CN104568616B - 一种桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台，包括：加载单元，用于在行走导向系统和竖向加载系统的控制下在桥面结构试件上进行水平方向的往复运动，以实现对试件的疲劳加载测试；反力架，承担加载单元在试件上往复运动中产生的反作用力；行走导向系统，驱动加载单元在试件上进行水平方向的往复运动；竖向加载系统，驱动加载单元对试件进行竖向加载；温度控制系统，控制桥面结构试件的工作温度；中央控制系统，控制行走导向系统、竖向加载系统和温度控制系统。本发明实现了车轮滚动单向和双向加载，增加了车轮模拟样式和轮载施加样式，能够合理模拟桥面结构的工作环境，提升了实际车轮模拟水平，提高了车轮加载效率和精度，适用范围广。

Description

一种桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台

技术领域

本发明涉及一种能够用于桥面结构疲劳试验、能模拟车轮通过效应的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台，属于桥梁工程领域。

背景技术

随着国民经济的快速发展，交通流量及车辆荷载越来越大，重载交通下正交异性钢桥面板、混凝土桥面板等桥面结构的疲劳劣化问题十分突出，改进桥面结构耐久性、延长使用寿命、保证桥梁结构安全的任务日益紧迫。

目前，由于数值模拟技术存在残余应力场模拟、局部应力分析、多轴疲劳效应考量、疲劳抗力确定、疲劳寿命评估等技术难题难以解决，因此研究结构疲劳问题最有效的方法还是模型疲劳试验，特别是能准确反映实际结构形式、边界约束条件、制造安装工艺、荷载施加特点的大型足尺模型疲劳试验。不合理的试验方案会导致一些似是而非的错误，需要谨慎对待。对于直接承受车轮荷载的桥面结构，其模型疲劳试验需重点解决的是能准确模拟车轮通过效应的荷载施加问题。既有试验结果表明，如不考虑该效应，正交异性钢桥面板部分细节疲劳强度等级将被高估，混凝土桥面板疲劳裂纹模式将发生根本变化。

对于桥面结构疲劳试验，目前可供采用的能模拟车轮通过效应的疲劳加载设备主要有以下3类：

(1)多作动器固定点顺次加载，比较典型的是2000年前后美国里海大学在对Williamsburg大桥和Bronx-Whitestone大桥桥面改造工程所进行的正交异性钢桥面板试验。这种方法在多作动器之间设置相位差，以离散加载代替连续加载，技术简单，能充分利用现有试验设备，但由于作动器数量有限，因此加载不连续，只能近似模拟车轮通过，对某些构造可能无法产生最不利的加载效应。

(2)路面加速试验装置。目前用于路面及桥面铺装的加速试验装置种类较多，如澳大利亚ALF装置、南非HVS装置、南非MLS装置等，这些产品相对成熟，加载方式理想，但还没有实际采用该装置进行桥面结构疲劳试验的报道。究其原因，主要是这些设备以满足使用寿命短(一般5年左右)的路面加速试验低次数、大标距、标准轮载、环境可控的要求为开发目标，轮载较小(不超过150kN)，大轮载下加载频率很低(不到10次/分钟)，每次试验作用次数不超过50万次；但对于使用寿命长(一般超过70年)的桥面结构疲劳试验高次数、大轮载、高频率、低成本的要求，采用以上小轮载、低频率的路面加速试验装置将导致试验时间(每次试验作用次数超过500万次)和成本难以估量，不具可行性。

(3)轮荷重走行疲劳试验机。为了克服路面加速试验装置研究桥面结构疲劳性能在轮载和频率上的不适用性问题，日本在1990年代开发了以曲柄连杆机构为主要原理的轮荷重走行疲劳试验机，轮载达500kN，加载频率30次/分钟，据查目前日本该设备保有量不到10台，还没有定型产品。这类设备大大推进了桥面结构疲劳研究，然而存在两个重大不足：一是轮载往复双方向施加，与实际车流一般单向通行不同；二是轮载仅通过蓄能器施加，无反馈控制，对桥面结构刚度变化敏感，加载误差大(达到5％)，且运行过程中轮载无法调节。

为了提升车轮对桥面结构的滚动疲劳加载模拟水平，迫切需要研究能够实现车轮滚动单向、双向加载，能够实现多种轮载施加模式，提升实际车轮模拟水平，而且加载频率高、加载精度高、加载范围宽的新型疲劳加载试验平台。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种能够实现车轮滚动单向、双向加载，能够合理模拟桥面结构的工作环境，能够实现多种轮载施加模式，提升实际车轮模拟水平，而且加载频率高、加载精度高、加载范围宽的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台，包括加载单元、反力架、行走导向系统、竖向加载系统、温度控制系统和中央控制系统，其中：加载单元，用于在行走导向系统和竖向加载系统的控制下在桥面结构试件上进行水平方向的往复运动，以实现对桥面结构试件的疲劳加载测试；反力架，用于承担加载单元在桥面结构试件上往复运动中产生的反作用力；行走导向系统，用于驱动加载单元在桥面结构试件上进行水平方向的往复运动；竖向加载系统，用于驱动加载单元对桥面结构试件进行竖向加载；温度控制系统，用于控制桥面结构试件的工作温度；中央控制系统，用于控制行走导向系统、竖向加载系统和温度控制系统，从而控制加载单元在桥面结构试件上进行的竖向和水平运动、以及桥面结构试件的工作温度。

上述方案中，所述反力架由立柱11、横梁12、联系梁13、承载梁14、垂直升降装置15、水平移位装置16构成，反力架的基频Ω为加载单元最大加载频率ω的1.5倍以上，避免平台运行时发生共振。

上述方案中，在所述反力架中，立柱11有4个，立柱11底部固定在地基6上；立柱11上设有垂直升降装置15，通过垂直升降装置15驱动联系梁13；联系梁13沿立柱11垂直滑动，其在距地面1.0-2.5m范围内的任意位置自锁；联系梁13上设有水平移位装置16，承载梁14通过水平移位装置16沿联系梁13水平滑动；承载梁14下部的水平导向轨道上安装加载单元，加载单元在横向±1m范围内任意位置自锁。

上述方案中，所述加载单元由支撑架21和加载轮22构成，其中：支撑架21安装在承载梁14下部的水平导向轨道上，其在行走导向系统的曲柄连杆机构31的驱动下进行水平方向的往复运动；支撑架21下部安装加载轮22，加载轮22与支撑架21之间安装竖向加载系统的伺服作动器41，伺服作动器41根据竖向加载系统的电液伺服控制指令对加载轮22施加竖向压力P；加载轮22采用钢轮或橡胶轮，形成单轴单轮、单轴双轮或多轴双轮组，以模拟实际车轮组样式；橡胶轮采用货车或工程车辆车轮，直径不小于1000mm，单轮设计承载力不小于50kN；钢轮直径700mm，宽度300mm，单轮设计承载力不小于70kN。

上述方案中，所述行走导向系统包括安装在承载梁14下面的曲柄连杆机构31，安装在地面上的电源33、电机控制系统，以及连接电缆，其中：曲柄连杆机构由变频电机34、曲柄35、连杆36、减速箱37和惯性轮38构成；电机控制系统控制变频电机34转动，变频电机34驱动减速箱37，减速箱37输出端与曲柄35连接，从而驱动曲柄35和连杆36，带动与连杆36远端相连的加载单元进行水平方向的往复运动；曲柄连杆机构31通过在减速箱37高速端安装惯性轮38，能够有效控制变频电机34的速度波动；在行走导向系统的驱动下，加载单元在水平方向的往复运动频率不低于35往复/分钟，在桥面结构试件长度方向作用行程为±2.0m，稳定加载的有效作用行程不小于±1.8m。

上述方案中，所述竖向加载系统包括安装在加载单元上的伺服作动器41、蓄能器42，安装在地面上的液压源、电液伺服控制系统，以及用于连接的液压管路和电缆，其中：电液伺服控制系统控制伺服作动器加载，其带有控制和反馈功能，能够控制伺服作动器做闭环动作；伺服作动器对加载单元的加载轮22为单向或双向加载，施加的竖向压力P在0～500kN范围内无级可调，P的模式能够模拟实际车轮加载的波形，至少包括正弦波、方波、斜波、三角波和随机波；P的频率最高为3Hz，P的精度为±2.0％；伺服作动器在加载过程所需要的瞬时大流量供油除液压源提供外由蓄能器42提供，以降低液压源的流量和功率；伺服作动器的液压缸采用无摩擦式油缸，能够满足系统长时间高频加载的需要。

上述方案中，所述温度控制系统包括调节桥面结构试件温度的温度供应器51、封闭桥面结构试件四周的隔离门52、控制桥面结构试件温度的温度控制器53、测试桥面结构试件的温度传感器54，以及用于连接的电源和电缆，其中：温度供应器51用于调节桥面结构试件温度的介质为气体，温度调节范围：-30℃～+80℃，温度调节精度为±1℃；桥面结构试件5的底部通过轨道7固定在地基6上。

上述方案中，所述中央控制系统由中央测控系统、视频监控系统和数据采集系统构成，其控制行走导向系统、竖向加载系统和温度控制系统，从而控制加载单元在桥面结构试件上进行的竖向和水平运动、以及桥面结构试件的工作温度。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台，加载车轮可为橡胶轮或钢轮，可形成单轴单轮组、单轴双轮组、双轴双轮组。车轮组对桥面结构试件施加的垂向压力可为单向或双向加载，施加的竖向压力在0～500kN范围内无级可调，加载模式可以模拟实际车轮加载的波形(如正弦波、方波、斜波、三角波、随机波等)，加载频率最高为3Hz、精度为±2.0％。因此，实现了车轮组滚动单向、双向加载，实现了多种轮载加载模式和组合样式，而且加载频率高、精度高、轮载大。

2、本发明提供的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台，车轮组在桥面结构试件水平方向的往复运动频率不低于35往复/分钟，在试件长度方向作用行程为±2.0m，稳定加载的有效作用行程不小于±1.8m；车轮组在桥面结构试件宽度方向可在±1m范围内调节，在桥面结构试件竖直方向可在距地面1.0m-2.5m范围内调节。因此，实现了车轮组对桥面结构试件长度、宽度、高度三个方向宽范围的高效、稳定加载的能力。

3、本发明提供的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台，温度控制系统可以方便地调节桥面结构试件在车轮荷载作用时的工作温度，调节温度的介质为气体、温度调节范围达-30℃～+80℃、温度调节精度为±1℃，能够比较真实地模拟桥面结构发生疲劳劣化时的温度环境。

4、本发明提供的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台，不仅适用于桥面结构，还可以适用于桥面(或路面)铺装结构、桥梁伸缩装置等多种结构，适用范围广，而且便于使用和维修、经济性好。

附图说明

图1为本发明提供的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台的示意图，其中，图1(a)和图1(b)是轮式滚动疲劳加载试验平台的侧视图，图1(c)是轮式滚动疲劳加载试验平台的立体图；

图2为本发明提供的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台中反力架的示意图，其中，图2(a)是反力架的侧视图，图2(b)是反力架的立体图；

图3为本发明提供的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台中加载单元的示意图，其中，图3(a)是加载单元的侧视图，图3(b)是加载单元的立体图；

图4为本发明提供的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台中曲柄连杆机构的示意图，其中，图4(a)是曲柄连杆机构的侧视图，图4(b)是曲柄连杆机构的立体图。

图5为本发明提供的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台中桥面结构试件温度控制系统的示意图。

附图标记：桥面结构试件5；地基6；轨道7；立柱11；横梁12；联系梁13；承载梁14；垂直升降装置15；水平移位装置16；支撑架21；加载轮22；曲柄连杆机构31；电源33；变频电机34；曲柄35；连杆36；减速箱37；惯性轮38；伺服作动器41；蓄能器42；温度供应器51；隔离门52；温度控制器53、温度传感器54。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1(a)至图1(c)所示，本发明提供了一种桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台，包括加载单元、反力架、行走导向系统、竖向加载系统、温度控制系统和中央控制系统，其中：加载单元，用于在行走导向系统和竖向加载系统的控制下在桥面结构试件上进行水平方向的往复运动，以实现对桥面结构试件的疲劳加载测试；反力架，用于承担加载单元在桥面结构试件上往复运动中产生的反作用力；行走导向系统，用于驱动加载单元在桥面结构试件上进行水平方向的往复运动；竖向加载系统，用于驱动加载单元对桥面结构试件进行竖向加载；温度控制系统，用于控制桥面结构试件的工作温度；中央控制系统，用于控制行走导向系统、竖向加载系统和温度控制系统，从而控制加载单元在桥面结构试件上进行的竖向和水平运动、以及桥面结构试件的工作温度。

如图2(a)及图2(b)所示，反力架用于承担加载单元运行中产生的反力，由立柱11、横梁12、联系梁13、承载梁14、垂直升降装置15、水平移位装置16构成。反力架的基频Ω为加载单元最大加载频率ω的1.5倍以上，避免平台运行时发生共振。

在图2(a)及图2(b)所示的反力架中，立柱11可有4个，立柱11底部固定在地基6上。立柱11上设有垂直升降装置15，通过垂直升降装置15驱动联系梁13；联系梁13可以沿立柱11垂直滑动，其可在距地面1.0-2.5m范围内的任意位置自锁。联系梁13上设有水平移位装置16，承载梁14通过水平移位装置16沿联系梁13水平滑动；承载梁14下部的水平导向轨道上安装加载单元，加载单元可在横向±1m范围内任意位置自锁。

如图3(a)及图3(b)所示，加载单元由支撑架21和加载轮22构成。支撑架21安装在承载梁14下部的水平导向轨道上，其在行走导向系统的曲柄连杆机构31的驱动下进行水平方向的往复运动。支撑架21下部安装加载轮22，加载轮22与支撑架21之间安装竖向加载系统的伺服作动器41，伺服作动器41可根据竖向加载系统的电液伺服控制指令对加载轮22施加竖向压力P。加载单元的动作由行走导向系统和竖向加载系统控制，产生的反力由反力架承担。

在图3(a)及图3(b)所示的加载单元中，加载轮22可采用钢轮或橡胶轮，形成单轴单轮、单轴双轮或多轴双轮组，以模拟实际车轮组样式。橡胶轮采用货车或工程车辆车轮，直径不小于1000mm，单轮设计承载力不小于50kN；钢轮直径700mm，宽度300mm，单轮设计承载力不小于70kN。

行走导向系统用于驱动加载单元作水平方向的往复运动，包括安装在承载梁14下面的曲柄连杆机构31，安装在地面上的电源33、电机控制系统，以及安装在各部件之间的电缆。如图4(a)及图4(b)所示，曲柄连杆机构由变频电机34、曲柄35、连杆36、减速箱37和惯性轮38构成。电机控制系统控制变频电机34转动，变频电机34驱动减速箱37，减速箱37输出端与曲柄35连接，从而驱动曲柄35和连杆36，带动与连杆36远端相连的加载单元进行水平方向的往复运动。加载单元在水平方向的往复运动频率不低于35往复/分钟，在桥面结构试件5长度方向作用行程为±2.0m，稳定加载的有效作用行程不小于±1.8m。

在行走导向系统中，曲柄连杆机构31通过在减速箱37高速端安装惯性轮38，可有效控制变频电机34的速度波动。

竖向加载系统用于驱动加载单元对桥面结构试件5进行竖向加载，包括安装在加载单元上的伺服作动器41、蓄能器42，如图3(a)及图3(b)所示，安装在地面上的液压源、电液伺服控制系统，以及安装在各部件之间的液压管路和电缆。电液伺服控制系统控制伺服作动器加载，其带有控制和反馈功能，可以控制伺服作动器做闭环动作。伺服作动器对加载单元的加载轮22可为单向或双向加载，施加的竖向压力P在0～500kN范围内无级可调，P的模式可以模拟实际车轮加载的波形，例如正弦波、方波、斜波、三角波和随机波等；P的频率最高为3Hz，P的精度为±2.0％。

在竖向加载系统中，伺服作动器在加载过程所需要的瞬时大流量供油除液压源提供外由蓄能器42提供，以降低液压源的流量和功率。伺服作动器的液压缸采用无摩擦式油缸，可满足系统长时间高频加载的需要。

如图5所示，温度控制系统包括调节桥面结构试件温度的温度供应器51、封闭桥面结构试件四周的隔离门52、控制桥面结构试件温度的温度控制器53、测试桥面结构试件的温度传感器54，以及用于连接的电源和电缆，其中：温度供应器51用于调节桥面结构试件温度的介质为气体，温度调节范围为-30℃～+80℃，温度调节精度为±1℃；桥面结构试件5的底部通过轨道7固定在地基6上。

中央控制系统由中央测控系统、视频监控系统和数据采集系统构成，其控制行走导向系统、竖向加载系统和温度控制系统，从而控制加载单元在桥面结构试件上进行的竖向和水平运动、以及桥面结构试件的工作温度。

本发明提供的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台，能够实现车轮组滚动单向、双向加载，能够合理模拟桥面结构的工作环境，以及多种轮载加载模式和组合样式，加载频率高、范围宽、精度高、轮载大，不仅适用于桥面结构，还适用于桥面(或路面)铺装结构、桥梁伸缩装置等多种结构，适用范围广，而且便于使用和维修、经济性好。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台，其特征在于，包括加载单元、反力架、行走导向系统、竖向加载系统、温度控制系统和中央控制系统，其中：

加载单元，用于在行走导向系统和竖向加载系统的控制下在桥面结构试件上进行水平方向的往复运动，以实现对桥面结构试件的疲劳加载测试；其中所述加载单元由支撑架(21)和加载轮(22)构成，支撑架(21)安装在承载梁(14)下部的水平导向轨道上，其在行走导向系统的曲柄连杆机构(31)的驱动下进行水平方向的往复运动；支撑架(21)下部安装加载轮(22)，加载轮(22)与支撑架(21)之间安装竖向加载系统的伺服作动器(41)，伺服作动器(41)根据竖向加载系统的电液伺服控制指令对加载轮(22)施加竖向压力P；加载轮(22)采用钢轮或橡胶轮，形成单轴单轮、单轴双轮或多轴双轮组，以模拟实际车轮组样式；橡胶轮采用货车或工程车辆车轮，直径不小于1000mm，单轮设计承载力不小于50kN；钢轮直径700mm，宽度300mm，单轮设计承载力不小于70kN；

反力架，用于承担加载单元在桥面结构试件上往复运动中产生的反作用力；所述反力架由立柱(11)、横梁(12)、联系梁(13)、承载梁(14)、垂直升降装置(15)、水平移位装置(16)构成，反力架的基频Ω为加载单元最大加载频率ω的1.5倍以上，避免平台运行时发生共振；

行走导向系统，用于驱动加载单元在桥面结构试件上进行水平方向的往复运动；

竖向加载系统，用于驱动加载单元对桥面结构试件进行竖向加载；其中所述竖向加载系统包括安装在加载单元上的伺服作动器(41)、蓄能器(42)，安装在地面上的液压源、电液伺服控制系统，以及用于连接的液压管路和电缆，其中，电液伺服控制系统控制伺服作动器加载，其带有控制和反馈功能，能够控制伺服作动器做闭环动作；伺服作动器对加载单元的加载轮(22)为单向或双向加载，施加的竖向压力P在0～500kN范围内无级可调，P的模式能够模拟实际车轮加载的波形，至少包括正弦波、方波、斜波、三角波和随机波；P的频率最高为3Hz，P的精度为±2.0％；伺服作动器在加载过程所需要的瞬时大流量供油除液压源提供外由蓄能器(42)提供，以降低液压源的流量和功率；伺服作动器的液压缸采用无摩擦式油缸，能够满足系统长时间高频加载的需要；

温度控制系统，用于控制桥面结构试件的工作温度；其中所述温度控制系统包括调节桥面结构试件温度的温度供应器(51)、封闭桥面结构试件四周的隔离门(52)、控制桥面结构试件温度的温度控制器(53)、测试桥面结构试件的温度传感器(54)，以及用于连接的电源和电缆，其中，温度供应器(51)用于调节桥面结构试件温度的介质为气体，温度调节范围：-30℃～+80℃，温度调节精度为±1℃；桥面结构试件(5)的底部通过轨道(7)固定在地基(6)上；

中央控制系统，用于控制行走导向系统、竖向加载系统和温度控制系统，从而控制加载单元在桥面结构试件上进行的竖向和水平运动、以及桥面结构试件的工作温度。

2.根据权利要求1所述的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台，其特征在于，所述反力架中，立柱(11)有4个，立柱(11)底部固定在地基(6)上；立柱(11)上设有垂直升降装置(15)，通过垂直升降装置(15)驱动联系梁(13)；联系梁(13)沿立柱(11)垂直滑动，其在距地面1.0-2.5m范围内的任意位置自锁；联系梁(13)上设有水平移位装置(16)，承载梁(14)通过水平移位装置(16)沿联系梁(13)水平滑动；承载梁(14)下部的水平导向轨道上安装加载单元，加载单元在横向±1m范围内任意位置自锁。

3.根据权利要求1所述的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台，其特征在于，所述行走导向系统包括安装在承载梁(14)下面的曲柄连杆机构(31)，安装在地面上的电源(33)、电机控制系统，以及连接电缆，其中：

曲柄连杆机构由变频电机(34)、曲柄(35)、连杆(36)、减速箱(37)和惯性轮(38)构成；电机控制系统控制变频电机(34)转动，变频电机(34)驱动减速箱(37)，减速箱(37)输出端与曲柄(35)连接，从而驱动曲柄(35)和连杆(36)，带动与连杆(36)远端相连的加载单元进行水平方向的往复运动；

曲柄连杆机构(31)通过在减速箱(37)高速端安装惯性轮(38)，能够有效控制变频电机(34)的速度波动；

在行走导向系统的驱动下，加载单元在水平方向的往复运动频率不低于35往复/分钟，在桥面结构试件长度方向作用行程为±2.0m，稳定加载的有效作用行程不小于±1.8m。

4.根据权利要求1所述的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台，其特征在于，所述中央控制系统由中央测控系统、视频监控系统和数据采集系统构成，其控制行走导向系统、竖向加载系统、温度控制系统，从而控制加载单元在桥面结构试件上进行的竖向和水平运动、以及桥面结构试件的工作温度。