深中通道沉管隧道最终接头MGB滑轨摩擦系数试验研究.pdf

深中通道沉管隧道最终接头MGB滑轨摩擦系数试验研究韩涛1，2，刑长利3，何平1，2，吕迎雪1，2，朱岭4（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222；2.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津300222；3.中铁武汉大桥工程咨询监理有限公司，湖北武汉430050；4.中交第一航务工程局有限公司，天津300461）摘要：深中通道沉管隧道最终接头采用了水下推出式对接方式，推出过程中采用MGB滑轨作为底部滑行系统，为分析结构受力，建立了与施工现场荷载相同的试验结构，研究了深中通道沉管隧道最终接头MGB滑轨与防腐涂层在不同施工荷载和润滑状态下的摩擦系数，并与厂家提供的摩擦系数进行了对比。研究结果表明：MGB材料的摩擦系数随着荷载的增大而减小，干摩擦情况下的静摩擦系数范围为0.1810.266，滑动摩擦系数范围为0.150耀0.226，在水润滑条件下摩擦系数小于干摩擦，摩擦系数与接触界面有关，工程中建议根据实际荷载和摩擦界面情况对摩擦系数进行测试。关键词：深中通道；最终接头；摩擦系数；MGB；滑轨中图分类号：U654文献标志码：A文章编号：2095-7874（2024）02-0044-04doi：10.7640/zggwjs202402008Experimental study on friction coefficient of MGB slide-rail in immersedtunnel final joint of Shenzhen-Zhongshan LinkHAN Tao1,2,XING Chang-li3,HE Ping1,2,L譈 Ying-xue1,2,ZHU Ling3（1.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China;2.CCCC Key Hydrodynamic Laboratory for Costal Engineering,Tianjin 300222,China;3.China Railway Wuhan BridgeEngineering Consulting Supervision Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430050,China;4.CCCC First Harbor EngineeringCo.,Ltd.,Tianjin 300461,China）Abstract：Underwater push-out docking method was adopted in the final joint of Shenzhen-Zhongshan Link immersed tunnel,and the MGB slide-rail was used as the bottom sliding system during the push-out process.A test structure with the same loadas the construction site was established in order to analyze the structural stress.The friction coefficient between MGB slide-railand anticorrosive coating in final joint of Shenzhen-Zhongshan Link under different construction loads and lubricationconditions was studied by using the test structure,and was compared with the friction coefficient provided by the manufacturer.The research results indicate that the friction coefficient of MGB material decreases with the increase of load.The static frictioncoefficient ranges from 0.181 to 0.266 in the case of dry friction,and the sliding friction coefficient ranges from 0.150 to 0.226.The friction coefficient under water lubrication conditions is smaller than dry friction,and it is related to the contact interface.Itis recommended to test the friction coefficient based on the actual load and friction interface conditions in engineering project.Key words：Shenzhen-Zhongshan Link;final joint;friction coefficient;MGB;slide-rail中国港湾建设China Harbour Engineering第44卷第2期2024年2月Vol.44No.2Feb.2024收稿日期：2023-07-27修回日期：2023-09-14基金项目：广东省重点领域研发计划项目（2019B111105002）作者简介：韩涛（1977），男，辽宁锦州人，博士，高级工程师，主要从事港口及海岸工程研究。E-mail：0引言深中通道沉管隧道1最终接头为水下作业部分，不确定性因素比较多，设计单位对多种方案比选后，最终确定使用水下整体推出式最终接头2024年第2期方案。最终接头推出段长度为4.6 m，设置于E23管节扩大段内，E23管节沉放后控制推出段结构缓慢推出与E24管节对接，完成最终接头施工，最终接头构造如图1所示，推出段底部与扩大段接触位置设置了MGB材料的滑轨。滑轨结构多用于陆上大型结构物的辅助出运，如青兰山原油码头工程中使用了MGE滑轨通过陆上卷扬机牵引将沉箱放到台车上，完成了11个大型圆沉箱出运2，此外临港海洋重工建造基地大多采用滑道作为海工产品的出运平台3；港珠澳大桥在管节浇筑完成后也使用了聚四氟乙烯（PTFE）滑轨作为管节陆上顶推过程中的滑移轨道4-6，在方案选型过程中滑轨的静摩擦系数按0.07考虑7；大连湾海底隧道最终接头采用顶进节段法，也使用了聚四氟乙烯滑轨滑行，并进行了缩尺模型试验，不锈钢板与聚四氟乙烯板之间的滑动摩擦系数按照0.1考虑8。深中通道沉管隧道最终接头首次采用了水下整体推出式对接方式，对接难度大，对结构受力分析的要求极高，底部滑动接触面为防腐涂层与MGB材料，滑轨是对接方案中的重要组成部分，因此对其摩擦特性9进行了试验研究。1滑轨方案最终接头滑轨主要由30 mm的MGB材料、55 mm钢垫板和15 mm环氧树脂组成（图2），单块MGB材料平面尺寸为500 mm伊480 mm，MGB材料与钢板采用螺栓连接，钢板外侧焊接耳板增加结构的抗剪性能并设置调平螺栓对钢板进行调平。滑轨顶面的MGB材料与推出段底部直接接触，MGB材料10机械性能稳定，具有自润滑、摩擦系数小、免维护、耐磨损、耐腐蚀、能承受重载荷、抗冲击、抗老化、机加工性能好等特性，因此多用于大型重载、有腐蚀不易加油的工件上或重大工程项目中。2试验方法2.1试验条件为测试工程现场摩擦情况，设计了专用的试验结构，试验荷载按照不少于施工现场荷载的1.5倍考虑，结构尺寸由结构软件进行计算，确保在试验过程中结构不会发生较大的变形，试验的滑轨平放于试验结构中间，模拟的最终接头推出段结构竖向受力采用千斤顶加载，在试验装置一端用水平千斤顶控制推出段与滑轨的相对运动，模拟现场推出情况。千斤顶上下反力箱梁结构均与相同材质的滑轨接触，保证上下摩擦力一致。试验用滑轨及试验结构见图3。试验前对滑轨和与滑轨接触的箱梁表面平整度进行了测量，确保平整度满足设计要求，试验模型中与滑轨接触的箱梁表面先用气泵配合金刚砂进行喷砂除锈，除锈后立刻滚涂玻璃鳞片漆防腐涂层，72 h后对涂层厚度、涂层的粘接强度进行测试，确保试验条件与原型一致。图3滑轨摩擦系数试验结构Fig.3Friction coefficient test structure of slide-rail（a）MGB滑轨（b）试验结构MGB滑轨图1最终接头构造示意图Fig.1Schematic diagram of final joint constructionE24管节底板局部加厚（空心）E23管节底板局部加厚（空心）空心钢壳扩大段基础垫层滑轨位置充气止水带充气止水带顶推千斤顶E24管节E23管节注水端封门端封门推出段充气止水带充气止水带M止水带钢壳扩大段 注水孔注水管至水面以上人孔井顶推千斤顶图2滑轨剖面结构示意图Fig.2Schematic diagram of slide-rail section structure30 mm MGB高分子塑料合金15 mm调平间隙（环氧树脂填充）55 mm钢垫板（铣床加工后）500肋板57030803080韩涛，等：深中通道沉管隧道最终接头MGB滑轨摩擦系数试验研究45中国港湾建设2024年第2期表3摩擦系数测量结果（油润滑）Table 3Friction coefficient measurement results(oil lubrication)2.2MGB滑轨摩擦系数测试对滑轨中单块MGB材料的摩擦系数进行了试验测试，首先用竖向千斤顶加载，然后用末端的水平千斤顶控制推出部分结构由静止状态缓慢起动，千斤顶荷载用油压传感器测量，位移数据用拉线传感器测量，所有信号同步采集，试验模拟的推出段结构的上下滑轨为对称布置，假设试验中竖向千斤顶的荷载为N，滑轨的摩擦力为滋N，其中滋为摩擦系数，水平千斤顶的推力为F，推出结构本身重量相对荷载可以忽略，则滑轨摩擦系数的计算公式为：滋=F/（2N）根据水平千斤顶顶推起动期间推力峰值计算静摩擦系数，在结构匀速运动后计算动摩擦系数。3试验结果及分析3.1试验结果最终接头推出段底部与滑轨直接接触的部分为玻璃鳞片漆防腐涂层，施工期间的工况包括陆上和水下的推拉过程，不同工况下推出段和滑轨之间的荷载及润滑情况均有所区别。为测量不同润滑和施工荷载工况下滑轨和防腐涂层之间的摩擦系数，进行了不同工况的试验，然后根据千斤顶荷载计算了对应的摩擦系数。此外，为与厂家摩擦系数对比，进行了油态的摩擦系数测试，测试使用的润滑油为3号通用锂基润滑脂。试验荷载为170耀1 025 kN，不同荷载作用下摩擦系数的试验结果见表1表3和图4。根据试验结果，可以看出：1）在干摩擦情况下，静摩擦系数范围为0.1810.266，滑动摩擦系数范围为0.150耀0.226；2）在水润滑情况下，静摩擦系数范围为0.1380.223，滑动摩擦系数范围为0.106耀0.149；3）在油润滑情况下，摩擦系数范围为0.084耀0.106。总体来看，随荷载的增加静摩擦系数和滑动摩擦系数均有减小的趋势，在干摩擦和水润滑情况下，静摩擦系数略大于滑动摩擦系数，图5为油润滑工况下荷载历时曲线。从图5可以看出，在油润滑情况下推出段在表1摩擦系数测量结果（干摩擦）Table 1Friction coefficient t measurement results(dry friction)竖向荷载/kN静摩擦系数竖向荷载/kN滑动摩擦系数1700.2661640.2263430.2503420.1916760.2136730.1618510.1828470.1509320.1849300.1581 0100.1811 0070.151表2摩擦系数测量结果（水润滑）Table 2Friction coefficient measurement results(water lubrication)竖向荷载/kN静摩擦系数竖向荷载/kN滑动摩擦系数2010.2231820.1493980.1693760.1276080.1475740.1167850.1417610.1061 0250.1381 0150.110竖向荷载/kN静摩擦系数竖向荷载/kN滑动摩擦系数3140.1063130.0955320.0895310.0887640.0847620.0841 0140.0861 0130.085图4摩擦系数试验结果Fig.4Friction coefficient test results（a）静摩擦系数干摩擦水润滑油润滑典型荷载极限荷载0.300.250.200.150.100.050荷载/kN1 20004001 000200600800（b）滑动摩擦系数干摩擦水润滑油润滑典型荷载极限荷载0.300.250.200.150.100.050荷载/kN1 20004001 000200600800图5油润滑试验荷载变化历时曲线Fig.5Load change duration curve of oil lubrication test垂向荷载水平推力位移1 2001 0008006004002000时间/s30108642070205010800406046窑窑2024年第2期起动到匀速运动的过程中水平千斤顶推力变化较小，因而静摩擦系数与滑动摩擦系数相差不大。3.2与厂家摩擦系数对比根据MGB厂家的资料，该产品在三态（干态，水态，油态）工况下摩擦系数变化小，而且各态动静摩擦系数相差小，干态的摩擦系数约为0.045耀0.065，水态的摩擦系数约为0.022耀0.04，油态的摩擦系数约为0.016耀0.03，不同厂家的摩擦系数略有区别，但差别不大。需要指出的是，厂家提供的摩擦系数并未对静摩擦和动摩擦系数进行区分，也未说明摩擦界面情况，根据国家标准GB/T 39602016塑料 滑动摩擦磨损试验方法11，试验测试结果为MGB材料与45号钢制作的试验环之间的滑动摩擦系数。本研究中得到的是施工荷载作用下玻璃鳞片漆防腐涂层与MGB材料之间的摩擦系数，因此二者存在差别，此外，研究中采用的滑板和防腐涂层材料由深中通道项目部直接提供，与现场材料一致，可以认为本课题的试验结果可直接反映现场的摩擦情况。4结语通过对深中通道最终接头的滑轨摩擦特性试验，得到以下主要结论：1）MGB材料的摩擦系数并不是固定不变的，随着荷载的增加，静摩擦系数和滑动摩擦系数均有减小的趋势。2）在最终接头水下推出时由于存在水润滑。与陆上干摩擦相比摩擦系数有所减小。3）油润滑情况下摩擦系数较小，且油润滑情况下静摩擦和滑动摩擦系数差别不大。4）MGB材料厂家给出的摩擦系数为根据国标在特定条件下的测试结果，并不能反映实际工程中的接触面情况，因此不能直接应用于设计中。根据本研究可以看出，摩擦系数与荷载大小有关，建议对于摩擦力影响较大的工程根据现场荷载、接触面条件等重新进行摩擦系数测试。参考文献：1金文良，宋神友，陈伟乐，等.深中通道钢壳混凝土沉管隧道总体设计综述J.中国港湾建设，2021，41（3）：35-40.JIN Wen-liang,SONG Shen-you,CHEN Wei-le,et al.General re原view on overall design of steel shell-concrete immersed tunnel inShenzhen-Zhongshan LinkJ.China Harbour Engineering,2021,41(3):35-40.2曲俐俐，耿新林，冯海暴.滑板出运大型构件技术在青兰山原油码头工程中的应用J.中国港湾建设，2013，33（3）：63-65.QU Li-li,GENG Xin-lin,FENG Hai-bao.Sliding boards to launchlarge concrete components for construction of Qinglanshan crudeoil terminalJ.China Harbour Engineering,2013,33(3):63-65.3李梅，高万国.临港海洋重工建造基地组块滑道结构计算方法J.中国港湾建设，2016，36（6）：15-18.LI Mei,GAO Wan-guo.Method for structural calculations of blockslipways for heavy industry base in harbor areasJ.China HarbourEngineering,2016,36(6):15-18.4陈伟彬，刘远林，李海峰.超大型沉管顶推技术J.中国港湾建设.2015，35（7）：100-104.CHEN Wei-bin,LIU Yuan-lin,LI Hai-feng.Pushing technologyof super large immersed tubeJ.China Harbour Engineering,2015,35(7):100-104.5王李，刘然，范卓凡.大型沉管顶推滑板选型与优化J.中国港湾建设，2015，35（11）：49-51.WANG Li,LIU Ran,FAN Zhuo-fan.Selection and optimization ofpush plate in large-scale immersed tubeJ.China Harbour Engi原neering,2015,35(11):49-51.6杨红，王李，刘然.港珠澳大桥岛隧工程沉管预制顶推技术J.中国港湾建设，2015，35（7）：85-88.YANG Hong,WANG Li,LIU Ran.Pushing technology for prefabri原cated immersed tube of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge islandand tunnel projectJ.China Harbour Engineering,2015,35(7):85-88.7彭晓鹏，李阳，李海峰.大型预制构件顶推方案选型J.中国港湾建设，2015，35（7）：120-123.PENG Xiao-peng,LI Yang,LI Hai-feng.Selection of pushingschemes for large-scale prefabricated memberJ.China HarbourEngineering,2015,35(7):120-123.8肖继涛，杨霁，王殿文，等.顶进节段法最终接头底部滑行系统综合研究J.中国港湾建设，2022，42（12）：13-17.XIAO Ji-tao,YANG Ji,WANG Dian-wen,et al.Comprehensivestudy on bottom sliding system of segment-jacking method for tun原nel closure jointJ.China Harbour Engineering,2022,42(12):13-17.9温诗铸，黄平，田煜，等.摩擦学原理M.5版.北京：清华大学出版社，2018.WENShi-zhu,HUANG Ping,TIAN Yu,et al.Principles of tribologyM.5th ed.Beijing:Tsinghua University Press,2018.10李海涛，侯新英，邴玉龙.工程塑料合金在轨道高空作业平台中的应用J.纤维复合材料，2019（3）：15-17.LI Hai-tao,HOU Xin-ying,BING Yu-long.Engineering plasticalloy application in rail MEWPJ.Fiber Composites,2019(3):15-17.11 GB/T 39602016，塑料 滑动摩擦磨损试验方法S.GB/T 39602016,Plastics-Test method for friction and wear byslidingS.韩涛，等：深中通道沉管隧道最终接头MGB滑轨摩擦系数试验研究47