CN104897491A - 钢桥面铺装疲劳开裂试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种钢桥面铺装疲劳开裂试验装置，试件安装在试验装置上，其特征在于：试验装置包括用于施加荷载的试验平台，以及用于模拟试件受力的试验模型，试验模型包括一个支撑底座，支撑底座具有至少两个立柱，立柱上安装加载板，通过夹具将加载板与试件固定在一起。上述钢桥面铺装疲劳开裂试验装置的试验方法，包括如下步骤：根据试验平台尺寸及荷载加载上限确定试件尺寸，将制作好的试件通过夹具与加载板安装在一起，利用试验平台对试验模型施加荷载，对试验过程中的试件的状态通过位移观测、应变片观测以及DIC数字图像处理对铺装层的技术状态，预测并评价铺装层的开裂疲劳寿命。

Description

钢桥面铺装疲劳开裂试验装置及方法

技术领域

本发明属于道路工程领域，具体涉及一种模拟钢桥面铺装在真实受力状况下的疲劳开裂状况的试验装置及方法。

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界的一个难题。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疲劳开裂性能，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，设计发明一种能够更为精确合理的模拟桥面板的结构、同时又能够在实验室室内有限的加载条件下，合理反映桥面铺装真实力学响应的新型试验装置，有利于直观评价铺装层力学响应及抗裂性能，研究铺装层受力及开裂机理，进而在钢桥面铺装材料的选择、改进、研发等科研及工程应用领域，均具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有铺装层疲劳开裂试验装置的缺陷与不足，设计开发了一种可以模拟钢桥面铺装层实际受力状况的试验装置，用于研究钢桥面铺装层在车辆荷载作用下的疲劳开裂特征，从而评价铺装层的抗裂性能，预测铺装层的疲劳寿命。

一种钢桥面铺装疲劳开裂试验装置，试件安装在试验装置上，其特征在于：试验装置包括用于施加荷载的试验平台，以及用于模拟试件受力的试验模型，试验模型包括一个支撑底座，支撑底座具有至少两个立柱，立柱上安装加载板，通过夹具将加载板与试件固定在一起。

进一步，所述试件为复合梁结构，下层为铺装层，上层为带加劲肋的钢板；每个立柱上均安装一块加载板，试件安装在至少两个加载板上，钢板的加劲肋位于试件中间，正下方位于两相邻加载板中间。

更进一步，加载板上层为橡胶层，下层为刚性金属层。

更进一步，加载板下层具有槽状的夹具安装位，夹具整体呈匚形，试件下层紧贴加载板上层，通过夹具锚固安装。

更进一步，立柱上表面中间具有定位孔，加载板底部中心具有与定位孔相适配的定位凸起。

更进一步，支撑底座上立柱两侧设有加强筋。

上述钢桥面铺装疲劳开裂试验装置的试验方法，包括如下步骤：

首先，根据试验平台尺寸及荷载加载上限确定试件尺寸，使试件与试验平台配合，能够模拟该试件的预设受力范围；利用三维有限元软件对试件进行建模，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；

将制作好的试件通过夹具与加载板安装在一起，加载板安装在支撑底座的 立柱上，共同构成试验模型；

利用试验平台对试验模型进行保温，使其温度维持在某一水平，通过试验平台为试验模型施加荷载，根据试件的预设受力范围，在最大加载力与最小加载力之间采用半正弦波形式施加荷载，模拟预设车速下的行车荷载，试验温度与试验荷载根据具体环境温度与车辆荷载的特征进行调整；

试件观测：对试验过程中的试件的状态通过位移观测、应变片观测以及DIC数字图像处理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。

本发明中，钢桥面铺装疲劳开裂实验装置依据钢桥面结构实际特征，设计了带加劲肋的钢板模拟钢桥面板的正交异性结构，通过与铺装层试件粘结形成复合梁试件，模拟出真实铺装层与钢桥面板的复合结构。试验装置底座上设置两个支撑结构，对两块加载板形成支撑；复合梁试件放置于加载板之上，加载板与试件接触表面采用与车辆轮胎相同的弹性橡胶材料，并利用夹具紧固，避免试验过程中产生横向位移；试验平台的加载设备将动态荷载施加于钢板加劲肋之上，从而在下方铺装层试件内产生弯拉应力，模拟铺装层在车辆荷载作用下的受力状态。两块加载板的尺寸与间距按照双轮组的单侧实际尺寸进行设计布置，从而很好的模拟出车轮荷载对铺装层表面的作用。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。

本发明设计的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。该试验装置及方法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。

附图说明

图1为实施例中半正弦波荷载加载示意图；

图2为实施例中铺装层疲劳开裂试验装置的总体示意图；

图3为实施例中铺装层疲劳开裂试验装置的主视图；

图4为实施例中带加劲肋钢板示意图；

图5为实施例中铺装层试件示意图；

图6为实施例中加载板示意图；

图7为实施例中支撑底座示意图；

其中：1-加劲肋，2-钢板，3-铺装层，4-夹具，5-加载板，6-橡胶层，7-立柱，8-支撑底座。 

具体实施方式

下面结合附图，对钢桥面铺装层疲劳开裂试验装置的设计作进一步的说明。

现有铺装层材料疲劳性能试验可以分为两大类，一是直接对材料进行试验，如小梁弯曲疲劳试验、劈裂疲劳试验、四点弯曲疲劳试验等；二是铺装层复合梁试验，即对铺装层与钢板复合体同时施加荷载，模拟铺装层受力状况。从试验的直观性与合理性而言，复合梁试验具有明显的优越性。但现有复合梁试验均存在边界条件或加载状态不符合实际状况，对加载力及加载机具需求过高等缺点。因此，本发明的设计理念是设计一种即能够合理模拟铺装层受力状况，又能够广泛适用于多种加载设备的铺装层复合梁疲劳开裂试验装置。

本发明的设计思路是：将正交异性钢桥面板与铺装层的复合结构进行简化，得到带加劲肋的钢板与铺装层的复合梁试件。为了便于荷载的施加，将结构进行上下反置，利用支撑底座的两个加载板模拟车轮荷载的作用，通过对钢板的加劲肋进行加载，从而引起铺装层内部的弯拉应力，模拟出实际铺装层结构的工作状态。由于复合梁试件自身重力相对于加载力而言非常小，因此由复合梁反置导致的误差可以忽略不计。

本发明试验基于UTM而开发，根据UTM设备环境箱的尺寸进行试验装置尺寸设计，确定试件铺装层3的平面尺寸为440mm×150mm。但该试验装置并不局限于UTM，同样能够适用于其他试验平台之上。

整个试验装置由以下几个部分组成：

1.支撑底座8：试验过程中固定于UTM试验平台之上，通过两根立柱7对加载板5形成支撑，模拟车辆双轮荷载作用，将底座的反作用力作用至铺装层3上；

2.加载板5：使用了刚度较大的金属材料，避免试验过程中变形造成误差；底部粘贴了与车辆轮胎相近的橡胶层6，避免了在试验过程中复合梁试件与加载 压板5之间产生错位滑动，同时能够更好的模拟车轮荷载的作用。

3.铺装层3：铺装层3采用桥面铺装上同样的粘结层粘结于带肋钢板2之上，与带肋钢板2组成复合梁结构；

4.带肋钢板2：模拟钢箱梁桥面钢板及加劲肋结构，试验过程中加载力作用于加劲肋1之上，钢板2及铺装层3组成的复合梁试件在加劲肋1传递的荷载作用下产生向下挠度；

5.锚固夹具4：为避免复合梁试件与加载板5之间产生错位滑动，利用4个锚固夹具4将复合梁试件与加载板5锚固成整体，保证试验过程中的稳定性；

通过以上五个部分组成完整的试验装置。加载设备在钢板2的加劲肋1上施加荷载，加载板5在底座的支撑下产生向上的反作用力，模拟车辆轮胎作用，从而使得铺装层3在加劲肋1顶部产生挠度，产生应力应变，模拟铺装层3在实际使用过程中U肋、横隔板、纵隔板上方的受力状况。

试验流程

1)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疲劳开裂试验成功与否的关键；

2)复合梁试件的成型。复合梁试件可以采用碾压成型方式直接成型至规定尺寸，也可以根据试验条件通过车辙板切割等方式切割至规定尺寸。

3)疲劳开裂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。试验动态荷载频率为10Hz，模拟车速为速为60km/h的行车荷载，荷载波形如图1所示。试验温度与试验荷载可以根据具体环境温度与车辆荷载的特征进行调整。

4)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。

Claims (7)

1.一种钢桥面铺装疲劳开裂试验装置，试件安装在试验装置上，其特征在于：试验装置包括用于施加荷载的试验平台，以及用于模拟试件受力的试验模型，试验模型包括一个支撑底座，支撑底座具有至少两个立柱，立柱上安装加载板，通过夹具将加载板与试件固定在一起。

2.根据权利要求1所述的钢桥面铺装疲劳开裂试验装置，其特征在于：所述试件为复合梁结构，下层为铺装层，上层为带加劲肋的钢板；每个立柱上均安装一块加载板，试件安装在至少两个加载板上，钢板的加劲肋位于试件中间，正下方位于两相邻加载板中间。

3.根据权利要求1所述的钢桥面铺装疲劳开裂试验装置，其特征在于：加载板上层为橡胶层，下层为刚性金属层。

4.根据权利要求1所述的钢桥面铺装疲劳开裂试验装置，其特征在于：加载板下层具有槽状的夹具安装位，夹具整体呈匚形，试件下层紧贴加载板上层，通过夹具锚固安装。

5.根据权利要求1所述的钢桥面铺装疲劳开裂试验装置，其特征在于：立柱上表面中间具有定位孔，加载板底部中心具有与定位孔相适配的定位凸起。

6.根据权利要求1所述的钢桥面铺装疲劳开裂试验装置，其特征在于：支撑底座上立柱两侧设有加强筋。

7.一种钢桥面铺装疲劳开裂试验方法，其特征在于包括如下步骤：

首先，根据试验平台尺寸及荷载加载上限确定试件尺寸，使试件与试验平台配合，能够模拟该试件的预设受力范围；利用三维有限元软件对试件进行建模，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；

将制作好的试件通过夹具与加载板安装在一起，加载板安装在支撑底座的立柱上，共同构成试验模型；

利用试验平台对试验模型进行保温，使其温度维持在某一水平，通过试验平台为试验模型施加荷载，根据试件的预设受力范围，在最大加载力与最小加载力之间采用半正弦波形式施加荷载，加载在加劲肋上，模拟预设车速下的行车荷载，试验温度与试验荷载根据具体环境温度与车辆荷载的特征进行调整；

试件观测：对试验过程中的试件的状态通过位移观测、应变片观测以及DIC数字图像处理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。