CN103439190A - 钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置，用于研究铺装层材料的抗裂性能及疲劳寿命。对复合梁试件中心线底部进行支撑，模拟钢箱梁加劲肋作用；去除钢板两侧支撑约束，使复合梁试件能够以较小的尺寸模拟出较大的变形挠度。使得在实验室环境条件下便能够科学合理的模拟出钢桥面铺装层应用于实际桥面结构时的受力状况。依靠铺装层应力应变检测、桥梁三维整体力学分析、特殊设计的成型模具、以及裂缝观测手段，可以研究不同荷载状况、不同铺装层材料、不同环境温度等多种条件下的铺装层抗裂性能与疲劳寿命。

Description

钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置

技术领域

本发明属于道路工程领域，具体涉及一种钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置。

背景技术

大跨径钢箱梁桥面铺装的开裂破坏一直是困扰我国道路届的一个难题。诸多室内试验中表现优异，抗裂性能卓越的铺装层材料一旦应用于实际桥面铺装中，往往发生严重的裂缝病害。究其原因，在于室内评价试验无法准确合理的反映实际铺装层受力状况，而问题的核心在于缺乏能够正确模拟铺装层及钢桥面板结构特点及变形特征的试验装置。

传统钢桥面铺装层性能设计及评价过程中通常采用劈裂试验、低温弯曲试验、冲击韧性试验等对铺装层材料的抗裂性能进行评价，但试验结果只能间接反映铺装层材料的抗裂性能，而无法考虑材料应用于钢桥面铺装体系时的真实受力状况，无法获得铺装层的抗裂疲劳寿命，对抗裂性能的评价结果不够直观，试验数据对具体项目的支撑力度不足，仅能作为对比参考而使用。而现有铺装层复合梁试验引入了铺装层与桥面钢板协同变形，共同受力的特征，但依然存在边界条件与实际情况不符，加载设备作用力无法达到实际车辆荷载作用的效果等诸多问题。

因此，需要一种钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置以解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中铺装层抗裂性能评价试验装置的缺陷与不足，提供一种可以模拟钢桥面铺装层实际受力状况的钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置采用如下技术方案：

一种钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置，包括加载模具、锚固夹具、底座和复合梁试件，所述加载模具包括加载横梁和加载压板，所述锚固夹具包括夹板和锚链，所述复合梁试件包括铺装层试件和钢板，所述底座的一侧中部设置有凸起，所述钢板的一侧中部设置有加劲肋，所述加劲肋设置在所述凸起上，所述铺装层试件设置在所述钢板的另一侧，所述铺装层试件与所述钢板粘结连接，所述钢板和铺装层试件的两端通过所述夹板固定连接，所述锚链连接所述夹板和底座，所述铺装层试件的上方设置有两块所述加载压板，所述加载横梁的两端分别固定在两块所述加载压板上。

更进一步的，所述加载压板的底部粘贴有橡胶层。其中，橡胶层采用与车辆轮胎相近的橡胶材质，避免了在试验过程中铺装层试件与加载压板之间产生错位滑动，同时能够更好的模拟车轮荷载的作用。

更进一步的，所述夹板通过螺栓加紧。

更进一步的，所述凸起的顶部设置有凹槽，所述加劲肋设置在所述凹槽中。在凸起的顶部设置凹槽，加劲肋设置在凹槽中，可以防止加劲肋错位，更加稳定。

更进一步的，所述复合梁试件通过复合梁成型模具制备得到，所述复合梁成型模具包括底板、翼板、端板和紧固螺栓，所述底板的中部设置有孔，所述孔与所述钢板的加劲肋的大小相同，所述底板的两侧设置有所述翼板，所述底板的两端设置有所述端板。成型过程中首先在加劲肋钢板表面涂刷与实际桥面铺装相同材料的粘结层，然后将铺装层材料摊铺于模具之内，通过车辙成型设备碾压成型之后，连同铺装层材料与加劲肋钢板一同取出，形成复合梁试件。这种成型方式与桥面铺装实际工程中压路机碾压成型的方式更为接近，有利于保持铺装层试件与实际桥面铺装材料之间的性能一致性。配套复合梁成型装置在考虑了现有复合梁成型过程中普遍采用的静压成型法的缺点与不足，并合理利用现有车辙板成型设备，对铺装层复合梁试件采取碾压成型的装置与技术。此成型装置成型效果优越，操作简便易行，碾压成型过程与实际桥面铺装施工中采用压路机碾压的成型机理一致，有利于保证铺装层试件与实际铺装层之前的材料性能保持一致，为铺装层室内评价试验结果的可靠性提供了前提保证。

更进一步的，还包括隔板，所述孔的数量为两个，所述隔板设置在两个所述孔之间。此模具可同时成型两块复合梁试件。

更进一步的，还包括紧固螺栓，所述翼板、端板和隔板均通过所述紧固螺栓固定在所述底板上。

发明原理：

钢桥面铺装室内试验评价装置依据钢桥面正交异性板特征，通过倒T形的底座对上部复合梁试件的加肋的钢板进行支撑，同时利用加载模具使得UTM材料试验设备的加载力转化为与车轮荷载近似的均布荷载并加载于复合梁试件的上部铺装层表面，复合梁试件在荷载作用下两端产生挠度，而中线加劲肋附近由于底座支撑而保持固定，从而使得铺装层试件表面产生应力应变，模拟正交异性钢箱梁桥面板及铺装层在车辆荷载作用下的变形效应。通过一系列应力计算、初始试验、模量反算及加载力计算等过程，使得试验装置中复合梁试件铺装层在UTM加载作用下的力学响应与实际桥面铺装在车辆荷载作用下的力学响应相一致，通过观测复合梁试件铺装层的工作状况、裂缝发展状况，可以评价并预测铺装层材料应用于实际工程中的抗裂性能及疲劳寿命，在室内试验与实际工程应用之间建立可靠稳定的一致性，保证铺装层材料试验结果与实际应用效果相一致，有利于铺装层材料的选择、改进及研发。

有益效果：本发明的钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置通过加载横梁和加载压板模拟车辆轮胎作用，在铺装层试件的表面处施加均布荷载，从而使得铺装层试件在加劲肋顶部产生挠度，产生应力应变，模拟铺装层在实际使用过程中U肋、横隔板、纵隔板上方的受力状况。对复合梁试件中心线底部进行支撑，模拟钢箱梁加劲肋作用；去除钢板两侧支撑约束，使得复合梁试件能够以较小的尺寸模拟出较大的变形挠度。

附图说明

图1是本发明的钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置的结构示意图；

图2是加载压板的立体图；

图3是加载压板的左视图；

图4是加载压板的主视图；

图5是底座的立体图；

图6是底座的主视图；

图7是钢板的立体图；

图8是钢板的主视图；

图9是加载横梁的立体图；

图10是加载横梁的仰视图；

图11是加载横梁的主视图；

图12是铺装层试件的立体图；

图13是铺装层试件的主视图；

图14是复合梁成型模具的结构示意图；

图15是复合梁试件的荷载波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明的设计思路是：对复合梁试件中心线底部进行支撑，模拟钢箱梁加劲肋作用；去除钢板两侧支撑约束，使得复合梁试件能够以较小的尺寸模拟出较大的变形挠度；减小复合梁试件中的铺装层及钢板厚度，使得试验装置中铺装层能够在小于桥面实际车辆荷载的加载力情况下获得与实际状况相同的力学响应。

请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12和图13所示，本发明的钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置，包括加载模具、锚固夹具、底座8和复合梁试件。其中，加载模具包括加载横梁1和加载压板2，锚固夹具包括夹板3；4和锚链6，复合梁试件包括铺装层试件7和钢板9。铺装层试件7的厚度为25mm，钢板9的厚度为2mm。

底座8的一侧中部设置有凸起，钢板9的一侧中部设置有加劲肋，加劲肋设置在凸起上。优选的，凸起的顶部设置有凹槽，加劲肋设置在凹槽中。在凸起的顶部设置凹槽，加劲肋设置在凹槽中，可以防止加劲肋错位，更加稳定。铺装层试件7设置在钢板9的另一侧，铺装层试件7与钢板9粘结连接，钢板9和铺装层试件7的两端通过夹板3；4固定连接，夹板3；4通过螺栓5加紧。锚链6连接夹板3；4和底座8，铺装层试件7的上方设置有两块加载压板2，加载横梁1的两端分别固定在两块加载压板2上。其中，加载压板2的底部粘贴有橡胶层21。其中，橡胶层21的厚度为2mm，橡胶层采用与车辆轮胎相近的橡胶材质，避免了在试验过程中铺装层试件与加载压板之间产生错位滑动，同时能够更好的模拟车轮荷载的作用。

请参阅图14所示，复合梁试件通过复合梁成型模具制备得到，复合梁成型模具包括底板13、翼板12、端板10和紧固螺栓15，底板13的中部设置有孔14，孔14与钢板9的加劲肋的大小相同，底板13的两侧设置有翼板12，底板13的两端设置有端板10。还包括隔板11，孔14的数量为两个，隔板11设置在两个孔之间。此模具可同时成型两块复合梁试件。还包括紧固螺栓15，翼板12、端板10和隔板11均通过紧固螺栓15固定在底板13上。

成型过程中首先在加劲肋钢板9表面涂刷与实际桥面铺装相同材料的粘结层，然后将铺装层材料摊铺于模具之内，通过车辙成型设备碾压成型之后，连同铺装层材料与加劲肋钢板一同取出，形成复合梁试件。这种成型方式与桥面铺装实际工程中压路机碾压成型的方式更为接近，有利于保持铺装层试件与实际桥面铺装材料之间的性能一致性。配套复合梁成型装置在考虑了现有复合梁成型过程中普遍采用的静压成型法的缺点与不足，并合理利用现有车辙板成型设备，对铺装层复合梁试件采取碾压成型的装置与技术。此成型装置成型效果优越，操作简便易行，碾压成型过程与实际桥面铺装施工中采用压路机碾压的成型机理一致，有利于保证铺装层试件与实际铺装层之前的材料性能保持一致，为铺装层室内评价试验结果的可靠性提供了前提保证。

实施例1

本发明试验基于万能试验机UTM（Universal Test Machine）而开发，根据UTM设备环境箱的尺寸进行试验装置尺寸设计，确定铺装层试件7的平面尺寸为440mm（长）×150mm（宽）。整个试验装置由以下几个部分组成：

1.        底座8：底座8为倒T形，试验过程中固定于UTM试验平台之上，对上部的复合梁试件起到支撑作用；

2.      钢板9：钢板9的中部设置有加劲肋，模拟钢箱梁桥面钢板及加劲肋结构，试验过程中钢板肋条固定于底座8之上，模拟加劲肋支撑作用，钢板9及铺装层试件7组成的复合梁试件在荷载压板2作用下产生向下挠度；

3.      铺装层试件7：铺装层试件7采用桥面铺装上采用的同样的粘结层粘结于带加劲肋的钢板9之上，与钢板9组成复合梁试件；

4.      两端锚固夹具：两端锚固夹具由夹板4、螺栓5与锚链6组成。试验过程中通过螺栓5将夹板4夹紧复合梁试件的两端，而锚链6通过夹板4在复合梁试件两端与底座8之间形成单向约束，在保证复合梁试件稳定性的同时，保证复合梁试件两端竖向向下的自由变形，避免边界约束条件过强的不利影响；

5.      加载模具：加载模具由加载横梁1及两块加载压板2构成。使用较大的尺寸及刚度较大的金属材料，使其能够将UTM加载设备的荷载完整地传递至复合梁试件上，从而能够对加载力实现精确的控制。加载压板2底部粘贴了与车辆轮胎相近的橡胶材质，避免了在试验过程中复合梁试件与加载压板2之间产生错位滑动，同时能够更好的模拟车轮荷载的作用。

复合梁试件成型模具设计

作为铺装层复合梁试验装置的配套设备，传统复合梁试件成型均采用静压法，但效果不佳，均匀性难以控制。本发明同时设计了基于车辙板成型模具的复合梁成型模具，通过碾压成型复合梁试件。成型模具由底板13、底板13两侧的翼板12、底板13两端的端板10、底板13中间的隔板11以及紧固螺栓15组成。其中底板13上开有两个孔14，孔14的大小与加劲肋钢板9的加劲肋大小一致。成型时，将加劲肋钢板9的加劲肋对准孔14放入，加劲肋钢板9的钢板与模具底板13正好贴合。然后利用紧固螺栓15将翼板12、端板10、以及隔板11组装并固定于底板13之上，从而形成了一套复合梁碾压成型模具。此模具可同时成型两块尺寸为440mm×150mm的复合梁试件。成型过程中首先在加劲肋钢板9表面涂刷与实际桥面铺装相同材料的粘结层，然后将铺装层材料摊铺于模具之内，通过车辙成型设备碾压成型之后，连同铺装层材料与加劲肋钢板一同取出，形成复合梁试件。这种成型方式与桥面铺装实际工程中压路机碾压成型的方式更为接近，有利于保持铺装层试件与实际桥面铺装材料之间的性能一致性。

试验流程

1）、钢箱梁桥面铺装力学响应计算或检测。利用大型三维有限元分析软件对桥梁整体进行建模，同时结合子模型技术进行计算、分析，获得桥面铺装层在车辆荷载作用下的力学响应。若条件允许，则采用铺装层表面铺设粘贴检测装置，同时利用实际车辆加载的方式对铺装层施加作用，利用检测装置测得铺装层表面的应力应变。铺装层在车辆荷载作用下的力学响应是抗裂性能评价试验可靠性的前提保证；

2）、试验加载力计算。由于车辆实际荷载作用超过了UTM设备的加载力上限，因此本发明中试验装置通过削减钢板及铺装层厚度尺寸的方式来降低复合梁试件的刚度，从而使得在较小加载力作用下铺装层表面能够产生与实际情况相一致的力学响应。为控制复合梁试件铺装层表面力学响应水平，便必须依照实际铺装层力学响应，对试验中所需加载力进行换算。利用三维有限元软件对复合梁试件进行建模，通过有限元分析其铺装层表面产生与实际铺装层相当的应力应变水平时所需的加载力。准确的计算试验所需的加载力是评价试验成功与否的关键；

3）、复合梁试件的成型。利用新型的铺装层复合梁成型模具成型试件。成型过程与普通车辙板成型方式一致。由于复合梁成型模具较长，与压头弧长接近，因此在成型过程中必须注意压头及模具的相对位置，整个试件都能够被均匀碾压。

4）、抗裂性能评价试验保温及加载过程。根据桥面铺装层实际所处环境，利用UTM环境箱对整套试验装置及复合梁试件进行保温，使其温度维持在某一水平，正常保温试件为4个小时。本文在铺装层评价试验中亦采用频率为10Hz的半正弦荷载作用于铺装层复合梁试件，结合复合粱挠度信号的测试结果，10Hz的正弦荷载与车速为60km/h的行车荷载作用相当。荷载波形如图15所示。

5）、铺装层复合梁试件观测。对试验过程中的复合梁试件的状态通过各种手段，如位移观测、应变片观测以及DIC数字图像处理等技术手段对铺装层的技术状态，裂缝的产生与扩展过程进行直接或间接的观测，同时根据铺装层裂缝达到不同状态时的荷载作用次数，预测并评价铺装层的开裂疲劳寿命。

发明原理：

钢桥面铺装室内试验评价装置依据钢桥面正交异性板特征，通过倒T形的底座对上部复合梁试件的加肋的钢板进行支撑，同时利用加载模具使得UTM材料试验设备的加载力转化为与车轮荷载近似的均布荷载并加载于复合梁试件的上部铺装层表面，复合梁试件在荷载作用下两端产生挠度，而中线加劲肋附近由于底座支撑而保持固定，从而使得铺装层试件表面产生应力应变，模拟正交异性钢箱梁桥面板及铺装层在车辆荷载作用下的变形效应。通过一系列应力计算、初始试验、模量反算及加载力计算等过程，使得试验装置中复合梁试件铺装层在UTM加载作用下的力学响应与实际桥面铺装在车辆荷载作用下的力学响应相一致，通过观测复合梁试件铺装层的工作状况、裂缝发展状况，可以评价并预测铺装层材料应用于实际工程中的抗裂性能及疲劳寿命，在室内试验与实际工程应用之间建立可靠稳定的一致性，保证铺装层材料试验结果与实际应用效果相一致，有利于铺装层材料的选择、改进及研发。

本发明的钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置通过加载横梁和加载压板模拟车辆轮胎作用，在铺装层试件的表面处施加均布荷载，从而使得铺装层试件在加劲肋顶部产生挠度，产生应力应变，模拟铺装层在实际使用过程中U肋、横隔板、纵隔板上方的受力状况。

本发的钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置能够充分模拟钢桥面板，尤其是大跨径钢箱梁桥面板大变形的特点，通过三维整体有限元力学分析获得铺装层在桥梁整体变形及桥面板局部变形综合作用下的力学响应，通过一系列计算和操作使得试验装置中铺装层复合梁试件在设备加载力作用下的力学响应与实际情况相一致，从而实现合理精确的模拟仿真。试验流程逻辑缜密，试验方法合理易行，试验装置简便实用，试验结果稳定可靠。该试验装置能够完全一致的模拟铺装层表面在车辆荷载作用下的受力状况，从而为实验室内评价铺装层的实际抗裂性能，预测铺装层疲劳寿命，提供了一种合理可靠的试验方法。对工程应用中铺装层材料的选择，科研活动中铺装层材料的改进与研发，均具有十分重要的作用。

Claims (7)

1.一种钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置，其特征在于，包括加载模具、锚固夹具、底座（8）和复合梁试件，所述加载模具包括加载横梁（1）和加载压板（2），所述锚固夹具包括夹板（3；4）和锚链（6），所述复合梁试件包括铺装层试件（7）和钢板（9），所述底座（8）的一侧中部设置有凸起，所述钢板（9）的一侧中部设置有加劲肋，所述加劲肋设置在所述凸起上，所述铺装层试件（7）设置在所述钢板（9）的另一侧，所述铺装层试件（7）与所述钢板（9）粘结连接，所述钢板（9）和铺装层试件（7）的两端通过所述夹板（3；4）固定连接，所述锚链（6）连接所述夹板（3；4）和底座（8），所述铺装层试件（7）的上方设置有两块所述加载压板（2），所述加载横梁（1）的两端分别固定在两块所述加载压板（2）上。

2.如权利要求1所述的钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置，其特征在于，所述加载压板（2）的底部粘贴有橡胶层（21）。

3.如权利要求1所述的钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置，其特征在于，所述夹板（3；4）通过螺栓（5）加紧。

4.如权利要求1所述的钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置，其特征在于，所述凸起的顶部设置有凹槽，所述加劲肋设置在所述凹槽中。

5.如权利要求1所述的钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置，其特征在于，所述复合梁试件通过复合梁成型模具制备得到，所述复合梁成型模具包括底板（13）和翼板（12）、端板（10），所述底板（13）的中部设置有孔（14），所述孔（14）与所述钢板（9）的加劲肋的大小相同，所述底板（13）的两侧设置有所述翼板（12），所述底板（13）的两端设置有所述端板（10）。

6.如权利要求5所述的钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置，其特征在于，还包括隔板（11），所述孔（14）的数量为两个，所述隔板（11）设置在两个所述孔（14）之间。

7.如权利要求6所述的钢桥面铺装抗裂性能评价试验装置，其特征在于，还包括紧固螺栓（15），所述翼板（12）、端板（10）和隔板（11）均通过所述紧固螺栓（15）固定在所述底板（13）上。

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