否满足设计极限承载力f_k，若满足则进入步骤S3，否则被禁用淘汰；

S3：检测非地震条件下的最大水平摩擦力：将被评定材料制成摩擦试样，并施加设计载荷，使摩擦试样与滑动钢板发生相对匀速直线滑动，测得摩擦试样在非地震条件下产生的最大水平静摩擦力，进而计算出最大水平静摩擦系数；若滑动过程连续平缓且实测最大水平静摩擦系数小于或等于参考设计值，则进入步骤S4，否则被评定材料被禁用淘汰；

S4：进行摩擦特性试验：在不同的竖向载荷下，使由被评定材料制成的摩擦试样与滑动钢板发生相对简谐运动，测得摩擦试样的平均静摩擦系数和平均动摩擦系数，并绘制“摩擦系数-竖向载荷”和“摩擦系数-速率”关系曲线，若实测摩擦系数值符合设计要求，则进入步骤S5，否则被评定材料被禁用淘汰；

S5：进行长程摩擦试验：测得由被评定材料制成的摩擦试样的平均静摩擦系数和平均动摩擦系数；若实测值符合设计要求且试验结束后摩擦试样厚度的变化量不超过初始厚度的20％，则被评定材料判定为合格，否则被评定材料被禁用淘汰。

优选地，步骤S2的具体过程如下：

在35℃下对承压试样Ⅰ施加压力f_k，在48℃下对承压试样Ⅱ施加压力0.7f_k，其中f_k不超过180MPa，连续记录每个小时内承压试样Ⅰ和承压试样Ⅱ的外露高度的变化量Δh_t1和Δh_t2，若两组承压试样分别在第N₁或第N₂个小时内外露高度的变化率Δh_t1/h₁和Δh_t2/h₂均小于0.5‰，则认为承压试样的竖向变形趋于终止，同时两组承压试样的外露高度总变化量Δh₁和Δh₂均不超过其初始厚度值的20％，则确定被评定材料的竖向承压能力满足设计要求，其中N₁、N₂均为正整数且均小于等于48。

优选地，步骤S3所述施加设计载荷为0.33f_k，保压30分钟后，以υ≤0.1mm/s的速率做匀速直线运动，持续1分钟，试验温度为21±2℃。

优选地，步骤S4所述施加的不同竖向载荷分别为0.33f_k、0.17f_k和0.08f_k，其中f_k为步骤S2中确定的被评定材料的竖向压力值。

优选地，步骤S4所述简谐波的峰值速率V_m根据下列关系式确定：

V_m＝2π×f×d，

式中，f为输入的简谐波的频率，d为输入简谐波曲线运动的最大位移，并且4mm≤d≤10mm。

优选地，步骤S4所述简谐波曲线运动循环次数P≤20且P为正整数。

优选地，步骤S4试验设备的额定工作速率小于步骤S1所述适用对象的设计速率时，所述试验速率可选择为0.01V₀，0.1V₀，0.5V₀，1.0V₀，其中V₀为试验设备的额定工作速率，然后根据公式μ＝f₁-(f₁-f₂)e^-αVm拟合计算得到对应设计速率下的静摩擦系数μ_st′和动摩擦系数μ_dyn′，其中f₁为最大动摩擦系数值，f₂为最小动摩擦系数值，α为相关因子，V_m为峰值速率；

然后再将所得设计速率下的静摩擦系数μ_st′代入公式F＝μW，可得地震条件下最大静摩擦力F，其中W为步骤S1所述适用对象在地震条件下的设计承载力，若F不大于步骤S1所述适用对象在地震条件下的设计水平力F₀且μ_dyn′不超过设计值的±20％，则判定被评定材料满足设计要求。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明在摩擦试验进行前增加了竖向承压试验，判定被评定材料的承压能力是否满足设计要求，可以有效缩短评定周期，提高检测效率；摩擦特性试验可以同时测定被评定材料的静摩擦系数和动摩擦系数以及其与承载压力和运动速率的变化规律，长程摩擦试验不仅考虑了不同温度对被评定材料的摩擦系数的影响，还对长距离摩擦系数的稳定性进行了监测，这些检测结果使得对被评定材料摩擦性能的评价更为全面，为桥梁及建筑隔震装置用滑动材料的开发选型提供了科学可靠的评价途径。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本发明竖向承压试验装置示意图；

图3是本发明摩擦试验装置示意图；

图4是本发明实施例测得的水平摩擦力-位移曲线；

图5是本发明实施例测得的不同压力下平均静摩擦系数-速率曲线；

图6是本发明实施例测得的不同压力下平均动摩擦系数-速率曲线；

图7是本发明实施例测得的不同A阶段下平均静摩擦系数-温度柱状图；

图8是本发明实施例测得的不同A阶段下平均动摩擦系数-温度柱状图；

图9本发明实施例测得的不同B阶段下平均摩擦系数柱状图。

图中：

1-承压试验装置

2-钢垫板

3-承压试样

4-摩擦试验装置

5-摩擦试样

6-滑动钢板

f_max-最大水平摩擦力

μ_s,n-对应B阶段的平均静摩擦系数

μ_dyn,n-对应B阶段的平均动摩擦系数

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种桥梁及建筑隔震装置用滑动材料摩擦性能评定方法，包括以下步骤：

S1：获得被评定材料的初始参数：

搜集被评定材料的基本信息，所述基本信息包括材料名称、生产批号、厚度、主要化学成分、密度、拉伸强度、弹性模量、球压痕硬度及热稳定性参数；

搜集被评定材料适用的隔震装置的设计参数，包括外形尺寸、非地震条件下的设计载荷和静摩擦系数、地震条件下的动摩擦系数、地震峰值速率、隔震周期以及设计属性的上下限比率；

S2：检测被评定材料的竖向承压性能：依据欧洲技术认可评估规范CUAP 03.01/35进行竖向承压试验，将被评定材料制成承压试样Ⅰ和承压试样Ⅱ，分别嵌入承压工装，并记录承压试样Ⅰ和承压试样Ⅱ的初始外露高度h₁和h₂，其中承压试样Ⅰ在35℃下施加压力f_k，承压试样Ⅱ在48℃下施加压力0.7f_k，连续记录单个小时内承压试样Ⅰ和承压试样Ⅱ的外露高度变化值Δh_t1和Δh_t2；若承压试样Ⅰ和承压试样Ⅱ在分别在第N₁或第N₂个小时内，其外露高度变化值与初始外露高度值之比Δh_t1/h₁和Δh_t2/h₂均小于0.5‰，则认为承压试样的竖向变形趋于终止，同时两组承压试样的外露高度总变化量Δh₁和Δh₂均不超过其初始厚度值的20％，则确定被评定材料的竖向承压能力满足设计要求，然后进入步骤S3，否则被评定材料被禁用淘汰，其中，N₁和N₂均≤48且N为正整数；

S3：检测非地震条件下的最大水平摩擦力：将被评定材料制成摩擦试样，在21±2℃下，对摩擦试样施加竖向载荷0.33f_k，其中f_k为步骤S1中确定的被评定材料的竖向压力值，保压30分钟后，使摩擦试样与滑动钢板之间发生匀速直线滑动，运动速率υ≤0.1mm/s，持续1分钟，测得摩擦试样在非地震条件下产生的最大水平摩擦力，进而计算出最大水平摩擦系数，若滑动过程连续平缓且测得最大水平摩擦系数小于或等于参考设计值，则进入步骤S4，否则被评定材料被禁用淘汰；

S4：进行摩擦特性试验：在竖向载荷分别为0.33f_k、0.17f_k、0.08f_k时，输入一定位移和速率的简谐波，使由被评定材料制成的摩擦试样与滑动钢板进行平面摩擦，经过P次循环后，测得每组摩擦试样的平均静摩擦系数和平均动摩擦系数，并绘制“摩擦系数-竖向载荷”和“摩擦系数-速率”关系曲线，其中，P≤20且P为正整数，若实测结果符合设计要求，则进入步骤S5，否则被评定材料被禁用淘汰；

其中，f_k为步骤S2中确定的被评定材料的竖向压力值；

简谐波的峰值速率V_m可根据下列关系式确定：

V_m＝2π×f×d，

式中，f为输入的简谐波的频率，d为输入的简谐波曲线运动的最大位移，本发明优选4mm≤d≤10mm；

通常试验设备的额定工作速率无法达到隔震装置的设计峰值速率，本发明优选实施例中的简谐运动的峰值速率可选择为0.01V₀、0.1V₀、0.5V₀、1.0V₀，其中V₀为试验设备的额定工作速率；对应设计峰值速率下的静摩擦系数和动摩擦系数可以根据下列公式拟合计算得到：

μ＝f₁-(f₁-f₂)e^-αVm，

其中f₁为最大动摩擦系数，f₂为最小动摩擦系数，α为相关因子，V_m为峰值速率；

将所得设计峰值速率下的静摩擦系数μ_st′代入公式：

F＝μ×W，

可得地震条件下最大静摩擦力F，其中W为步骤S1所述适用对象在地震条件下的设计承载力，若F不大于步骤S1所述适用对象在地震条件下的设计水平力F₀且设计峰值速率下动摩擦系数μ_dyn′不超过设计值的±20％，则判定被评定材料满足设计要求，进行步骤S5；

S5：进行长程摩擦试验：参考欧洲结构支座滑动零件技术标准EN1337-2:2004，进行特定距离的长程摩擦试验，测得各种阶段下摩擦试样的平均静摩擦系数和平均动摩擦系数；若同类型试验阶段下测得的摩擦系数的最大值与最小值之比不大于设计属性的上下限比率，并且试验结束后摩擦试样的厚度变化量不超过初始厚度的20％，则被评定材料评定为合格，否则被评定材料被禁用淘汰。

下面以公路桥梁摩擦摆式隔震支座用滑动材料为例。依据本发明的桥梁及建筑隔震装置用滑动材料摩擦性能评定方法，实现对备选滑动材料HSM的摩擦性能评定，具体步骤如下：

S1：获得被评定材料HSM的初始参数

被评定材料HSM是一种填充玻璃纤维的聚四氟乙烯板材，生产批号150383，密度1.44g/cm³，厚度8mm，表面不带储脂坑，拉伸强度70MPa，抗拉弹性模量2600MPa，球压痕硬度160MPa，使用温度-35℃～+110℃；

被评定材料HSM适用对象为公路桥梁摩擦摆式隔震支座，其设计参数为：非地震设计载荷N_sd＝60MPa，设计水平位移d＝300mm，所用滑动材料最大设计压力f_k＝180MPa，非地震条件下静摩擦系数μ_st＝0.065，地震条件下滑动摩擦系数μ_dyn′＝0.07，隔震周期T＝3.77s，滑动面曲面半径R＝3530mm，设计属性的上限和下限比率为1.3，使用温度-25℃～+60℃；

S2：检测竖向承压性能

将被评定材料HSM制成直径D₁＝155mm，厚度h＝8mm的承压试样3，数量2块，先后置于承压试验装置1中，如图2所示，记录其外露高度分别为h₁＝3.2mm和h₂＝3.21mm，对承压试样Ⅰ施加竖向压力3396kN(压强约180MPa)，试验温度35℃，对承压试样Ⅱ施加竖向压力2415kN(压强约128MPa)，试验温度48℃；

实时测得承压试样Ⅰ在第3个小时内外露高度变化量为0.0002mm，外露高度总变化量为0.0067mm，承压试样Ⅱ在第2个小时内外露高度变化量为0.0014mm，外露高度总变化量为0.0042mm，两个承压试样在单个小时内外露高度变化量均小于0.0016mm(0.5‰*3.2)，且外露高度总变化量均小于1.6mm(20％*8)，故判定被评定材料HSM的承压能力能满足设计要求值f_k＝180MPa，执行步骤S3；

S3：检测非地震条件下的最大摩擦力

将被评定材料HSM制成直径D₂＝75mm，厚度h＝8mm的摩擦试样5，置于摩擦试验装置4中，如图3所示，在零位移处，加载一个等于支座非地震条件下设计载荷N_sd的竖向压力60MPa，稳压30分钟后，以0.1mm/s的滑动速率运行1分钟，试验温度23℃；

测得水平摩擦力-位移曲线如图4所示，曲线光滑且无明显爬行抖动现象，最大静摩擦力f_max为16.2kN，计算得到非地震条件下最大水平静摩擦系数为：

实测值小于设计值0.065，符合设计要求，执行步骤S4；

S4：进行摩擦特性试验

将被评定材料HSM制成直径D₂＝75mm，厚度h＝8mm的摩擦试样5，数量3块，置于图3装置中，按下表1所列参数依次进行试验，其中，试验设备额定工作速率V₀＝100mm/s，f_k＝180MPa，A、B、C三类试验每类使用一组摩擦试样5；

表1 摩擦特性试验参数

测得平均静摩擦系数-峰值速率曲线如图5所示，平均动摩擦系数-峰值速率曲线如图6所示，可以看出，平均静摩擦系数和平均动摩擦系数均随着压力的增加而减小，均随着滑动速率的增加而增大，且增大速率逐渐趋于平缓，符合设计要求的滑动材料摩擦性能的一般规律；

摩擦摆式隔震支座地震条件下峰值速率V_m和最大水平力F₀的设计值分别为：

式中，W为摩擦摆式隔震支座的在地震条件下的设计承载力，将实测动摩擦系数值代入下列公式：

μ＝f₁-(f₁-f₂)e^-αVm，

经拟合计算可得到，在峰值速率500mm/s下被评定材料的最大静摩擦系数μ_st′＝0.079，最大动摩擦系数μ_dyn′＝0.075；

计算得地震条件下摩擦摆式隔震支座发生滑动的最大水平力为：

F＝μ_st'×W＝0.079W，

由于F<F₀且μ_dyn′＝0.075在设计值0.07±20％内，故被评定材料HSM的摩擦特性满足设计要求，执行步骤S5；

S5：进行长程摩擦试验

将被评定材料HSM制成直径D₂＝75mm，厚度h＝8mm的摩擦试样5，置于图3所示的摩擦试验装置4中，进行10000m长程滑动摩擦试验，试验分6个A阶段和5个B阶段依次交替进行；

测得不同A阶段下平均静摩擦系数-温度曲线和平均动摩擦系数-温度曲线分别见图7和图8，可以看出被评定试样的摩擦系数均随温度的升高而减小，符合设计要求的滑动材料摩擦性能的一般规律，测得不同B阶段的平均静摩擦系数和平均动摩擦系数变化曲线如图9所示，计算得到A阶段和B阶段的平均静摩擦系数和平均动摩擦系数的最大最小值之比均小于1.13，符合步骤S1中所述设计属性上下限比率1.3的要求，并且试验结束后，摩擦试样5的厚度变化量为0.62mm，未超过1.6mm(20％*8)，被评定试样表面状态良好，无明显烧蚀磨损，说明被评定材料HSM的摩擦性能稳定；

结论与建议：依据本评定方法所述检测流程，被评定材料HSM各项摩擦性能技术指标均符合设计要求，评定滑动材料HSM适用于所设计的公路桥梁摩擦摆式隔震支座。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种桥梁及建筑隔震装置用滑动材料摩擦性能判定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获得被评定材料的初始参数：搜集被评定材料的基本信息、理化性能检测值以及适用对象的设计参数值；

S2：检测被评定材料的竖向承压性能：将被评定材料制成承压试样Ⅰ和承压试样Ⅱ，然后分别嵌入承压工装，并记录承压试样Ⅰ和承压试样Ⅱ的初始外露高度h₁和h₂，连续记录单个小时内承压试样外露高度的变化值，确定被评定材料的竖向承压能力是否满足设计极限承载力f_k，若满足则进入步骤S3，否则被禁用淘汰；

S3：检测非地震条件下的最大水平摩擦力：将被评定材料制成摩擦试样，并施加设计载荷，使摩擦试样与滑动钢板发生相对匀速直线滑动，测得摩擦试样在非地震条件下产生的最大水平静摩擦力，进而计算出最大水平静摩擦系数；若滑动过程连续平缓且实测最大水平静摩擦系数小于或等于参考设计值，则进入步骤S4，否则被评定材料被禁用淘汰；

S4：进行摩擦特性试验：在不同的竖向载荷下，使由被评定材料制成的摩擦试样与滑动钢板发生相对简谐运动，测得摩擦试样的平均静摩擦系数和平均动摩擦系数，并绘制“摩擦系数-竖向载荷”和“摩擦系数-速率”关系曲线，若实测摩擦系数值符合设计要求，则进入步骤S5，否则被评定材料被禁用淘汰；

S5：进行长程摩擦试验：测得由被评定材料制成的摩擦试样的平均静摩擦系数和平均动摩擦系数；若实测值符合设计要求且试验结束后摩擦试样厚度的变化量不超过初始厚度的20％，则被评定材料判定为合格，否则被评定材料被禁用淘汰。

2.根据权利要求1所述的一种桥梁及建筑隔震装置用滑动材料摩擦性能判定方法，其特征在于，步骤S2的具体过程如下：

在35℃下对承压试样Ⅰ施加压力f_k，在48℃下对承压试样Ⅱ施加压力0.7f_k，其中f_k不超过180MPa，连续记录每个小时内承压试样Ⅰ和承压试样Ⅱ的外露高度的变化量Δh_t1和Δh_t2，若两组承压试样分别在第N₁或第N₂个小时内外露高度的变化率Δh_t1/h₁和Δh_t2/h₂均小于0.5‰，则认为承压试样的竖向变形趋于终止，同时两组承压试样的外露高度总变化量Δh₁和Δh₂均不超过其初始厚度值的20％，则确定被评定材料的竖向承压能力满足设计要求，其中N₁、N₂均为正整数且均小于等于48。

3.根据权利要求1所述的一种桥梁及建筑隔震装置用滑动材料摩擦性能判定方法，其特征在于，步骤S3所述施加设计载荷为0.33f_k，保压30分钟后，以υ≤0.1mm/s的速率做匀速直线运动，持续1分钟，试验温度为21±2℃。

4.根据权利要求1所述的一种桥梁及建筑隔震装置用滑动材料摩擦性能判定方法，其特征在于，步骤S4所述施加的不同竖向载荷分别为0.33f_k、0.17f_k和0.08f_k，其中f_k为步骤S2中确定的被评定材料的竖向压力值。

5.根据权利要求1所述的一种桥梁及建筑隔震装置用滑动材料摩擦性能判定方法，其特征在于，步骤S4所述简谐波的峰值速率V_m根据下列关系式确定：

V_m＝2π×f×d，

式中，f为输入的简谐波的频率，d为输入简谐波曲线运动的最大位移，并且4mm≤d≤10mm。

6.根据权利要求1所述的一种桥梁及建筑隔震装置用滑动材料摩擦性能判定方法，其特征在于，步骤S4所述简谐波曲线运动循环次数P≤20且P为正整数。

7.根据权利要求1所述的一种桥梁及建筑隔震装置用滑动材料摩擦性能判定方法，其特征在于，步骤S4试验设备的额定工作速率小于步骤S1所述适用对象的设计速率时，所述试验速率可选择为0.01V₀，0.1V₀，0.5V₀，1.0V₀，其中V₀为试验设备的额定工作速率，然后根据公式拟合计算得到对应设计速率下的静摩擦系数μ_st′和动摩擦系数μ_dyn′，其中f₁为最大动摩擦系数值，f₂为最小动摩擦系数值，α为相关因子，V_m为峰值速率；

然后再将所得设计速率下的静摩擦系数μ_st′代入公式F＝μW，可得地震条件下最大静摩擦力F，其中W为步骤S1所述适用对象在地震条件下的设计承载力，若F不大于步骤S1所述适用对象在地震条件下的设计水平力F₀且μ_dyn′不超过设计值的±20％，则判定被评定材料满足设计要求。