CN105716965B - 正交异性钢桥面混凝土铺装疲劳性能评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及正交异性钢桥面混凝土铺装层疲劳性能评价方法，具体公开了一套疲劳性能的评价装置，该方案包括模拟汽车轮载的弹性压头加载方法、钢板—混凝土铺装层复合梁试件成型方法、模拟钢桥面U型肋受力的支座形式、模拟实桥状况的弹性支撑及复合梁响应采集分析方案；评价指标包括复合梁的疲劳寿命、应变及挠度等。本发明能够模拟正交异性钢桥面在轮载作用下的受力情况，能够用来综合、定量评价钢桥面混凝土铺装层的响应情况和疲劳性能。本测试方法设计合理，翔实具体，评价方法科学系统，可操作性较强。

Description

正交异性钢桥面混凝土铺装疲劳性能评价装置

技术领域

本发明涉及一种正交异性钢桥面混凝土铺装层性能的评价装置，尤其是对铺装层疲劳性能的评价。

背景技术

正交异性钢桥面铺装层破坏问题较为严重，疲劳性能是钢桥面铺装层性能的重要评价指标。《公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南》在借鉴日本和德国规范基础上提出了钢桥面铺装层重复弯曲性能的试验装置和试验方法，国内也有一些对于钢桥面铺装层复合梁性能的研究，但是现有的室内试验不能模拟真实情况下的正交异性钢桥面的铺装形式，现有的疲劳性能测试方法缺乏对于钢桥面板和铺装层结构形式及受力方式的模拟，对于钢桥面铺装层的疲劳性能的评价也不够全面。

传统的钢桥面铺装层性能评价方式中，往往是选择在复合梁钢板上作用疲劳荷载，观察铺装层的裂缝开展情况并记录疲劳循环次数，下部的支座均为刚性支座。此种加载方式，虽然对循环荷载及U型肋支撑进行了模拟，但是对于实际桥面的轮胎荷载作用及正交异性钢桥面弹性支撑缺乏合理的模拟。复合梁的受力形式及支撑方式与实际情况仍有差别，且对于复合梁钢板、铺装层协同受力下的响应及疲劳性能的描述不足，试验结果虽然能给实际研究提供一定的参考，但只是偏于定性描述铺装层性能，缺乏定量描述。

因此需要一种适用于正交异性钢桥面混凝土铺装形式的疲劳性能评价装置及方法，以解决上述问题，用于评价混凝土铺装层与钢板协同受力状况下的响应及疲劳性能。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种测试正交异性钢桥面铺装层疲劳性能的评价装置，解决现有钢桥面铺装性能评价的缺陷。

本发明提出的正交异性钢桥面混凝土铺装的疲劳性能评价装置，所述评价装置由复合梁成型模具的侧模、复合梁和支撑大梁组成，所述复合梁成型模具的侧模由两块第一钢板和二个槽钢组合而成的框架结构，复合梁由第二钢板和混凝土组成，支撑大梁上方平行开有若干个滑槽，所述滑槽内放置橡胶支座，橡胶支座内放置辊轴，第二钢板放置于辊轴上，接触形式为辊轴铰支；复合梁顶部设有两个橡胶压头，压头支架底部两端通过两个橡胶压头支撑。具体步骤如下：

（1）、制作复合梁成型模具的侧模，复合梁成型模具的侧模使用两根槽钢和两块第一钢板组装而成，复合梁位于复合梁成型模具的侧模内，将复合梁底部的第二钢板作为模具的底板，待混凝土硬化后拆除复合梁成型模具的侧模，即可得到第二钢板和混凝土铺装层结合的复合梁，同时在第二钢板底部使用不同高度的垫块，可以得到不同混凝土铺装层厚度的复合梁；在组合复合梁上粘贴应变采集传感器；

（2）、通过橡胶压头模拟实桥轮胎荷载作用，第二钢板下使用若干个橡胶支座进行支撑，以模拟实桥支撑及受力形式；

（3）、进行极限破坏加载及疲劳加载试验，结合复合梁响应情况及疲劳加载循环次数定量、综合评价复合梁的受力状况及疲劳性能。

本发明中，步骤（1）中所述复合梁底部的第二钢板型号和厚度与实桥相同，混凝土铺装层中设置剪力钉，并按照实际操作要求确定配筋率，进行配筋。

本发明中，步骤（2）中所述橡胶压头的尺寸是a*b mm，模拟汽车轴载在某一接地胎压下的真实接地面积，橡胶压头内等间距布置一定数量的钢板以提高压头的承载能力；支撑大梁滑槽内的支座使用橡胶支座并与刚性辊轴支座结合，橡胶支座的尺寸为c*d mm，辊轴直径为e mm，同时保证位于橡胶支座顶部的辊轴在同一水平面上，以保证加载时复合梁的受力均匀性，用以模拟正交异性钢桥面的实际支撑形式。

本发明中，步骤（2）中所述可以模拟实桥受力，是因为装置中的下部弹性橡胶支座具有多功能用途，底部大梁上等距离设置的三个滑槽可以快速方便安装、拆卸弹性橡胶支座，结合上部压头，此装置既可以做小梁五点弯曲试验，也可以做四点弯曲试验，弹性支座的橡胶层也可以拆卸，既可以提供柔性支撑也可以提供刚性支撑条件。

本发明中，步骤（3）中极限加载采用液压伺服疲劳试验机进行分级加载，每次加载间歇观察梁的裂缝开展状况、梁内应变情况及梁最大挠度值，分级加载直至梁破坏（梁开裂脱层或失去承载力），并分析荷载—挠度曲线关系、应力应变本构关系等；疲劳试验需要根据极限加载得到的承载力，在选定的应力比下控制应力进行加载，其间记录试验梁的挠度、应变值及循环次数，通过分析这些数据可以定量、综合评价复合梁性能。

通过以上过程，本发明的钢桥面铺装层疲劳性能评价装置及方法，采用设计的压头、复合梁、弹性支座、加载及数据采集和处理方式，对钢桥面混凝土铺装层的响应及疲劳性能进行综合评价。此装置及方法能最大程度地模拟轮胎荷载作用及钢桥面的弹性支撑形式，能够量化描述钢桥面复合铺装形式的受力及疲劳性能，可以为实际工程铺装层设计提供数据和技术支持。

附图说明

图1是正交异性钢桥面疲劳性能评价装置结构示意图；

图2是加载压头立体图；

图3是钢板-铺装层复合梁立体图；

图4是加载支座立体图；

图5是弹性支座立体图；

图6是辊轴立体图；

图7是加载支座大梁立体图；

图8是复合梁成型模具图；

图9是铺装层应变片布置图（混凝土铺装层应变片，编号① ~⑧）；

图10是钢板应变片布置图（钢板应变片，编号⑨~）；

图中标号：1为压头支架，2为橡胶压头，3为支撑大梁，4为橡胶支座，5为槽钢，6为第一钢板，7为第二钢板，8为复合梁，9为辊轴，10为滑槽，11为橡胶层。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：正交异性钢桥面混凝土铺装的疲劳性能检测装置，所述的检测装置包括下列部分：

1）复合梁及成型模具：复合梁成型模具的侧模使用两根槽钢（5）和两块钢板（6）组装而成，直接将复合梁底部的钢板（7）作为模具的底板，待混凝土硬化后拆除侧模即可得到钢板（7）和混凝土（8）结合的复合梁。复合梁是一种钢板和混凝土相结合的复合梁形式，钢板型号和厚度与实桥相同，铺装层中设置剪力钉并按照一定的配筋率配筋，混凝土经过充分拌和后使用定制模具浇筑于已经焊接了剪力钉并设置钢筋网的复合梁浇筑模具中，抹平并置于常温环境养护。

2）粘贴应变片采集应变值，应变片布置方案如图9、10所示，试验时在梁两个三分点安装直线位移传感器用以采集复合梁加载后的挠度值。

3）加载使用橡胶压头（2），尺寸是a*b mm，模拟汽车轴载在一定的接地胎压下的真实接地面积，为保证承载能力，使用橡胶与钢板分层交错布置。底部支座（4）使用橡胶层（11）并与刚性辊轴（9）支座结合，尺寸c*d mm，辊轴直径e mm，用以模拟正交异性钢桥面的支撑形式。装置中下部弹性橡胶支座（4）具有多功能用途，底部大梁（3）上等距离设置的三个滑槽（10）可以快速方便安装、拆卸弹性橡胶支座（4），结合上部压头，此装置既可以做小梁五点弯曲试验，也可以做四点弯曲试验，弹性支座（4）的橡胶层（11）也可以拆卸，既可以提供柔性支撑也可以提供刚性支撑条件。

4）对复合梁进行极限承载力试验和疲劳试验。极限承载力试验加载采用液压伺服疲劳试验机进行分级加载，每次加载间歇观察梁的裂缝开展状况、梁内应变情况及梁最大挠度值，分级加载直至梁破坏（梁开裂脱层或失去承载力），并分析荷载—挠度曲线关系、应力应变本构关系等；疲劳试验根据极限加载的承载力，选择应力比使用正弦波加载形式控制应力进行加载，其间记录试验梁的挠度、应变值及循环次数，用以分析试验梁在疲劳荷载作用下梁内的应力变化情况及疲劳寿命。

5）试验数据分析：对比分析各种铺装形式的极限承载力和疲劳循环次数，可以分析复合梁的承载能力及疲劳寿命的影响因素，并绘制加载过程的荷载-挠度曲线、应力-应变曲线，综合分析正交异性钢桥面混凝土铺装层的性能指标，定量地评价钢桥面铺装材料的响应及疲劳性能。

实施例2：钢桥面混凝土复合铺装试验梁的疲劳性能检测方法

为了使本发明所使用的设备、流程和数据分析更为清晰明确，以下结合具体的实施例，参照附图，选用一例复合梁试验方案进行性能测试与分析：

1）方案设计

研究不同复合梁形式下梁的应力应变值及疲劳性能，进行5因素2水平正交试验，选取粘结层设置、剪力钉布置、配筋率、支座形式及铺装层厚度5个因素，共需进行8组试验，每组3个平行试件，总计24个复合梁试件进行了五点弯曲疲劳试验。粘结层使用环氧，厚度2mm；剪力钉尺寸为（直径16mm、长45mm），间距32*32cm；选择1%和5%两种配筋率；支座选择刚性支撑和弹性支撑两种形式，弹性支撑使用橡胶支座实现；结合工程实际及混凝土的性能试验，选择75mm和50mm两种铺装层厚度进行研究。L₈（2⁵）正交设计表如下，不考虑交互作用。

	1	2	3	4	5
						因素	粘结层	钢筋网	剪力钉	支座形式	铺装层厚度
试验1	0	1%	0	A	C
						试验2	0	1%	0	B	D
试验3	0	5%	1	A	C
						试验4	0	5%	1	B	D
试验5	1	1%	1	A	D
						试验6	1	1%	1	B	C
试验7	1	5%	0	A	D
						试验8	1	5%	0	B	C。

“0”代表不设置，“1”代表设置，“A”代表固定支撑，“B”代表弹性支撑，“C”代表75mm厚铺装层，“D”代表50mm厚铺装层；

2）试件成型

使用复合梁模具（图8）成型复合梁试件，复合梁成型流程如下：

①钢板处理：清洁处理，完成后人工打砂处理，达到一定的清洁度和粗糙度，并要求在4h内完成铺装层的铺筑；

②剪力钉及粘结层（防腐层）：螺柱焊机焊接剪力钉，间距32*32cm（直径16mm、长45mm）；

③钢筋网：提前绑扎好适合复合梁尺寸的钢筋网，放置复合梁侧模及钢筋网垫块；

④混凝土浇筑：钢筋网布置完后立即浇筑拌和好的混凝土，并置于振动台上振动均匀抹平表面，养护；

3）试件养护并粘贴应变片

复合梁试件成型前提前布置钢板上的应变片（两个三分之一跨各一个，钢板中心线上对称布置两个应变片），浇筑完成后自然条件养护28d，并完成混凝土铺装上剩余应变片布置，在复合梁中心线负弯矩处梁侧面和顶面各布置两个，在梁铺装层侧面两个三分之一跨各布置两个。应变片布置示意如图9、10所示，每根复合梁总计12个应变片。应变片的粘贴流程：锉刀打平、0号砂纸打磨（打磨出与贴片方向成45°角的交叉细纹），钢板需要使用乙醇脱脂棉球擦拭至无污染物，混凝土贴片需要打磨找平（有气泡坑槽部位使用环氧树脂找平），用钢针划出贴片方位，使用粘结剂完成粘贴并使用万用表检查电阻应变片工作状态；

4）复合梁加载及数据采集

养护完成后，使用本发明中的试验设备对复合梁进行极限承载力和疲劳试验，并连接DH-3820静态应变采集系统收集复合梁响应，复合梁两侧通过磁力支架各安装一个直线位移传感器，测定梁三分点处与跨中的相对位移并使用裂缝观测仪观测裂缝的产生和发展情况（裂缝产生时间、裂缝位置及长度）；综合分析复合梁的承载能力、响应情况及疲劳性能，并绘制相关曲线图，来综合、定量评价钢桥面混凝土铺装层的响应情况和疲劳性能。

①静力极限加载

极限加载目的：a. 获得复合梁静力弯曲极限荷载、挠度、应变及破坏形式；b. 通过静力弯曲试验得到疲劳加载的荷载幅；c. 静力弯曲过程中记录荷载—挠度，荷载—应力关系，以及挠度应力应变的发展状况，分析复合梁的受力情况；

预压加载两次（荷载0~3kN）并稳压3分钟，以消除支座位移各组件之间的接触问题，消除非荷载位移影响；采用荷载分级加载的方式，荷载每次增加5kN，记录应变值、挠度值；

②疲劳加载

荷载幅的选择：原则是所有疲劳加载都必须使用相同的应力比；极限荷载值乘以应力比确定疲劳加载的力峰值，并选定一个应力循环系数进行正弦周期加载，选择加载频率为10Hz，试验温度25℃；其间记录试验梁的挠度、应变值及循环次数，用以分析试验梁在疲劳荷载作用下梁内的应力应变变化情况及疲劳寿命。

）复合梁数据采集与分析

①疲劳寿命；

记录各试验梁的疲劳循环次数及破坏形式，绘制相应曲线对比分析所选择的几个因素对复合梁疲劳寿命的影响；

②应力应变及挠度值；

a. 极限加载参数分析

四组试验中随荷载增加跨中挠度的变化趋势并进行对比；四组试验中随荷载增加梁内各点应变的变化趋势，并与荷载—理论应变值曲线进行对比；

b. 疲劳加载参数分析

挠度、应力应变随荷载增加的发展规律以及各指标之间的相互关系；挠度随时间或者疲劳加载次数的关系曲线；应变与疲劳加载次数的关系曲线；

③记录复合梁疲劳裂缝发展情况、长度、形式；

④正交试验结果分析：通过直观分析、方差分析和交互作用分析各因素的影响程度并得到最优水平组合。

Claims (4)

1.一种正交异性钢桥面混凝土铺装的疲劳性能评价装置，其特征在于所述评价装置由复合梁成型模具的侧模、复合梁和支撑大梁组成，所述复合梁成型模具的侧模由两块第一钢板和二个槽钢组合而成的框架结构，复合梁由第二钢板和混凝土组成，支撑大梁上方平行开有若干个滑槽，所述滑槽内放置橡胶支座，橡胶支座内放置辊轴，第二钢板放置于辊轴上；复合梁顶部设有两个橡胶压头，压头支架底部两端通过两个橡胶压头支撑；具体步骤如下：

（1）、制作复合梁成型模具的侧模，复合梁成型模具的侧模使用两根槽钢和两块第一钢板组装而成，复合梁位于复合梁成型模具的侧模内，将复合梁底部的第二钢板作为模具的底板，待混凝土硬化后拆除复合梁成型模具的侧模，即可得到第二钢板和混凝土铺装层结合的复合梁，同时在第二钢板底部使用不同高度的垫块，可以得到不同混凝土铺装层厚度的复合梁；在复合梁上粘贴应变采集传感器；

（2）、通过橡胶压头模拟实桥轮胎荷载作用，第二钢板下使用若干个橡胶支座进行支撑，以模拟实桥支撑及受力形式；

（3）、进行极限破坏加载及疲劳加载试验，结合复合梁响应情况及疲劳加载循环次数定量、综合评价复合梁的受力状况及疲劳性能。

2.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，步骤（1）中所述复合梁（8）底部的第二钢板（7）型号和厚度与实桥相同，混凝土铺装层中设置剪力钉，并按照实际操作要求确定的配筋率，进行配筋。

3.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，步骤（2）中使用橡胶压头（2）的尺寸是a*b mm，模拟汽车轴载在某一接地胎压下的真实接地面积，橡胶压头内等间距布置一定数量的钢板以提高压头的承载能力；支撑大梁滑槽内的支座使用弹性支座（4）并与刚性辊轴支座结合，弹性支座的尺寸为c*d mm，辊轴直径为e mm，同时保证弹性支座顶部的辊轴在同一水平面上，以保证加载时复合梁的受力均匀性，用以模拟正交异性钢桥面的实际支撑形式。

4.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，步骤（3）中极限加载采用液压伺服疲劳试验机进行分级加载，每次加载间歇观察梁的裂缝开展状况、梁内应变情况及梁最大挠度值，分级加载直至梁破坏，梁开裂脱层或失去承载力，并分析荷载—挠度曲线关系、应力应变本构关系；疲劳试验需要根据极限加载得到的承载力，在选定的应力比下控制应力进行加载，其间记录试验梁的挠度、应变值及循环次数，通过分析这些数据可以定量、综合评价复合梁性能。