CN108051119A - 检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置及检测方法，包括框架，所述框架相对应两侧均设有边界条件模拟系统、底部设有位移传感器固定装置，所述框架上还设有拍摄系统。检测方法包括步骤：(1)钢桥面板试件的固定及压力传感片的布置；(2)浇筑铺装层；(3)预加载实现边界条件的模拟；(4)设置位移传感器；(5)设置拍摄系统；(6)连接应力记录仪并加载；(7)铺装层应力扩展角度的计算。本发明的试件固定装置及检测方法能够根据实桥约束条件实现对小型钢桥面板与铺装试件边界条件的模拟，实现对铺装层应力扩散角度的检测，为钢桥结构及铺装层的优化设计提供技术支持。

Description

检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置及检测方法

技术领域

本发明属于检测装置领域，特别涉及一种检测铺装层应力扩展角度的固定装置及检测方法。

背景技术

铺装层是钢桥桥面系的主要组成部分之一，除保证行车的舒适性以外，还起到保护钢桥面板免遭雨水侵蚀的作用。由于焊接残余应力、焊接缺陷、车轮荷载反复作用等因素的影响，钢桥面板极易产生疲劳病害，其中疲劳开裂是病害的主要表现形式。钢桥面板疲劳问题影响因素众多，铺装层是不可忽略的因素之一。铺装层使钢桥面板免受车轮荷载的直接作用，其较厚的结构层还起到一定的分散车轮荷载应力的作用，及车轮荷载通过铺装层可以更为均匀地传递给钢桥面板，避免局部应力集中。目前对钢桥面板疲劳问题的应对措施之一便是增加钢桥面板的厚度，但这导致了桥梁结构的笨重，对于大跨径、超大跨径钢结构桥梁而言，更是如此。若充分考虑铺装层的改善作用，在钢桥设计时即可减小钢桥面板的厚度以进一步优化设计的经济性与适用性，避免对资源的浪费。

车轮荷载在铺装层内的传递路径(通常用应力扩展角度表征)是设计时的重要参考指标之一。但对于车轮荷载在铺装层内的扩展角度，尚无统一的参考标准及可靠的试验结果。例如，欧洲Eurocode设计规范建议的应力扩展角度为45°，英国BS5400设计规范建议的应力扩展角度近似为26.5°，而我国的《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)等规范则未给出相应的建议值。鉴于没有统一的参考标准，我国在钢桥设计时仍仅将铺装层作为桥梁结构恒载的一部分来考虑，而忽略了铺装层对桥梁结构疲劳性能的影响。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置及检测方法，能够对钢桥面板与铺装层耦合试件进行固定，并进一步考虑铺装层弹性模量改变对试件边界条件的影响，实现实际桥梁荷载作用环境下铺装层内部应力扩展的模拟，为研究铺装层对钢桥面板疲劳性能的影响提供试验资料，为大跨径、超大跨径钢桥结构的优化设计提供参考。

技术方案：本发明的检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置，包括框架，所述框架相对应两侧均设有边界条件模拟系统、底部设有位移传感器固定装置，所述框架上还设有拍摄系统。

所述框架为组合式承力框架，由若干可拆卸的钢条组成，各钢条之间通过高强螺栓连接，所述的钢条上等间距分布有螺栓孔。

所述边界条件模拟系统包括第一滑动装置、能够沿所述第一滑动装置运动并能够模拟铺装层和钢桥面板试件边界条件的铺装层边界条件模拟组件和钢桥面板边界条件模拟组件。

所述位移传感器固定装置包括第二滑动装置、能够沿所述第二滑动装置水平运动的固定机构。

为保证检测的真实性，通过边界条件模拟系统模拟真实条件，并通过位移传感器对其位移的测定，实现铺装层应力扩展角度的检测。

其中，所述铺装层边界条件模拟组件包括能够与铺装层粘接的若干层粘接板、与各所述粘接板连接的传力板、能够使所述传力板保持竖直的限位组件；所述限位组件包括弹性件、通过所述弹性件与传力板连接的液压装置，液压装置为阵列式的小型液压杆，所述小型液压杆通过移动硬件上的客户端控制，以达到对弹性件施加初始拉力的目的。

其中，所述粘结板材料可为FRP材料、钢材、复合橡胶材料等抗拉强度较大的材料，所述粘结板表面可经处理以增大粗糙度，以增强与铺装层的粘接力度。

为了进一步保证铺装层边界条件模拟的真实性，所述传力板与各粘接板之间通过插销式连接件连接，所述插销式连接件包括设于所述传力板上的若干弧形卡扣、设于各所述粘接板侧边并能够与所述弧形卡扣配合使用的凸缘。

其中，第一滑动装置包括设于所述框架上的滑槽、与所述滑槽匹配的第一滑块，所述滑槽与框架通过螺栓连接，所述第一滑块通过与传力板平行设置的竖板与铺装层边界条件模拟组件和钢桥面板边界条件模拟组件连接，且阵列式的液压杆穿设过竖板与弹性件连接。

其中，所述钢桥面板边界模拟组件包括能够夹持钢桥面板试件的夹持机构，钢桥面板试件可为横隔板-顶板焊缝、横隔板-U肋-顶板焊缝、纯钢板试件等。

为了满足不同厚度钢板的需要，所述夹持机构包括夹持厚度可调节的上夹板和下夹板，其中，所述上夹板和下夹板侧边分别与所述竖板连接，且所述下夹板能够相对竖板滑动来调节上夹板与下夹板之间的距离。所述上、下夹板设有与钢桥面板上预留的螺栓孔内径相配合螺栓孔，并通过高强螺栓使上、下夹板与钢桥面板之间紧密贴合。

其中，所述固定机构包括竖向设置的若干传感器固定磁铁、与各所述传感器固定磁铁同极相对的限位磁铁，且各传感器固定磁铁均穿设有能够使其保持竖直的限位板，所述限位板包括两个并平行设置，各所述限位板开设的用于传感器固定磁铁穿设的圆孔内径略大于传感器固定磁铁的直径。

通过磁悬浮原理使上方的传感器固定磁铁群上浮一段距离，以保证在放置位移传感器时，位移传感器底部下方的传感器固定磁铁能够下移，并通过周围无位移变化的位移传感器磁铁实现对位移传感器的固定。

其中，第二滑动装置包括设于所述框架底部的滑轨、能够相对所述滑轨滑动的第二滑块，所述滑槽与框架通过螺栓连接，所述第二滑块通过底座与固定机构连接，且限位板、限位磁铁底部与底座固定连接。

为了满足不同位置的拍摄，所述拍摄系统包括拍摄设备夹持端、能够调整拍摄设备角度的转动台和能够调整拍摄设备长度的伸缩杆。其中，所述拍摄设备夹持端内部设有橡胶垫，所述伸缩杆可自由改变长度；所述转动台设有角度调整旋钮，可实现拍照设备在平面内的转动并固定位置。

基于上述固定装置的检测方法，包括以下步骤：

(1)钢桥面板试件的固定

(1-1)将纯钢桥面板试件置于钢桥面板夹持机构的上、下夹板之间，使面板两端的螺栓孔与上、下夹板上的螺栓孔的圆心重合。在螺栓孔内置入高强螺栓并拧紧，使上、下夹板与纯钢桥面板试件的面板之间紧密贴合。

(1-2)压力传感片的布置

考虑到规范规定的45°扩散角，偏保守地假设铺装层的真实扩散角为60°，依据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)规定的疲劳轮载模型的单轮接地面积(200mm×300mm)，选定加载区域宽度为300mm，由此得到所布置最左侧与最右侧压力传感片间的距离不低于300+2Tsin60°(mm)。

用笔在试件表面绘制压力传感片布置位置示意线，即：先绘制三条与试件长边方向平行的线，确保三条线将试件的短边四等分；绘制试件长边的对称轴线；以对称轴线为中心，向两侧等间距绘制与试件短边平行的线(间距10mm)，直至最外侧线间的距离超过300+2Tsin60°(mm)。

(1-3)粘贴压力传感片

利用胶水将压力传感片粘贴在钢桥面板表面，使传感器的中心与横线、纵线的交点重合，粘贴完成后将压力传感片的导线与应力记录仪的导线相连，并用胶带临时固定在承力支架上，防止扯动。

(2)浇筑铺装层

采用分层浇注的方式实现沥青铺装层的浇筑成型。首先，在试件四周设置临时模板，并通过夹持器将模板固定于试件上；其次，浇筑第一层铺装层，第一层铺装层的厚度与最下层粘结板的高度相平齐；然后，在最下方的粘结板表面涂抹粘结剂(如环氧树脂)，然后将站街板与传力板固定连接，涂抹完成后浇筑第二层(中间层)沥青铺装层，该层铺装层的厚度等同于最下方与中间位置两粘结板的间距；浇筑完成后在中间铺装层粘结板的表面涂抹粘结剂；接下来，浇筑第三层沥青铺装层，该铺装层的厚度与中间层的铺装层厚度一致，并在最上方粘结板的表面涂抹粘结剂；最后，浇筑第四层(最上层)沥青铺装层，该层的厚度等同于粘结板厚度的2倍。四层铺装层浇筑完成后压实，静置24h使沥青铺装层温度完全降至室温，即完成试件的固定工作。

(3)预加载实现边界条件的模拟

(3-1)基本假定

对于桥面系结构而言，铺装层是一个有机整体。车轮荷载作用下，轮载作用面附近的铺装层会产生压缩及挠曲变形，其中由于正交异性钢桥面板(刚度极大) 的支撑作用，挠曲变形值基本可忽略不计。因此，可假设荷载作用下铺装层仅发生竖向压缩变形，即两侧固定端附近铺装层截面的位置保持不变。

(3-2)模拟边界条件

采用液压设备对试件施加车轮荷载(如30kN)，待试件变形保持恒定后调整铺装层左右两侧的液压装置，直至铺装层两侧的传力板恢复垂直，即使其满足假定条件。保持液压装置不变，撤离荷载，此时即实现对铺装层边界条件的模拟。

(4)设置位移传感器

将位移传感器放置于传感器固定磁铁群上方，此时在重力作用下仅位移传感器下方的传感器固定磁铁下移，直至传感器固定磁铁与限位磁铁之间的同极斥力与位移传感器的重力相抵消；位移传感器周围的传感器固定磁铁仍维持在原位置，从而实现对位移传感器的约束固定。

(5)设置拍摄系统

将拍摄设备(手机或相机等)固定于拍摄设备夹持端上，然后通过调整伸缩杆及转动台使拍摄设备移动至预期位置，在实验过程中可实现对相同位置变形情况的记录。

(6)连接应力检测设备并加载

利用数据线将压力传感片连接至应力检测设备，并根据具体需求逐级施加荷载。

(7)铺装层应力扩展角度的计算

根据检测结果可通过下式计算得到应力扩展角度：

其中，θ为应力扩展角度，L为测得的压力传感片的纵向分布长度，单位为 mm，T为铺装层厚度，单位为mm。

本发明的固定装置及检测方法进一步揭示车轮荷载在铺装层内部的传递机理，探究不同铺装层结构对应力扩展作用的影响机理，为钢桥结构及铺装层的优化设计提供技术支持。

有益效果：1、本发明提供的检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置及检测方法，能够根据实桥约束条件实现对小型钢桥面板与铺装试件边界条件的模拟；2、显著降低试验成本的同时能够取得较好的试验效果；3、本发明的检测方法能够实现对铺装层应力扩散角度的检测；4、进一步揭示车轮荷载在铺装层内部的传递机理，探究不同铺装层结构的应力扩展机理；5、为钢桥结构及铺装层的优化设计提供技术支持。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中边界条件模拟系统的分解示意图；

图3是本发明中框架与滑槽的分解示意图；

图4是本发明中位移传感器固定装置的半剖结构示意图；

图5是本发明中框架与滑轨的分解示意图；

图6是本发明中传感器固定磁铁与限位磁铁结构示意图；

图7是本发明中拍摄系统结构示意图；

图8是本发明中边界条件模拟系统工作示意图；

图9是本发明中钢桥面板试件固定、铺装层浇筑工作示意图；

图10是本发明中位移传感器固定装置固定位移传感器工作示意图；

图11是本发明中阵列式压力传感片布置示意图；

图12是本发明中铺装层应力扩展原理示意图。

具体实施方式

参见图1至图12，本发明一实施例所述的检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置，包括框架1，框架1相对应两侧均设有边界条件模拟系统2、底部设有位移传感器固定装置3，框架1上还设有拍摄系统4。

框架1为组合式承力框架，由若干可拆卸的钢条组成，各钢条之间通过高强螺栓连接，钢条上等间距分布有螺栓孔。

边界条件模拟系统2包括第一滑动装置21、能够沿第一滑动装置21运动并能够模拟铺装层5和钢桥面板试件6边界条件的铺装层边界条件模拟组件22和钢桥面板边界条件模拟组件23。

第一滑动装置21包括设于框架1上的滑槽211、与滑槽211匹配的第一滑块212，滑槽211与框架1通过螺栓连接，第一滑块212通过竖板24与铺装层边界条件模拟组件22和钢桥面板边界条件模拟组件23连接。

铺装层边界条件模拟组件22包括能够与铺装层5粘接的若干层粘接板221、与各粘接板221连接的传力板222、能够使传力板22保持竖直的限位组件223，限位组件223包括弹性件2231、通过弹性件2231与传力板222连接的液压装置 2232，液压装置2232为阵列式的小型液压杆，小型液压杆穿设过竖板24与弹性件2231连接，并通过移动硬件上的客户端控制。

粘结板221材料可为FRP材料、钢材、复合橡胶材料等抗拉强度较大的材料，表面可经处理以增大粗糙度，以增强与铺装层5的粘接力度。

传力板222与竖板24平行设置，并与各粘接板221之间通过插销式连接件 224连接，插销式连接件224包括设于传力板222上的若干弧形卡扣2241、设于各粘接板221侧边并能够与弧形卡扣2241配合使用的凸缘2242。

钢桥面板边界模拟组件23包括能够夹持钢桥面板试件6的夹持机构231，钢桥面板试件6可为横隔板-顶板焊缝、横隔板-U肋-顶板焊缝、纯钢板试件等。

夹持机构231包括夹持厚度可调节的上夹板2311和下夹板2312，其中，上夹板2311两侧分别与传力板222和竖板24垂直连接、下夹板2312侧边与竖板24连接，且下夹板2312能够相对竖板24滑动来调节上夹板2311与下夹板2312 之间的距离。上夹板2311、下夹板2312设有与钢桥面板试件6上预留的螺栓孔内径相配合螺栓孔，并通过高强螺栓使上夹板2311、下夹板2312与钢桥面板试件6之间紧密贴合。

位移传感器固定装置3包括第二滑动装置31、能够沿所述第二滑动装置31 水平运动的固定机构32。

第二滑动装置31包括设于框架1底部的滑轨311、能够相对滑轨311滑动的第二滑块312，滑轨311与框架1通过螺栓连接，第二滑块312通过底座33 与固定机构32连接。

固定机构32包括竖向设置的传感器固定磁铁321群、与各传感器固定磁铁 321同极相对的限位磁铁322，且各传感器固定磁铁321均穿设有能够使其保持竖直的两平行设置的限位板323，各限位板323开设的用于传感器固定磁铁321 穿设的圆孔内径略大于传感器固定磁铁321的直径，且各限位板323、限位磁铁 322底部与底座33固定连接。

拍摄系统4包括拍摄设备夹持端41、能够调整拍摄设备9角度的转动台42 和能够调整拍摄设备长度的伸缩杆43。其中，拍摄设备夹持端41内部设有橡胶垫，伸缩杆43可自由改变长度；转动台42设有角度调整旋钮，可实现拍照设备在平面内的转动并固定位置。

本发明的工作步骤如下：

以带有一个U形闭口肋的钢桥面板试件6为例，待浇筑铺装层5厚度为 50mm。

通过高强螺栓完成承力框架1的组装，根据试件6的高度调整边界条件模拟系统2的滑槽211至合适的高度，并通过高强螺栓实现与框架1侧边的固定。根据位移量测试的需求选择所要安装的位移传感器固定装置3的滑轨311的个数，并根据测试目的将其通过高强螺栓固定到框架1底部的合适位置。完成边界条件模拟系统2的组装后，粘结板221待浇筑铺装层5时再进一步组装。

将纯钢桥面板试件6放置在边界条件模拟系统2的上夹板2311、下夹板2312 之间，使试件6两侧的螺栓孔与上夹板2311、下夹板2312上的螺栓孔相吻合，然后通过高强螺栓使上夹板2311、下夹板2312夹紧试件6，起到固定约束的作用。

在固定好的试件6表面进行打磨，打磨完成后用笔在试件6表面绘制压力传感片7布置位置示意线，即：先绘制三条与试件长边方向平行的线，确保三条线将试件的短边四等分；然后绘制试件长边的对称轴线；最后以对称轴线为中心，向两侧等间距绘制与试件短边平行的线(间距10mm)，直至最外侧线间的距离超过300+2×50×sin60°(mm)。利用胶水将压力传感片7粘贴在试件6表面，使压力传感片7的中心与横线、纵线的交点重合。粘贴完成后将压力传感片7 的导线与应力记录仪的导线相连，并用胶带临时固定在承力框架1上，防止扯动。

在试件6表面涂抹一层环氧树脂，使其完全覆盖到压力传感片7的表面。待其凝固后，临时组装搭建好铺装层5浇筑模板，然后分层浇注铺装层5，每一层浇筑的铺装层高度与相应的粘结板221的高度保持一致，每一层浇筑完成后在粘结板221表面涂抹胶粘剂(如环氧树脂)，涂抹完成后将其置入传力板222的弧形卡扣2241中固定，并与浇筑好的一层铺装层紧贴。铺装层5全部浇筑完成后，在铺装层5的表面放置一块木板，并在木板上堆积重物以模拟现场铺装层5的压实效果。静置试件6小时，撤去重物、木板、模板，完成试件6的制作。

在位移传感器固定装置3上放置好位移传感器8，将拍摄设备9固定到拍摄设备夹持端41，并根据需求将拍摄视角限定装置调整到合适的位置。

在铺装层5表面放置垫块10，利用液压作动头11施加静荷载，用应力记录仪记录压力传感片7采集到的数据，并根据铺装层应力传递路径12，最终获得荷载作用下有压力数据的压力传感片7的分布长度为L。然后通过下述公式即可计算得到铺装层5的应力扩展角度为：

其中，θ为应力扩展角度，L为压力传感片的纵向分布长度，单位为mm，T 为铺装层厚度，单位为mm。

Claims (10)

1.一种检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置，其特征在于：包括框架(1)，所述框架(1)相对应两侧均设有边界条件模拟系统(2)、底部设有位移传感器固定装置(3)，所述框架(1)上还设有拍摄系统(4)；

所述边界条件模拟系统(2)包括第一滑动装置(21)、能够沿所述第一滑动装置(21)运动并能够模拟铺装层(5)和钢桥面板试件(6)边界条件的铺装层边界条件模拟组件(22)和钢桥面板边界条件模拟组件(23)；

所述位移传感器固定装置(3)包括第二滑动装置(31)、能够沿所述第二滑动装置(31)水平运动的固定机构(32)。

2.根据权利要求1所述的检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置，其特征在于：所述铺装层边界条件模拟组件(22)包括能够与铺装层(5)粘接的若干层粘接板(221)、与各所述粘接板(221)连接的传力板(222)、能够使所述传力板(222)保持竖直的限位组件(223)。

3.根据权利要求2所述的检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置，其特征在于：所述限位组件(223)包括弹性件(2231)、通过所述弹性件(2231)与传力板(222)连接的液压装置(2232)。

4.根据权利要求2所述的检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置，其特征在于：所述传力板(222)与各粘接板(221)之间通过插销式连接件(224)连接。

5.根据权利要求4所述的检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置，其特征在于：所述插销式连接件(224)包括设于所述传力板(222)上的若干弧形卡扣(2241)、设于各所述粘接板(221)侧边并能够与所述弧形卡扣(2241)配合使用的凸缘(2242)。

6.根据权利要求1所述的检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置，其特征在于：所述钢桥面板边界模拟组件(23)包括能够夹持钢桥面板试件(6)的夹持机构(231)。

7.根据权利要求6所述的检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置，其特征在于：所述夹持机构(231)包括夹持厚度可调节的上夹板(2311)和下夹板(2312)。

8.根据权利要求1所述的检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置，其特征在于：所述固定机构(32)包括竖向设置的若干传感器固定磁铁(321)、与各所述传感器固定磁铁(321)同极相对的限位磁铁(322)，且各传感器固定磁铁(321)均穿设有能够使其保持竖直的的限位板(323)。

9.根据权利要求1所述的检测铺装层应力扩展角度的试件固定装置，其特征在于：所述拍摄系统(4)包括拍摄设备夹持端(41)、能够调整拍摄设备角度的转动台(42)和能够调整拍摄设备长度的伸缩杆(43)。

10.基于权利要求1-9任一所述的固定装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将钢桥面板试件(6)固定于所述夹持机构(231)中，并在钢桥面板试件(6)上表面布置压力传感片(7)；

(2)在压力传感片(7)上分层浇筑铺装，每浇筑一层与粘结板粘接，浇筑完成后在铺装层(5)表面均匀堆放重物，静置模拟现场浇筑时的压实效果；

(3)预加荷载，待试件(6)变形恒定后调整铺装层(5)两侧的液压装置(2232)，直至铺装层(5)两侧的传力板(222)恢复竖直，实现边界条件的模拟；

(4)将位移传感器(8)放置于传感器固定磁铁(321)群上方；

(5)设置拍摄系统(4)；

(6)连接应力记录仪并根据需求逐级施加荷载；

(7)根据检测结果通过下式计算得到应力扩展角度：

<mrow> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>=</mo> <mi>arccos</mi> <mfrac> <mrow> <mi>L</mi> <mo>-</mo> <mn>300</mn> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，θ为应力扩展角度，L为测得的压力传感片(7)的纵向分布长度，单位为mm，T为铺装层(5)厚度，单位为mm。