CN103471924B - 钢桥面与铺装界面剪切试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢桥面与铺装界面剪切试验装置，该装置包括底板(14)、自底板（14）分别竖直延伸的左侧侧向支撑板（1）和右侧侧向支撑板（8）、放置在底板（14）上的试件夹具（12）、设置在左侧侧向支撑板（1）和试件夹具（12）之间且分别与左侧侧向支撑板（1）和试件夹具（12）连接的千斤顶（2）、设在左侧侧向支撑板（1）和试件夹具（12）之间的试件夹具导杆（13）、设在试件夹具（12）上方的试件夹具盖板（3）；设置在底板（14）上的试件侧压板（9）。本发明能够有效测试钢桥面与铺装界面的剪切性能，满足不同试验温度的需要，适用于钢桥面与铺装界面的设计与研究、室内试验以及工程检测。

Description

钢桥面与铺装界面剪切试验装置

技术领域

本发明属于公路钢结构桥梁桥面铺装技术领域，涉及钢桥面铺装结构力学特性的测试装置，尤其是钢桥面与铺装界面剪切试验装置。

背景技术

我国已建和在建的跨越江河、岛屿、海湾、峡谷的大跨径钢桥已逾百座，桥面系统普遍采用正交异性板和沥青混凝土铺装。钢桥面铺装在行车荷载、温度变化及桥梁振动等因素的综合影响下，受力与变形复杂，各种病害频发，使用寿命远低于预期。钢桥面与铺装界面破坏是钢桥面铺装的主要病害形式之一。由于钢桥面板较为光滑，且易受环境温度变化的影响，尤其夏季高温期桥面实测温度可达70℃，界面成为铺装结构中的薄弱环节，在车辆荷载的作用下容易因粘结失效而产生破坏。界面破坏将导致钢桥面铺装结构产生脱层、滑移、拥包和开裂等病害，外界的水将直接侵入铺装内部和钢桥面板，导致铺装体系崩溃性破坏，并诱发钢桥面板在应力腐蚀环境中锈蚀和断裂，危害桥梁结构安全。因此，界面是影响钢桥面铺装使用性能和使用寿命的关键因素之一。

钢桥面与铺装界面破坏的力学原因主要包括：（1）车辆加速或刹车导致界面产生的纵桥向剪应力；（2）钢桥面板与铺装复合结构在车辆荷载作用下弯曲变形导致界面产生横桥向和纵桥向剪应力；（3）由于桥面斜坡在界面横向和纵向引起的剪应力；（4）由于钢与铺装材料热膨胀与热收缩系数差异引起的剪应力。因此，界面的抗剪性能是钢桥面铺装结构的重要力学指标，必须对此进行准确地测试。

目前国内外针对钢桥面与铺装界面力学性能的研究较少，还没有形成标准试验方法，试验设备也较为欠缺，往往沿用路面层间性能测试时采用的拉拔和斜剪等试验装置。然而，这些试验装置无法准确地测试钢桥面与铺装界面受剪时的破坏情况，比如拉拔试验模式与界面在车辆荷载作用下压应力与剪应力共存的真实受力状况存在差异，所得到的评价指标是相对强度；而斜剪试验受到夹具的限制，试件尺寸与钢桥面铺装结构不符，试件破坏面难以保证在界面上，试验结果离散性较大，对于测试特定正应力条件下的界面剪切性能也较为困难。因此，目前现有的试验装置不能准确测试钢桥面与铺装界面的剪切特性，导致试验结果的偏差，无法正确指导钢桥面铺装的设计和施工。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是：提供一种兼容多种试验条件、试验数据准确、使用方便的钢桥面与铺装界面剪切试验装置，能够测试界面在压应力与剪应力共存情况下的剪切力学特性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种钢桥面与铺装界面剪切试验装置，该装置包括

底板、自底板分别竖直延伸的左侧侧向支撑板和右侧侧向支撑板、放置在底板上且位于左侧侧向支撑板和右侧侧向支撑板之间的试件夹具、设置在左侧侧向支撑板和试件夹具之间且分别与左侧侧向支撑板和试件夹具连接的千斤顶、设在左侧侧向支撑板和试件夹具之间的试件夹具导杆、设在试件夹具上方的试件夹具盖板；

设置在底板上且位于试件夹具与右侧侧向支撑板之间的试件侧压板、设置在右侧侧向支撑板和试件侧压板之间且分别与右侧侧向支撑板和试件侧压板连接的力传感器、设在右侧侧向支撑板和试件侧压板之间的试件侧压板导杆；

试件夹具用于放置试件，其沿试件夹具导杆水平移动；

试件侧压板一侧装有滚轴并通过滚轴与试件的钢板接触，从而使试件的钢板部分受竖向力作用向下移动时在与试件侧压板的接触面上受到滚动磨擦，试件侧压板沿试件侧压板导杆水平移动；

力传感器的中心与试件中心、千斤顶的中心处于同一水平面。

优选的，试件夹具和试件夹具盖板通过螺栓连接。

优选的，左侧侧向支撑板和右侧侧向支撑板分别采用梯形加劲固定在底板上。

优选的，通过试件夹具将试件的混凝土部分固定在试件夹具内，试件的钢板部分在试件夹具外，试件界面与试件夹具边缘在同一竖直面上。

优选的，通过千斤顶在试件界面施加0-5MPa的任意正应力。

有益效果：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.针对各种尺寸的试件采用不同的试件夹具，在环境箱中模拟不同温度的环境条件，测试钢桥面与铺装界面在温度、荷载耦合作用下的剪切性能，使得剪切试验结果能够准确地反映出界面的剪切特性，完善现有试验装置的不足。

2.通过千斤顶可在试件界面施加0-5MPa的任意正应力，涵盖了钢桥面与铺装界面在车辆荷载作用下可能产生的所有正应力状况，克服了现有试验装置无法在界面上施加特定正应力的不足。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为试件夹具、试件夹具盖板、螺栓、试件、滚轴和试件侧压板的剖面图。

图4为剪切试验后试件夹具、试件夹具盖板、螺栓、试件、滚轴和试件侧压板的剖面图。

图中，1－左侧侧向支撑板，2－千斤顶，3－试件夹具盖板，4－螺栓，5－滚轴，6－力传感器，7－试件侧压板导杆，8－右侧侧向支撑板，9－试件侧压板，10－试件，11－试件界面，12－试件夹具，13－试件夹具导杆，14－底板。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

本发明提供的钢桥面与铺装界面剪切试验装置，该装置包括底板14、自底板14分别竖直延伸的左侧侧向支撑板1和右侧侧向支撑板8、放置在底板14上且位于左侧侧向支撑板1和右侧侧向支撑板8之间的试件夹具12、设置在左侧侧向支撑板1和试件夹具12之间且分别与左侧侧向支撑板1和试件夹具12连接的千斤顶2、设在左侧侧向支撑板1和试件夹具12之间的试件夹具导杆13、设在试件夹具12上方的试件夹具盖板3。

设置在底板14上且位于试件夹具12与右侧侧向支撑板8之间的试件侧压板9、设置在右侧侧向支撑板8和试件侧压板9之间且分别与右侧侧向支撑板8和试件侧压板9连接的力传感器6、设在右侧侧向支撑板8和试件侧压板9之间的试件侧压板导杆7。

试件夹具12用于放置试件10，其沿试件夹具导杆13水平移动。

试件侧压板9一侧装有滚轴5并通过滚轴5与试件10的钢板接触，从而使试件10的钢板部分受竖向力作用向下移动时在与试件侧压板9的接触面上受到滚动磨擦，试件侧压板9沿试件侧压板导杆7水平移动；

力传感器6的中心与试件10中心、千斤顶2的中心处于同一水平面。

试件夹具12和试件夹具盖板3通过螺栓连接。

左侧侧向支撑板1和右侧侧向支撑板8分别采用梯形加劲固定在底板上。

通过试件夹具12将试件10的混凝土部分固定在试件夹具12内，试件10的钢板部分在试件夹具12外，试件界面11与试件夹具12边缘在同一竖直面上。

通过千斤顶2在试件界面11施加0-5MPa的任意正应力。

本发明的主要特点如下：

1.本发明可放入环境箱中，以模拟不同温度的环境条件，并利用多功能材料试验系统（如MTS、UTM等）进行竖向荷载控制和数据采集，通过剪切试验测试钢桥面与铺装界面在温度、荷载耦合作用下的剪切性能，由于该设计考虑了钢桥面铺装的使用环境，使得剪切试验结果能够准确地反映出界面的剪切特性，完善目前试验装置的不足。

2.试件夹具为装配式，通过更换不同尺寸的试件夹具可满足不同尺寸试件的试验要求。

3.将竖向荷载作用于钢板上，可以获得更加均匀的界面剪应力分布，减少局部效应及试验结果的偏差。

4.试件夹具和试件侧压板的水平移动采用导轨控制，保证了试件正应力施加的均匀性和试验系统的稳定性。

5.通过千斤顶可在试件界面施加0-5MPa的任意正应力，涵盖了钢桥面与铺装界面在车辆荷载作用下可能产生的所有正应力状况，克服了现有试验装置无法在界面上施加特定正应力的不足。

6.通过千斤顶可在试件界面施加一组不同正应力，分别测试对应的剪切强度，根据摩尔－库仑理论即可确定界面的剪切强度包络图，并求得界面的内磨擦角和粘聚力等重要力学参数。

采用本发明进行钢桥面与铺装界面剪切试验的一个具体实施过程为：

1.试件制作

采用轮碾成形法制作测试钢桥面与铺装界面剪切特性的试件，先将钢板放入专用试模内，然后洒布粘结材料，再放入铺装材料并用轮碾压实，冷却后脱模为方型复合试件10，钢板和铺装材料之间为试件界面11。

2.试验准备

开始试验前，将如图1所示的钢桥面与铺装界面剪切试验装置和试件10放入环境箱中，设置需要的试验温度并保温4h。

将钢桥面与铺装界面试件10的混凝土部分放置在试件夹具12内，使试件界面11与试件夹具12边缘在同一竖直面上，再将试件夹具盖板3放在试件夹具12上，调节位置使两者的空心孔同心，通过紧固螺栓4将试件夹具盖板3固定在试件夹具12上并夹紧试件10。

3.试验过程

待试验准备工作结束后，操作千斤顶2使之产生水平压力；试件10在水平压力作用下与滚轴5紧密接触；通过力传感器6监测水平压力的大小，直至试件界面11产生需要的正应力。开动加载设备，通过加载设备的控制系统启动试验，使加载设备沿竖直方向向下压动试件10的钢板部分，滚轴5同时转动，试件界面11的剪应力不断增大，直至试件发生剪切破坏为止，试验结束；剪切试验后试件夹具、试件夹具盖板、螺栓、试件、滚轴和试件侧压板的剖面图见图4。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (4)

1.一种钢桥面与铺装界面剪切试验装置，其特征在于：该装置包括

底板(14)、自底板(14)分别竖直延伸的左侧侧向支撑板(1)和右侧侧向支撑板(8)、放置在底板(14)上且位于左侧侧向支撑板(1)和右侧侧向支撑板(8)之间的试件夹具(12)、设置在左侧侧向支撑板(1)和试件夹具(12)之间且分别与左侧侧向支撑板(1)和试件夹具(12)连接的千斤顶(2)、设在左侧侧向支撑板(1)和试件夹具(12)之间的试件夹具导杆(13)、设在试件夹具(12)上方的试件夹具盖板(3)；

设置在底板(14)上且位于试件夹具(12)与右侧侧向支撑板(8)之间的试件侧压板(9)、设置在右侧侧向支撑板(8)和试件侧压板(9)之间且分别与右侧侧向支撑板(8)和试件侧压板(9)连接的力传感器(6)、设在右侧侧向支撑板(8)和试件侧压板(9)之间的试件侧压板导杆(7)；

试件夹具(12)用于放置试件(10)，其沿试件夹具导杆(13)水平移动；试件(10)中钢板部分与混凝土部分的接触面为试件界面(11)；通过试件夹具(12)将试件(10)的混凝土部分固定在试件夹具(12)内，试件(10)的钢板部分在试件夹具(12)外，试件界面(11)与试件夹具(12)边缘在同一竖直面上；

试件侧压板(9)一侧装有滚轴(5)并通过滚轴(5)与试件(10)的钢板接触，从而使试件(10)的钢板部分受竖向力作用向下移动时在与试件侧压板(9)的接触面上受到滚动磨擦，试件侧压板(9)沿试件侧压板导杆(7)水平移动；

力传感器(6)的中心与试件(10)中心、千斤顶(2)的中心处于同一水平面。

2.根据权利要求1所述的钢桥面与铺装界面剪切试验装置，其特征在于：试件夹具(12)和试件夹具盖板(3)通过螺栓连接。

3.根据权利要求1所述的钢桥面与铺装界面剪切试验装置，其特征在于：左侧侧向支撑板(1)和右侧侧向支撑板(8)分别采用梯形加劲固定在底板上。

4.根据权利要求1所述的钢桥面与铺装界面剪切试验装置，其特征在于：通过千斤顶(2)在试件界面(11)施加0-5MPa的任意正应力。