CN112666022B - 一种调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置及方法，属于桥梁工程实验力学测量方法领域。本试验装置由底座系统、中间支承系统、中间传力系统、荷载传递系统、测量系统、单摆系统六部分共同组成。按照所要研究钢混结合段截面的内力影响线，确定所需等效疲劳内力幅值，拼装试验自平衡框架、测量系统等步骤开展试验。本发明具有结构框架自平衡、安装简单、可调频等幅交变加载、成本低、适应于现场实际条件等优点，能够对以大跨径混合梁斜拉桥为代表的钢混结合梁段实施弯曲疲劳加载试验。

Description

一种调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置及 方法

技术领域

本发明属于桥梁工程实验力学测量技术领域，特别涉及一种调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置及方法。

背景技术

钢梁与混凝土梁之间的钢混结合段是混合梁斜拉桥的重要组成结构，由于钢梁和混凝土梁刚度相差较大，两者之间力的传递情况以及剪力连接件的连接作用均影响着钢混结合段连接性能的发挥。钢混结合段构造及应力分布均较复杂，结合段除承受静载作用外，还承受车辆、吊车、行人等重复荷载的长期作用。重复荷载作用引起构件应力不断发生变化，在经历足够多的荷载循环作用后，疲劳损伤不断累积，导致结构可能发生疲劳破坏，疲劳破坏没有明显预兆，破坏突然。因此，混合梁斜拉桥钢混结合段的疲劳问题已成为工程设计中不可忽视的问题。针对钢混结合梁段开展的疲劳荷载试验，其技术瓶颈主要存在于以下两方面：(一)，传统的疲劳荷载试验均基于单轴拉、压疲劳应力幅荷载形式下开展试验，而忽略了钢混结合梁段以弯矩内力形态为主的疲劳破坏特殊性，对于结合梁段弯曲疲劳无成熟设备参考，对于现场试验作业要求较高；(二)，针对钢混结合梁段开展弯曲疲劳试验，由于模拟实桥工作状态的疲劳应力幅加载体量巨大而导致加载装置复杂、能耗较大、成本高昂。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置及方法，可基于自平衡框架加载，实现调频单摆激励的钢混结合梁段弯曲疲劳试验。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置，其特征在于，由底座系统1、中间支承系统2、中间传力系统3、荷载传递系统4、测量系统5、单摆系统6组成，其中：

所述底座系统1，由大支跺1-1、大横梁1-2、支撑梁1-3和支撑杆1-4组成，其中大横梁1-2底面搭接在大支跺1-1上，支撑杆1-4下端贯穿支撑梁1-3用螺栓连接，并整体焊接固定于大横梁1-2上；

所述中间支承系统2，由中支跺2-1、辊轴一2-2、辊轴二2-3、辊轴三2-4组成，其中中支跺2-1底端与大横梁1-2的顶面用螺栓连接，辊轴一2-2焊接固定于中支跺2-1顶端，轴向与大横梁1-2的长度方向垂直，钢混结合段试验梁7设置于中间支承系统上，与大横梁12平行；

所述荷载传递系统4，由荷载增大系统和荷载扩散系统组成，所述荷载增大系统由吊重杆4-1、吊重梁4-2、连接杠杆4-3和加载杠杆4-4、传力支跺4-5组成，其中吊重梁4-2、连接杠杆4-3、加载杠杆4-4通过焊接成为整体，连接杠杆4-3底端焊接在吊重梁4-2顶面，顶端焊接在加载杠杆4-4一端底面，传力支跺4-5顶端与加载杠杆4-4底面用螺栓连接，吊重杆4-1通过吊重梁4-2一端预留螺孔以螺栓连接，支撑杆1-4通过吊重梁4-2另一端预留螺孔以螺栓连接，构成一组支点系统；所述荷载扩散系统由分布梁4-6和散力支跺4-7组成，分布梁4-6跨中位置受传力支跺4-5集中荷载作用，散力支跺4-7顶端与分布梁4-6底面用螺栓连接，对称布置于分布梁4-6两端，辊轴三2-4焊接固定于散力支跺4-7底端，轴向与大横梁1-2的长度方向垂直；

所述中间传力系统3，由上次梁3-1、下次梁3-2和吊带3-3组成，其中上次梁3-1置于加载杠杆4-4之上，下次梁3-2置于大横梁1-2之下，上次梁3-1和下次梁3-2与试验梁7垂直设置，上次梁3-1和下次梁3-2之间用吊带3-3以螺栓连接，构成另一组支点系统；

所述测量系统5，由力传感器5-1和应变传感器5-2组成，其中力传感器5-1布设于传力支跺4-5下端，辊轴二2-3通过垫板焊接固定，置于力传感器5-1底端；

所述单摆系统6，包括单摆配重系统和单摆控制系统，其中单摆配重系统由带插销高精度滚动轴承6-1、轻质铜杆6-2和锥形铁块组成6-3组成，带插销高精度滚动轴承6-1焊接锚固于吊重杆4-1上，锥形铁块6-3通过轻质铜杆6-2连接锚固于高精度滚动轴承6-1上，轻质铜杆6-2与高精度滚动轴承6-1连接处设置有小段弹簧装置，可实现有限伸缩；所述高精度滚动轴承6-1内部布设导线，使得轻质铜杆6-2和半圆形电路控制板6-4可以实现连接；单摆控制系统由半圆形电路控制板6-4、电磁继电器6-5、光电传感器6-6组成，半圆形电路控制板6-4焊接锚固于吊重杆4-1上，电磁继电器6-5、光电传感器6-6锡焊于半圆形电路控制板6-4上，电磁继电器6-5表面布设金属触点，与半圆形电路控制板6-4相连。

所述大支跺1-1采用边长为200mm的C30混凝土立方体砌块；所述大横梁1-2与分布梁4-6采用单根截面尺寸为175×175mm的热轧H型钢；所述中支跺4采用20a工字钢，下端焊接固定284×200×5mm的钢板，上端焊接固定270×160×5mm的钢板；所述吊重梁4-2、连接杠杆4-3、加载杠杆4-4、支撑梁1-3均采用两根16号工字钢，并排焊接组合构成；所述上次梁3-1和下次梁3-2采用10号工字钢，共2根；所述2根吊带3-3、支撑杆1-4采用

精轧螺纹钢；所述吊重杠4-1采用10根7丝直径为5mm的钢绞线螺旋缠绕组成；所有的连接螺栓均采用M20高强螺栓。

所述荷载传递系统4中，吊重梁4-2、加载杠杠4-4、分布梁4-6上下表面均预留足够数量螺栓孔，吊重杆4-1、支撑杆1-4、吊带3-3、传力支跺4-5、散力支跺4-7与荷载传递系统4各部位的连接位置根据实际需求灵活调整；其中，连接杠杆4-3与吊重梁4-2和加载杠杆4-4的焊接中心至吊重杆4-1距离记为L₁，至支撑杆1-4距离记为L₂，至传力支跺4-5距离记为L₃，吊带3-3至传力支跺4-5距离记为L₄，吊重梁4-2与支撑杆1-4栓接位置处构成一杠杆支点，记为O₁；加载杠杆4-4顶面上次梁3-1位置处为另一杠杆支点，记为O₂，所述锥形铁块6-3质量为m，轻质铜杆6-2长度为R。

所述支点O₁与连接杠杆4-3焊接中心距离为L₂，与吊重杆4-1距离为L₁+L₂；支点O₂与传力支跺4-5距离为L₄，与连接杠杆4-3焊接中心距离为L₃+L₄，记吊重杆4-1所受力为F，传力支跺4-5所传力为P₀，则根据杠杆原理：

式中，P_连接为连接杠杆4-3所受力，则：

钢混结合段试验梁7最终所受集中荷载经散力支跺4-7传递后为：

所述单摆配重系统有两套完全相同装置，对称布设于半圆形电路控制板6-4前、后面，其中，两个锥形铁块6-3分别记为Z_F和Z_B；所述单摆控制系统中，电磁继电器6-5四套，对称布设于半圆形电路控制板6-4左、右侧和前、后面，依次记为D_FL、D_FR、D_BL、D_BR，光电传感器6-6两套，对称布设于半圆形电路控制板6-4前、后面，依次记为G_F、G_B。

所述单摆系统6控制方式如下：

1)试验初始，接通电源，将Z_B从半圆形电路控制板6-4左侧90度角处释放，此时，Z_B受到D_BL磁力吸附作用，无法做单摆运动；将Z_F从半圆形电路控制板6-4左侧45度角处释放，并施加初速度，使其有足够动能摆动至半圆形电路控制板6-4右侧90度角处；

2)Z_F以足够大的初速度从半圆形电路控制板6-4左侧45度角处释放，摆动经过最低点时，触发G_F，使得D_FR被激活，Z_F摆动至半圆形电路控制板6-4右侧最高点时，被D_FR所捕获，无法继续做单摆运动；

3)被D_FR捕获的单摆配重系统，在磁力作用下轻质铜杆6-2与高精度滚动轴承6-1连接处设置处的小段弹簧装置伸长，Z_F与D_FR上设置的金属触点相接，使得包括滚动轴承6-1内部布设的导线、轻质铜杆6-2、Z_F、D_FR在内的元件与半圆形电路控制板6-4形成通路，造成短暂的短路效应；

4)初始状态下，因受到D_BL磁力吸附作用而无法做单摆运动的Z_B，因为短路效应，D_BL短暂失效，将Z_B释放，开始做单摆运动，当摆至最低点时，触发G_B，使得D_BR被激活，Z_B摆动至半圆形电路控制板6-4右侧接近最高点时，被D_BR所捕获，无法继续做单摆运动；

5)被D_BR捕获的单摆配重系统，在磁力作用下轻质铜杆6-2与高精度滚动轴承6-1连接处设置的小段弹簧装置伸长，Z_B与D_BR上设置的金属触点相接，使得包括滚动轴承6-1内部布设的导线、轻质铜杆6-2、Z_B、D_BR在内的元件与半圆形电路控制板6-4形成通路，造成短暂的短路效应；

6)如此周而复始，通过单摆在半圆周期内相继摆动，反复循环，实现可调频的等幅交变疲劳荷载的模拟和施加。

本发明还提供了基于所述调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤一：建立空间三维有限单元模型，计算钢混结合段试验梁7疲劳敏感部位所在截面各内力的影响线；

步骤二：根据内力影响线加载，统计活载过桥一次过程中在钢混结合面所产生的最不利内力幅次数，依据疲劳累积损伤原理计算出疲劳试验所需的等效疲劳内力幅值；

步骤三：根据所得等效疲劳内力幅值和需模拟的实际情况下疲劳荷载频率，确定包括所需摆重、荷载传递系统各力臂几何尺寸、摆长在内的参数，并进行试验装置的拼装；

步骤四：选择合适试验场地，安装顺序为：底座系统1→中间支承系统2→钢混结合段试验梁7→荷载传递系统4→测量系统5→中间传力系统3→单摆系统6；

步骤五：记录在模拟疲劳荷载下钢混结合段试验梁7在对应面、线及点处的应力、应变分布规律，并绘制应力、应变谱进行研究。

钢混结合段试验梁7所受最大集中荷载，通过单摆系统经荷载传递系统增大、扩散后，最终为：

式中，m为单摆质量，g为重力加速度，连接杠杆4-3焊接中心至吊重杆4-1距离记为L₁，至支撑杆1-4距离记为L₂，至传力支跺4-5距离记为L₃，吊带3-3至传力支跺4-5距离记为L₄；

钢混结合段试验梁7所受模拟疲劳荷载周期T：

式中，

为5°以内的小角度摆动时单摆周期公式；R为摆长，θ为单摆的摆角，θ₀为单摆最大摆角，g为重力加速度。

所述最大集中荷载根据试验实际需求，通过改变单摆配重、改变荷载传递系统4各力臂大小进行灵活调整；所述模拟疲劳荷载周期T，通过改变单摆系统摆长进行灵活调整。

所述步骤二中，等效疲劳内力幅值Δσ₀：

其中，n_i为Δσ_i作用总次数，σ_i为i级应力水平应力值，Δσ_i为将i级变幅或随机荷载等效的等幅重复应力幅，m为疲劳强度指数，n为应力作用总次数；

所述步骤五中，拟测试的内容包括：

(1)钢板应变的量测

在刚度过渡段钢箱梁顶板、底板布置应变片；腹板、顶板加劲肋、腹板加劲肋、底板加劲肋、横隔板以及钢混结合段之中的顶板布置应变花，位于钢箱梁内侧的应变片或应变花裹以环氧树脂借以防潮；

(2)PBL应变的量测

采用单向应变片测量PBL贯穿钢筋的弯曲正应力，以此评价其承受的剪力荷载大小，PBL的应变片贴于开孔前后的钢板上，PBL键的应变片裹以环氧树脂借以防潮；

(3)剪力钉应变的量测

剪力钉的应变片贴于距剪力钉根部1cm处并沿高度方向布置，剪力钉的应变片裹以环氧树脂借以防潮。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)提供了一种调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置及方法与试验方法。

(2)本发明装置为自平衡框架，场地适应性强，简单轻便，便于拼装与运输，具有较好的便携性。

(3)本发明通过可调频的单摆装置结合杠杆原理放大弯矩荷载，实现了钢混结合梁段大体量弯曲疲劳测试，有效地节约了试验测试成本，对于考虑弯曲疲劳应力幅的其他结构同样适用。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明立面图。

图3是单摆系统结构示意图。

图4是钢混结合梁段结构示意图。

图中标记含义：

底座系统1，包括：大支跺1-1，大横梁1-2，支撑梁1-3，支撑杆1-4。

中间支承系统2，包括：中支跺2-1，辊轴一2-2，辊轴二2-3，辊轴三2-4。

中间传力系统3，包括：上次梁3-1，下次梁3-2，吊带3-3。

荷载传递系统4，包括：吊重杆4-1，吊重梁4-2，连接杠杆4-3，加载杠杆4-4，传力支跺4-5，分布梁4-6，散力支跺4-7。

测量系统5，包括：力传感器5-1，应变传感器5-2。

单摆系统6，包括：带插销高精度滚动轴承6-1，轻质铜杆6-2，锥形铁块6-3，半圆形电路控制板6-4，电磁继电器6-5，光电传感器6-6。

钢混结合段试验梁7，包括：混凝土箱梁7-1，钢箱梁7-2。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

参考图1、图2、图3、图4，本发明调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置，由如下部分组成：

(1)底座系统1，由大支跺1-1、大横梁1-2、支撑梁1-3、支撑杆1-4组成，其中大横梁1-2底面搭接在大支跺1-1上，支撑杆1-4下端贯穿支撑梁1-3用螺栓连接，并整体焊接固定于大横梁1-2；

其中大支跺1-1采用边长为200mm的C30混凝土立方体砌块；大横梁1-2采用单根截面尺寸为175×175mm的热轧H型钢；支撑梁1-3采用两根16号工字钢，并排焊接组合构成；支撑杆1-4采用

精轧螺纹钢。

(2)中间支承系统2，由中支跺2-1、辊轴一2-2、辊轴二2-3、辊轴三2-4组成，其中，中支跺2-1底端与大横梁1-2的顶面用螺栓连接，辊轴一2-2焊接固定于中支跺2-1顶端，轴向与大横梁1-2的长度方向垂直；钢混结合段试验梁7设置于中间支承系统之上，与大横梁1-2平行；

其中中支跺2-1采用20a工字钢，下端焊接固定284×200×5mm的钢板，上端焊接固定270×160×5mm的钢板。

(3)中间传力系统3，由上次梁3-1、下次梁3-2、吊带3-3组成，其中上次梁3-1置于加载杠杆4-3之上，下次梁3-2置于大横梁1-2之下，上次梁3-1和下次梁3-2与试验梁7垂直设置，上次梁3-1和下次梁3-2之间用吊带3-3以螺栓连接，构成一组支点系统；

其中上次梁3-1和下次梁3-2采用10号工字钢，共2根；所述2根吊带3-3、采用

精轧螺纹钢；所有的连接螺栓均采用M20高强螺栓。

(4)荷载传递系统4，由荷载增大系统和荷载扩散系统组成。

荷载增大系统由吊重杆4-1、吊重梁4-2、连接杠杆4-3、加载杠杆4-4、传力支跺4-5组成。其中，吊重梁4-2、连接杠杆4-3、加载杠杆4-4通过焊接成为整体，吊重杆4-1通过吊重梁4-2左端预留螺孔以螺栓连接，支撑杆1-4通过吊重梁4-2右端预留螺孔以螺栓连接，构成另一组支点系统；传力支跺4-5顶端与加载杠杆4-4底面用螺栓连接，下端布设力传感器5-1，辊轴二2-3通过垫板焊接固定，置于力传感器底端5-1，轴向与大横梁1-2的长度方向垂直；

荷载扩散系统由分布梁4-6、散力支跺4-7组成。分布梁4-6跨中位置受传力支跺4-5集中荷载作用，散力支跺4-7顶端与分布梁4-6底面用螺栓连接，对称布置于分布梁4-6两端，辊轴一2-2焊接固定于散力支跺4-7底端，轴向与大横梁1-2的长度方向垂直。

其中吊重杆4-1采用10根7丝直径为5mm的钢绞线螺旋缠绕组成；吊重梁4-2、连接杠杆4-3、加载杠杆4-4均采用两根1-6号工字钢，并排焊接组合构成；传力支跺4-5采用20a工字钢，下端焊接固定284×200×5mm的钢板，上端焊接固定270×160×5mm的钢板；分布梁46采用单根截面尺寸为175×175mm的热轧H型钢；所有的连接螺栓均采用M20高强螺栓。

本实施例中，连接杠杆4-3与吊重梁4-2和加载杠杆4-4的焊接中心至吊重杆4-1距离为6m，至支撑杆1-4距离为2m，至传力支跺4-5距离为16.5m，吊带3-3至传力支跺4-5距离为1.5m。

其中，吊重梁4-2与支撑杆1-4栓接位置处构成一杠杆支点，记为O₁；加载杠杆4-4顶面上次梁3-1位置处为另一杠杆支点，记为O₂。

则支点O₁与连接杠杆4-3焊接中心距离为2m，与吊重杆4-1距离为8m；支点O₂与传力支跺4-5距离为1.5m，与连接杠杆4-3焊接中心距离为18m，记吊重杆4-1所受力为F，传力支跺4-5所传力为P₀，则根据杠杆原理：

式中，P_连接为连接杠杆4-3所受力，所以，

钢混结合段试验梁7最终所受集中荷载经散力支跺4-7传递后为：

(5)测量系统5，由力传感器和应变传感器5-2组成。其中，力传感器5-1布设于传力支跺4-5下端；根据测试需要，可选择布设于普通钢筋、过渡段钢箱梁顶板/底板、剪力钉根部1cm处等位置，例如本实施例中，应变传感器5-2布设于剪力钉根部1cm处。

(6)单摆系统6，参考图3，包括单摆配重系统和单摆控制系统。其中，单摆配重系统由带插销高精度滚动轴承6-1、轻质铜杆6-2、锥形铁块组成6-3；单摆控制系统由半圆形电路控制板6-4、电磁继电器6-5、光电传感器6-6组成。

单摆配重系统中，带插销高精度滚动轴承6-1焊接锚固于吊重杆4-1上，锥形铁块6-3通过轻质铜杆6-2连接锚固于高精度滚动轴承6-1上。所述轻质铜杆6-2与高精度滚动轴承6-1连接处设置有小段弹簧装置，可实现有限伸缩；所述高精度滚动轴承6-1内部布设导线，使得轻质铜杆6-2和半圆形电路控制板64可以实现连接。其中，锥形铁块6-3质量为m，轻质铜杆6-2长度为R。该单摆配重系统有两套完全相同装置，对称布设于半圆形电路控制板6-4前、后面，其中，两个锥形铁块6-3分别记为Z_F和Z_B；

单摆控制系统中，半圆形电路控制板6-4焊接锚固于吊重杆4-1上，电磁继电器6-5、光电传感器6-6锡焊于半圆形电路控制板6-4上。所述电磁继电器6-5表面布设金属触点，与半圆形电路控制板6-4相连。该单摆控制系统中，电磁继电器6-5四套，对称布设于半圆形电路控制板6-4左、右侧和前、后面，依次记为D_FL、D_FR、D_BL、D_BR。光电传感器6-6两套，对称布设于半圆形电路控制板6-4前、后面，依次记为G_F、G_B。

单摆系统通过以下原理工作：

(i)试验初始，接通电源，将锥形铁块Z_B从半圆形电路控制板6-4左侧90度角处释放，此时，锥形铁块Z_B受到电磁继电器D_BL磁力吸附作用，无法做单摆运动；将锥形铁块Z_F从半圆形电路控制板6-4左侧45度角处释放，并施加较大初速度，使其有足够动能摆动至半圆形电路控制板6-4右侧90度角处；

(ii)锥形铁块Z_F以足够大的初速度从半圆形电路控制板6-4左侧45度角处释放，摆动经过最低点时，触发光电传感器G_F，使得设置于半圆形电路控制板6-4右侧的电磁继电器D_FR被激活，锥形铁块Z_F摆动至半圆形电路控制板64右侧最高点时，被电磁继电器D_FR所捕获，无法继续做单摆运动；

(iii)被电磁继电器D_FR捕获的单摆配重系统，在磁力作用下轻质铜杆6-2与高精度滚动轴承6-1连接处设置的小段弹簧装置伸长，锥形铁块Z_F与电磁继电器D_FR上设置的金属触点相接，使得包括滚动轴承6-1内部布设的导线、轻质铜杆6-2、锥形铁块Z_F、电磁继电器D_FR在内的元件与半圆形电路控制板6-4形成通路，造成短暂的短路效应；

(iv)初始状态下，因受到电磁继电器D_BL磁力吸附作用而无法做单摆运动的锥形铁块Z_B，因为短路效应，电磁继电器D_BL短暂失效，将锥形铁块Z_B释放，开始做单摆运动，当摆至最低点时，触发光电传感器G_B，使得设置于半圆形电路控制板6-4右侧的电磁继电器D_BR被激活，锥形铁块Z_B摆动至半圆形电路控制板6-4右侧接近最高点时，被电磁继电器D_BR所捕获，无法继续做单摆运动；

(v)被电磁继电器D_BR捕获的单摆配重系统，在磁力作用下轻质铜杆6-2与高精度滚动轴承6-1连接处设置处的小段弹簧装置伸长，锥形铁块Z_B与电磁继电器D_BR上设置的金属触点相接，使得包括滚动轴承6-1内部布设的导线、轻质铜杆6-2、锥形铁块Z_B、电磁继电器D_BR在内的元件与半圆形电路控制板6-4形成通路，造成短暂的短路效应；

(vi)如此周而复始，通过单摆在半圆周期内相继摆动，反复循环，实现可调频的等幅交变疲劳荷载的模拟和施加。

根据动能定理，单摆摆动至最低点时，可提供最大拉力：

式中，m为单摆质量，v为单摆速度，g为重力加速度，h为单摆下降高度，R为摆绳长度，θ₀为摆动角度，F为绳子拉力。

在

时，可得F＝3mg。

对应大角度单摆的周期：

式中，

为小角度摆动时(5°以内的单摆运动)单摆周期公式；R为摆长，θ为单摆的摆角，θ₀为单摆最大摆角，g为重力加速度。

钢混结合段试验梁7所受最大集中荷载，通过单摆系统经荷载传递系统增大、扩散后，最终为：

式中，m为单摆质量，g为重力加速度，连接杠杆4-3焊接中心至吊重杆4-1距离记为L₁，至支撑杆1-4距离记为L₂，至传力支跺4-5距离记为L₃，吊带3-3至传力支跺4-5距离记为L₄。

钢混结合段试验梁7所受模拟疲劳荷载周期T：

其中，

为小角度摆动时(5°以内的单摆运动)单摆周期公式；

式中，R为摆长，θ为单摆的摆角，θ₀为单摆最大摆角，g为重力加速度。

本发明还提供了基于所述单摆原理的结合段弯曲疲劳试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立空间三维有限单元模型，计算钢混结合段试验梁7弯曲疲劳敏感部位所在截面各内力的影响线；

步骤二：根据内力影响线加载，统计列车过桥一次过程中在钢混分界面所产生的最不利内力幅次数，依据疲劳累积损伤原理计算出疲劳试验所需的等效疲劳内力幅值。所述等效疲劳内力幅值Δσ₀由下式求出：

其中，n_i为Δσ_i作用总次数，σ_i为i级应力水平应力值，Δσ_i为将i级变幅或随机荷载等效的等幅重复应力幅，m为疲劳强度指数，n为应力作用总次数。

步骤三：根据所得等效疲劳内力幅值和需模拟的实际情况下疲劳荷载频率，确定所需摆重、荷载传递系统各力臂几何尺寸、摆长等参数，并进行试验装置的拼装；

步骤四：选择合适试验场地，依次安装底座系统1、中间支承系统2、钢混结合段试验梁7、荷载传递系统4、测量系统5、中间传力系统3、单摆系统6；

步骤五：记录在模拟弯曲疲劳荷载下钢混结合段试验梁7在对应面、线及点处的应力、应变分布规律等，并绘制应力、应变谱进行相关研究。

拟测试的内容主要有以下几方面：

(1)钢板应变的量测。考虑到刚度过渡段钢箱梁顶板、底板基本处于单向应力状态，可在这些部位布置应变片；而腹板、顶板加劲肋、腹板加劲肋、底板加劲肋、横隔板以及钢混结合段之中的顶板等处于复杂应力状态，这些部位应布置应变花，位于钢箱梁内侧的应变片或应变花应裹以环氧树脂借以防潮。

(2)PBL应变的量测。由于测试技术的限制，难以直接测出PBL贯穿钢筋截面的剪应力，换而采用单向应变片测量钢筋表面的弯曲正应力，以此评价其承受的剪力荷载大小.对栓钉亦可测量其根部弯曲应力。PBL的应变片应贴于开孔前后的钢板上。PBL键的应变片应裹以环氧树脂借以防潮。

(3)剪力钉应变的量测。剪力钉的应变片应贴于距剪力钉根部1cm处并沿高度方向布置。剪力钉的应变片应裹以环氧树脂借以防潮。

综上，本发明按照所要研究钢混结合段截面的内力影响线，确定所需等效疲劳内力幅值，拼装试验自平衡框架、测量系统等步骤开展试验。本发明具有结构框架自平衡、安装简单、可调频等幅交变加载、成本低、适应于现场实际条件等优点，能够对以大跨径混合梁斜拉桥为代表的钢混结合梁段实施弯曲疲劳加载试验。

发明所述的具体实施方式并不构成对本发明范围的全部限制，凡是在本发明构思的原则和精神之内，本领域的专业人员做出的任何修改、等同替换的改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置，其特征在于，由底座系统(1)、中间支承系统(2)、中间传力系统(3)、荷载传递系统(4)、测量系统(5)、单摆系统(6)组成，其中：

所述底座系统(1)，由大支跺(1-1)、大横梁(1-2)、支撑梁(1-3)和支撑杆(1-4)组成，其中大横梁(1-2)底面搭接在大支跺(1-1)上，支撑杆(1-4)下端贯穿支撑梁(1-3)用螺栓连接，并整体焊接固定于大横梁(1-2)上；

所述中间支承系统(2)，由中支跺(2-1)、辊轴一(2-2)、辊轴二(2-3)、辊轴三(2-4)组成，其中中支跺(2-1)底端与大横梁(1-2)的顶面用螺栓连接，辊轴一(2-2)焊接固定于中支跺(2-1)顶端，轴向与大横梁(1-2)的长度方向垂直，钢混结合段试验梁(7)设置于中间支承系统上，与大横梁(12)平行；

所述荷载传递系统(4)，由荷载增大系统和荷载扩散系统组成，所述荷载增大系统由吊重杆(4-1)、吊重梁(4-2)、连接杠杆(4-3)和加载杠杆(4-4)、传力支跺(4-5)组成，其中吊重梁(4-2)、连接杠杆(4-3)、加载杠杆(4-4)通过焊接成为整体，连接杠杆(4-3)底端焊接在吊重梁(4-2)顶面，顶端焊接在加载杠杆(4-4)一端底面，传力支跺(4-5)顶端与加载杠杆(4-4)底面用螺栓连接，吊重杆(4-1)通过吊重梁(4-2)一端预留螺孔以螺栓连接，支撑杆(1-4)通过吊重梁(4-2)另一端预留螺孔以螺栓连接，构成一组支点系统；所述荷载扩散系统由分布梁(4-6)和散力支跺(4-7)组成，分布梁(4-6)跨中位置受传力支跺(4-5)集中荷载作用，散力支跺(4-7)顶端与分布梁(4-6)底面用螺栓连接，对称布置于分布梁(4-6)两端，辊轴三(2-4)焊接固定于散力支跺(4-7)底端，轴向与大横梁(1-2)的长度方向垂直；

所述中间传力系统(3)，由上次梁(3-1)、下次梁(3-2)和吊带(3-3)组成，其中上次梁(3-1)置于加载杠杆(4-4)之上，下次梁(3-2)置于大横梁(1-2)之下，上次梁(3-1)和下次梁(3-2)与试验梁(7)垂直设置，上次梁(3-1)和下次梁(3-2)之间用吊带(3-3)以螺栓连接，构成另一组支点系统；

所述测量系统(5)，由力传感器(5-1)和应变传感器(5-2)组成，其中力传感器(5-1)布设于传力支跺(4-5)下端，辊轴二(2-3)通过垫板焊接固定，置于力传感器(5-1)底端；

所述单摆系统(6)，包括单摆配重系统和单摆控制系统，其中单摆配重系统由带插销高精度滚动轴承(6-1)、轻质铜杆(6-2)和锥形铁块组成(6-3)组成，带插销高精度滚动轴承(6-1)焊接锚固于吊重杆(4-1)上，锥形铁块(6-3)通过轻质铜杆(6-2)连接锚固于高精度滚动轴承(6-1)上，轻质铜杆(6-2)与高精度滚动轴承(6-1)连接处设置有小段弹簧装置，可实现有限伸缩；所述高精度滚动轴承(6-1)内部布设导线，使得轻质铜杆(6-2)和半圆形电路控制板(6-4)可以实现连接；单摆控制系统由半圆形电路控制板(6-4)、电磁继电器(6-5)、光电传感器(6-6)组成，半圆形电路控制板(6-4)焊接锚固于吊重杆(4-1)上，电磁继电器(6-5)、光电传感器(6-6)锡焊于半圆形电路控制板(6-4)上，电磁继电器(6-5)表面布设金属触点，与半圆形电路控制板(6-4)相连。

2.根据权利要求1所述调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置，其特征在于，所述大支跺(1-1)采用边长为200mm的C30混凝土立方体砌块；所述大横梁(1-2)与分布梁(4-6)采用单根截面尺寸为175×175mm的热轧H型钢；所述中支跺(4)采用20a工字钢，下端焊接固定284×200×5mm的钢板，上端焊接固定270×160×5mm的钢板；所述吊重梁(4-2)、连接杠杆(4-3)、加载杠杆(4-4)、支撑梁(1-3)均采用两根16号工字钢，并排焊接组合构成；所述上次梁(3-1)和下次梁(3-2)采用10号工字钢，共2根；所述2根吊带(3-3)、支撑杆(1-4)采用

精轧螺纹钢；所述吊重杠(4-1)采用10根7丝直径为5mm的钢绞线螺旋缠绕组成；所有的连接螺栓均采用M20高强螺栓。

3.根据权利要求1所述调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置，其特征在于，所述荷载传递系统(4)中，吊重梁(4-2)、加载杠杠(4-4)、分布梁(4-6)上下表面均预留足够数量螺栓孔，吊重杆(4-1)、支撑杆(1-4)、吊带(3-3)、传力支跺(4-5)、散力支跺(4-7)与荷载传递系统(4)各部位的连接位置根据实际需求灵活调整；其中，连接杠杆(4-3)与吊重梁(4-2)和加载杠杆(4-4)的焊接中心至吊重杆(4-1)距离记为L₁，至支撑杆(1-4)距离记为L₂，至传力支跺(4-5)距离记为L₃，吊带(3-3)至传力支跺(4-5)距离记为L₄，吊重梁(4-2)与支撑杆(1-4)栓接位置处构成一杠杆支点，记为O₁；加载杠杆(4-4)顶面上次梁(3-1)位置处为另一杠杆支点，记为O₂，所述锥形铁块(6-3)质量为m，轻质铜杆(6-2)长度为R。

4.根据权利要求3所述调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置，其特征在于，所述支点O₁与连接杠杆(4-3)焊接中心距离为L₂，与吊重杆(4-1)距离为L₁+L₂；支点O₂与传力支跺(4-5)距离为L₄，与连接杠杆(4-3)焊接中心距离为L₃+L₄，记吊重杆(4-1)所受力为F，传力支跺(4-5)所传力为P₀，则根据杠杆原理：

式中，P_连接为连接杠杆(4-3)所受力，则：

钢混结合段试验梁(7)最终所受集中荷载经散力支跺(4-7)传递后为：

5.根据权利要求3所述调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置，其特征在于，所述单摆配重系统有两套完全相同装置，对称布设于半圆形电路控制板(6-4)前、后面，其中，两个锥形铁块(6-3)分别记为Z_F和Z_B；所述单摆控制系统中，电磁继电器(6-5)四套，对称布设于半圆形电路控制板(6-4)左、右侧和前、后面，依次记为D_FL、D_FR、D_BL、D_BR，光电传感器(6-6)两套，对称布设于半圆形电路控制板(6-4)前、后面，依次记为G_F、G_B。

6.根据权利要求5所述调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置，其特征在于，所述单摆系统(6)控制方式如下：

(1)试验初始，接通电源，将Z_B从半圆形电路控制板(6-4)左侧90度角处释放，此时，Z_B受到D_BL磁力吸附作用，无法做单摆运动；将Z_F从半圆形电路控制板(6-4)左侧45度角处释放，并施加初速度，使其有足够动能摆动至半圆形电路控制板(6-4)右侧90度角处；

(2)Z_F以足够大的初速度从半圆形电路控制板(6-4)左侧45度角处释放，摆动经过最低点时，触发G_F，使得D_FR被激活，Z_F摆动至半圆形电路控制板(6-4)右侧最高点时，被D_FR所捕获，无法继续做单摆运动；

(3)被D_FR捕获的单摆配重系统，在磁力作用下轻质铜杆(6-2)与高精度滚动轴承(6-1)连接处设置处的小段弹簧装置伸长，Z_F与D_FR上设置的金属触点相接，使得包括滚动轴承(6-1)内部布设的导线、轻质铜杆(6-2)、Z_F、D_FR在内的元件与半圆形电路控制板(6-4)形成通路，造成短暂的短路效应；

(4)初始状态下，因受到D_BL磁力吸附作用而无法做单摆运动的Z_B，因为短路效应，D_BL短暂失效，将Z_B释放，开始做单摆运动，当摆至最低点时，触发G_B，使得D_BR被激活，Z_B摆动至半圆形电路控制板(6-4)右侧接近最高点时，被D_BR所捕获，无法继续做单摆运动；

(5)被D_BR捕获的单摆配重系统，在磁力作用下轻质铜杆(6-2)与高精度滚动轴承(6-1)连接处设置的小段弹簧装置伸长，Z_B与D_BR上设置的金属触点相接，使得包括滚动轴承(6-1)内部布设的导线、轻质铜杆(6-2)、Z_B、D_BR在内的元件与半圆形电路控制板(6-4)形成通路，造成短暂的短路效应；

(6)如此周而复始，通过单摆在半圆周期内相继摆动，反复循环，实现可调频的等幅交变疲劳荷载的模拟和施加。

7.基于权利要求1所述调频单摆激励下的钢混结合梁段弯曲疲劳试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立空间三维有限单元模型，计算钢混结合段试验梁(7)疲劳敏感部位所在截面各内力的影响线；

步骤二：根据内力影响线加载，统计活载过桥一次过程中在钢混结合面所产生的最不利内力幅次数，依据疲劳累积损伤原理计算出疲劳试验所需的等效疲劳内力幅值；

步骤三：根据所得等效疲劳内力幅值和需模拟的实际情况下疲劳荷载频率，确定包括所需摆重、荷载传递系统各力臂几何尺寸、摆长在内的参数，并进行试验装置的拼装；

步骤四：选择合适试验场地，安装顺序为：底座系统(1)→中间支承系统(2)→钢混结合段试验梁(7)→荷载传递系统(4)→测量系统(5)→中间传力系统(3)→单摆系统(6)；

步骤五：记录在模拟疲劳荷载下钢混结合段试验梁(7)在对应面、线及点处的应力、应变分布规律，并绘制应力、应变谱进行研究。

8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于：

钢混结合段试验梁(7)所受最大集中荷载，通过单摆系统经荷载传递系统增大、扩散后，最终为：

式中，m为单摆质量，g为重力加速度，连接杠杆(4-3)焊接中心至吊重杆(4-1)距离记为L₁，至支撑杆(1-4)距离记为L₂，至传力支跺(4-5)距离记为L₃，吊带(3-3)至传力支跺(4-5)距离记为L₄；

钢混结合段试验梁(7)所受模拟疲劳荷载周期T：

式中，

为5°以内的小角度摆动时单摆周期公式；R为摆长，θ为单摆的摆角，θ₀为单摆最大摆角，g为重力加速度。

9.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述最大集中荷载根据试验实际需求，通过改变单摆配重、改变荷载传递系统(4)各力臂大小进行灵活调整；所述模拟疲劳荷载周期T，通过改变单摆系统摆长进行灵活调整。

10.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述步骤二中，等效疲劳内力幅值Δσ₀：

其中，n_i为Δσ_i作用总次数，σ_i为i级应力水平应力值，Δσ_i为将i级变幅或随机荷载等效的等幅重复应力幅，m为疲劳强度指数，n为应力作用总次数；

所述步骤五中，拟测试的内容包括：

(1)钢板应变的量测

在刚度过渡段钢箱梁顶板、底板布置应变片；腹板、顶板加劲肋、腹板加劲肋、底板加劲肋、横隔板以及钢混结合段之中的顶板布置应变花，位于钢箱梁内侧的应变片或应变花裹以环氧树脂借以防潮；

(2)PBL应变的量测

采用单向应变片测量PBL贯穿钢筋的弯曲正应力，以此评价其承受的剪力荷载大小，PBL的应变片贴于开孔前后的钢板上，PBL键的应变片裹以环氧树脂借以防潮；

(3)剪力钉应变的量测

剪力钉的应变片贴于距剪力钉根部1cm处并沿高度方向布置，剪力钉的应变片裹以环氧树脂借以防潮。

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