CN102680311A - 钢箱梁桥道系协同作用模型及试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钢箱梁桥道系协同作用模型，一种钢箱梁桥道系协同作用模型，其特征在于：该模型包括桥面顶板（1）、加劲肋（2）、横隔板（3）、铺装层（4）、弹簧座支撑（5）；其中，桥面顶板（1）的下部横向设置有多排加劲肋（2），纵向设置有横隔板（3），横隔板（3）与加劲肋（2）形成正交异性结构，横隔板（3）的下部通过弹簧与第二弹簧座支撑（5b）连接，在横隔板（3）两旁的加劲肋（2）的下部分别通过弹簧与第一弹簧座支撑（5a）、第一弹簧座支撑（5c）连接；在桥面顶板（1）上铺有铺装层（4）。本发明还提供了一种钢箱梁桥道系协同作用模型室内试验系统，该系统包括钢箱梁桥道系协同作用模型及施加荷载于模型之上的动力加载设备（6）和测试设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种足尺加速路面试验系统，尤其涉及一种桥梁钢箱体、沥青混凝土铺装协同作用模型的室内模型试验系统。
背景技术
疲劳破坏是影响钢桥面沥青混凝土铺装耐久性的主要因素之一，为提高铺装耐久性，需要对沥青混凝土铺装的疲劳特性进行研究。钢桥面沥青混凝土铺装体系疲劳特性研究主要通过室内模型试验来进行。
现有的钢桥面铺装室内试验模型都是将钢箱梁桥面作为铺装约束条件，没有考虑钢箱梁桥道系协同作用对铺装层受力特性的影响。而实际情况是，铺装层在正常工作状态下始终和钢桥面板紧密相联，共同承载和变形，处于一种协同作用状态。不同的桥型或不同形式的主梁，钢桥面板参与主梁作用的程度不同，使得正交异性钢桥面板第一体系应力状态不同，从而引起桥面系的铺装层受力有很大的差异。许多调查结果表明，对于相同或相似的正交异性钢桥面系，由于桥型的不同或主梁形式的不同，其铺装层的破坏程度也不同。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种充分考虑到钢箱梁桥面与铺装协同作用对铺装层受力特性影响的钢箱梁桥道系协同作用模型及试验系统。该系统的试验模型能更为准确地反映整桥变形特征对铺装层的影响，以及近似的模拟超大跨连续大柔度桥道系的实际工作状况，能够深化对钢桥面沥青混凝土铺装体系疲劳特性的研究。
技术方案： 为解决上述技术问题，本发明提供了一种钢箱梁桥道系协同作用模型，该模型包括桥面顶板、加劲肋、横隔板、铺装层、弹簧座支撑；其中，桥面顶板的下部横向设置有多排加劲肋，纵向设置有横隔板，横隔板与加劲肋形成正交异性结构，横隔板的下部通过弹簧与第二弹簧座支撑连接，在横隔板两旁的加劲肋的下部分别通过弹簧与第一弹簧座支撑、第一弹簧座支撑连接；在桥面顶板上铺有铺装层。该模型为实桥钢箱梁整体结构中取出受力节段，长度3.2m，宽度2.4m。
本发明还提供了一种钢箱梁桥道系协同作用模型室内试验系统，该系统包括钢箱梁桥道系协同作用模型及施加荷载于模型之上的动力加载设备和测试设备；其中：
动力加载设备位于钢箱梁桥道系协同作用模型的铺装层上方，用于对车轮荷载进行仿真加载；
测试设备包括工业摄像机、温度应变片及分布式光纤传感器，工业摄像机位于铺装层上方，用于对铺装层应变片及光纤传感器的埋于铺装内部，对铺装受力状况进行测试。
所述的动力加载设备为门式动力加载设备，具体组成包括：轨道、门式反力架、加载头或液压设备中的中的任一种。
有益效果：所述的协同作用模型能够反映钢箱梁桥道系在承受荷载时的协同作用效果，模型设计中充分考虑了钢箱梁桥面参与第一体系受力对铺装层受力特性的影响，通过进行模型几何设计、边界与支撑条件设计和加载条件设计，使模型与原型具有相似性。
附图说明
图1是本发明提供的协同作用模型方案示意图。
图2是图1中A-A向的剖视结构示意图。
图3是图1中B-B向的剖视结构示意图。
图4是图1中C-C向的剖视结构示意图。
其中有：桥面顶板1、加劲肋2、横隔板3、铺装层4、弹簧支座支撑5、动力加载设备6、工业摄像机7。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
钢箱梁桥道系协同作用模型及试验系统，其组成是：由钢箱梁桥道系协同作用模型及附属的加载设备、测试设备、控制设备组成：
所述的钢箱梁桥道系协同作用模型由钢箱梁和桥面铺装组成。其中，钢箱梁沿长度方向为等截面，通过模型支架固定在可靠的地基上，桥面长度3.2m，宽2.4m。协同作用模型从实桥钢箱梁整体结构中取出典型受力节段，包括桥面顶板、U型肋、横隔板和铺装层的结构作为桥面板与铺装层协同作用模型。模型主要构件几何尺寸、材料参数与实体桥梁细部构造与几何尺寸一致。横隔板位于模型中部，通过弹簧支座支撑与地面接触；模型沿纵向1/4与3/4位置U型加劲肋下设置两组弹簧支座；模型横向两端通过千斤顶简支。
所述的加载设备为大型门式动力加载设备，具体组成还包括：轨道、门式框架、压头和液压设备。采用门式反力架式液压伺服加载试验系统，双作动器各500kN，整个反力系统能够满足1000kN静态试验力和400kN动态力的试验要求。具备全程可编程动态加载控制，作动器下端可设置轮胎加载头，实现实轮动态模拟加载。
门式反力架设计宽度4m，双作动器有效工作间距范围50cm-300cm，可模拟单、双轮及双轮不同影响叠加条件下的动态响应。
所述门式MTS加载设备固定在可靠的地基上。
所述的测试设备包括工业照相机、温度应变片和分布式光纤传感器及其数据采集与处理装置。所述的工业照相机为高速CCD型工业照相机，所述的温度应变片为温度与应变测试一体化的感应设备，所述工业照相机通过在单独的支架直接固定在可靠的地基上。所述的温度应变片布置于U型肋顶端以及横隔板顶端的铺装顶部，通过导线与数据采集仪连接。
所述的分布式光纤传感设备由光纤和调制解调设备组成，采用布里渊光时域分析技术BOTDA。所述光纤预埋在钢板与铺装界面之间，按照蛇形布置，横向跨过加劲肋的顶端，竖向跨过横隔板顶端，光纤两端从协同作用模型边界引出并和调制解调设备连接。
所述的控制设备还与加载设备、测试设备连接。
所述的协同作用模型具有以下特点：以考虑整桥变形的铺装结构力学响应作为参考值，依据应力相等和应变相等准则，通过改变桥面板主要构件的结构参数、模型边界条件、试验荷载大小等指标，得到协同作用实体单元模型试验方案。模型和仿真计算结果具有相似性：铺装顶面最大拉应力相等、铺装顶面最大拉应变相等、对应位置应变保持一定的比例关系。
参见图1，本发明提供的钢箱梁桥道系协同作用模型，该模型包括桥面顶板1、加劲肋2、横隔板3、铺装层4、弹簧支座支撑5；
横隔板3通过弹簧支座支撑5与地面接触；该横隔板3设有与地面平行的第一横隔板和与该第一横隔板垂直的第二横隔板；第一横隔板设有靠近地面的正表面和与该正面相对的反表面；
在第一横隔板的正表面设有加劲肋2，且在加劲肋2下设置弹簧座支撑5；在第一横隔板的反表面支撑有桥面顶板1，桥面顶板1上铺有铺装层4。
第一横隔板两端通过千斤顶支撑。
该模型为实桥钢箱梁整体结构中取出受力节段，长度3.2m，宽度2.4m。
本发明提供的钢箱梁桥道系协同作用模型室内试验系统，该系统包括钢箱梁桥道系协同作用模型及施加荷载于模型之上的动力加载设备6和测试设备；其中，
动力加载设备6位于钢箱梁桥道系协同作用模型的铺装层4上方，用于对车轮荷载进行仿真加载；
测试设备包括工业摄像机、温度应变片及分布式光纤传感器，摄像机位于铺装层4上方，用于对铺装层4应变片及光纤传感器的埋于铺装内部，对铺装受力状况进行测试。
所述的动力加载设备为门式动力加载设备，具体组成包括：轨道、门式反力架、加载头或液压设备中的中的任一种。
实施例：
本发明的一种具体实施方式是，一种钢箱梁桥道系协同作用模型室内试验系统，其组成是：协同作用模型及其附属的加载设备、测试设备及控制设备组成。
协同作用模型：纵向3.2m长、横向2.4m宽，包括桥面顶板、4道U型肋、1道横隔板和铺装层的结构。模型主要构件几何尺寸如表1所示。U型肋顶端开口距离30cm，相邻U型肋顶端间距30cm。横隔板位于模型中部，且与地面不接触，通过弹簧支座支撑；另在纵向四分之一位置U型加劲肋下设置两组弹簧支座；模型两端通过千斤顶简支。铺装层总厚度5~7cm，分两层满铺与钢桥面板上。如图1所示。
表1 模型主要构件几何尺寸
| 项 目 | 计 算 参 数 |
| 钢箱梁顶板厚度/mm | 14 |
| 横隔板间距/mm | 3200 |
| 横隔板厚度/mm | 12 |
| 顶板U形加劲肋厚度/mm | 6 |
| U形加劲肋上口宽度/mm | 300 |
| U形加劲肋间距/mm | 600 |
| U形加劲肋高度/mm | 280 |
| 钢箱梁底板厚度/mm | 10 |
| 底板梯形加劲肋厚/mm | 6 |
| 底板加劲肋下口宽/mm | 400 |
| 底板加劲肋间距/mm | 850 |
| 底板加劲肋高度/mm | 250 |
加载设备：采用门式反力架式液压伺服加载MTS试验系统，双作动器各500kN，整个反力系统能够满足1000kN静态试验力和400kN动态力的试验要求。具备全程可编程动态加载控制，作动器下端可设置轮胎加载头，实现实轮动态模拟加载。
加载模式采用双轮矩形均布荷载，单轮尺寸0.23m×0.2m，双轮中心间距0.33m，后轴单侧双轮与桥面铺装的接地面积为0.46m×0.2m。
门式反力架设计宽度4m，双作动器有效工作间距范围50cm-300cm，可模拟单、双轮及双轮不同影响叠加条件下的动态响应。
测试设备：选择光纤传感器，布置于钢桥面板用于监测桥面板在荷载作用下的应力-应变结果。桥面铺装系裂缝发展视频监测系统，在体系内加装高精度工业CCD视频采集设备，监测荷载作用下特殊部位裂缝产生、发展过程。
为保证设计的协同作用试验模型与原型的一致性，在双轮荷载作用位置附近另选取5个具有代表性的点位，点位1为荷载轮迹中点、点位2为双轮荷载轮隙中点、点位3、4、5为轮迹各方向外延。要求设计的协同作用试验模型在代表性点位铺装层的应力、应变值与局部梁段铺装仿真模型在相应点位的值相近。
通过反复调整模型主要构件几何尺寸、加载荷位、荷载大小等参数，试算不同模型参数对应的铺装层应力、应变响应值。得到当顶板钢板厚度为6mm、横隔板厚度为6mm、加劲肋厚度为4mm，试验荷载为0.775MPa，荷载位于距横隔板0.213m，其它模型参数按初始值未变时，模型的铺装层最大应力、应变值以及代表性点位的应力、应变值与采用局部梁段铺装仿真模型计算得到的参考值相差6%以内。
本发明提供一种钢箱梁桥道系协同作用模型及试验系统，可以模拟典型实桥受力变形特征，通过疲劳试验，跟踪模型全过程应力-应变特征，分析桥面板及铺装系的动态响应特征，研究桥面钢板与铺装结构的协同作用性能。
以上仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1. 一种钢箱梁桥道系协同作用模型，其特征在于：该模型包括桥面顶板（1）、加劲肋（2）、横隔板（3）、铺装层（4）、弹簧座支撑（5）；其中，桥面顶板（1）的下部横向设置有多排加劲肋（2），纵向设置有横隔板（3），横隔板（3）与加劲肋（2）形成正交异性结构，横隔板（3）的下部通过弹簧与第二弹簧座支撑（5b）连接，在横隔板（3）两旁的加劲肋（2）的下部分别通过弹簧与第一弹簧座支撑（5a）、第一弹簧座支撑（5c）连接；在桥面顶板（1）上铺有铺装层（4）。
2. 根据权利要求1所述的钢箱梁桥道系协同作用模型，其特征在于：该模型为实桥钢箱梁整体结构中取出受力节段，长度3.2m，宽度2.4m。
3. 一种钢箱梁桥道系协同作用模型试验系统，其特征在于：该系统包括钢箱梁桥道系协同作用模型及施加荷载于模型之上的动力加载设备（6）和测试设备；其中：
动力加载设备（6）位于钢箱梁桥道系协同作用模型的铺装层（4）上方，用于对车轮荷载进行仿真加载；
测试设备包括工业摄像机（7）、温度应变片及分布式光纤传感器，工业摄像机位于铺装层（4）上方，用于对铺装层（4）应变片及光纤传感器的埋于铺装内部，对铺装受力状况进行测试。
4. 根据权利要求3所述的钢箱梁桥道系协同作用模型试验系统，其特征在于：所述的动力加载设备为门式动力加载设备。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20120919 |