鋼橋面鋪裝疲勞開裂試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于道路工程領域，具體涉及一種模擬鋼橋面鋪裝在真實受力狀況下的疲勞開裂狀況的試驗裝置及方法。
【背景技術】
[0002]大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝的開裂破壞一直是困擾我國道路界的一個難題。諸多室內試驗中表現優異，抗裂性能卓越的鋪裝層材料一旦應用于實際橋面鋪裝中，往往發生嚴重的裂縫病害。宄其原因，在于室內評價試驗無法準確合理的反映實際鋪裝層受力狀況，而問題的核心在于缺乏能夠正確模擬鋪裝層及鋼橋面板結構特點及變形特征的試驗裝置。
[0003]傳統鋼橋面鋪裝層性能設計及評價過程中通常采用劈裂試驗、低溫彎曲試驗、沖擊韌性試驗等對鋪裝層材料的抗裂性能進行評價，但試驗結果只能間接反映鋪裝層材料的抗疲勞開裂性能，而無法考慮材料應用于鋼橋面鋪裝體系時的真實受力狀況，無法獲得鋪裝層的抗裂疲勞壽命，對抗裂性能的評價結果不夠直觀，試驗數據對具體項目的支撐力度不足，僅能作為對比參考而使用。而現有鋪裝層復合梁試驗引入了鋪裝層與橋面鋼板協同變形，共同受力的特征，但依然存在邊界條件與實際情況不符，加載設備作用力無法達到實際車輛荷載作用的效果等諸多問題。因此，設計發明一種能夠更為精確合理的模擬橋面板的結構、同時又能夠在實驗室室內有限的加載條件下，合理反映橋面鋪裝真實力學響應的新型試驗裝置，有利于直觀評價鋪裝層力學響應及抗裂性能，研宄鋪裝層受力及開裂機理，進而在鋼橋面鋪裝材料的選擇、改進、研發等科研及工程應用領域，均具有十分重要的意義。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服現有鋪裝層疲勞開裂試驗裝置的缺陷與不足，設計開發了一種可以模擬鋼橋面鋪裝層實際受力狀況的試驗裝置，用于研宄鋼橋面鋪裝層在車輛荷載作用下的疲勞開裂特征，從而評價鋪裝層的抗裂性能，預測鋪裝層的疲勞壽命。
[0005]—種鋼橋面鋪裝疲勞開裂試驗裝置，試件安裝在試驗裝置上，其特征在于:試驗裝置包括用于施加荷載的試驗平臺，以及用于模擬試件受力的試驗模型，試驗模型包括一個支撐底座，支撐底座具有至少兩個立柱，立柱上安裝加載板，通過夾具將加載板與試件固定在一起。
[0006]進一步，所述試件為復合梁結構，下層為鋪裝層，上層為帶加勁肋的鋼板；每個立柱上均安裝一塊加載板，試件安裝在至少兩個加載板上，鋼板的加勁肋位于試件中間，正下方位于兩相鄰加載板中間。
[0007]更進一步，加載板上層為橡膠層，下層為剛性金屬層。
[0008]更進一步，加載板下層具有槽狀的夾具安裝位，夾具整體呈匚形，試件下層緊貼加載板上層，通過夾具錨固安裝。
[0009]更進一步，立柱上表面中間具有定位孔，加載板底部中心具有與定位孔相適配的定位凸起。
[0010]更進一步，支撐底座上立柱兩側設有加強筋。
[0011]上述鋼橋面鋪裝疲勞開裂試驗裝置的試驗方法，包括如下步驟:
[0012]首先，根據試驗平臺尺寸及荷載加載上限確定試件尺寸，使試件與試驗平臺配合，能夠模擬該試件的預設受力范圍；利用三維有限元軟件對試件進行建模，通過有限元分析其鋪裝層表面產生與實際鋪裝層相當的應力應變水平時所需的加載力；
[0013]將制作好的試件通過夾具與加載板安裝在一起，加載板安裝在支撐底座的立柱上，共同構成試驗模型；
[0014]利用試驗平臺對試驗模型進行保溫，使其溫度維持在某一水平，通過試驗平臺為試驗模型施加荷載，根據試件的預設受力范圍，在最大加載力與最小加載力之間采用半正弦波形式施加荷載，模擬預設車速下的行車荷載，試驗溫度與試驗荷載根據具體環境溫度與車輛荷載的特征進行調整；
[0015]試件觀測:對試驗過程中的試件的狀態通過位移觀測、應變片觀測以及DIC數字圖像處理對鋪裝層的技術狀態，裂縫的產生與擴展過程進行直接或間接的觀測，同時根據鋪裝層裂縫達到不同狀態時的荷載作用次數，預測并評價鋪裝層的開裂疲勞壽命。
[0016]本發明中，鋼橋面鋪裝疲勞開裂實驗裝置依據鋼橋面結構實際特征，設計了帶加勁肋的鋼板模擬鋼橋面板的正交異性結構，通過與鋪裝層試件粘結形成復合梁試件，模擬出真實鋪裝層與鋼橋面板的復合結構。試驗裝置底座上設置兩個支撐結構，對兩塊加載板形成支撐；復合梁試件放置于加載板之上，加載板與試件接觸表面采用與車輛輪胎相同的彈性橡膠材料，并利用夾具緊固，避免試驗過程中產生橫向位移；試驗平臺的加載設備將動態荷載施加于鋼板加勁肋之上，從而在下方鋪裝層試件內產生彎拉應力，模擬鋪裝層在車輛荷載作用下的受力狀態。兩塊加載板的尺寸與間距按照雙輪組的單側實際尺寸進行設計布置，從而很好的模擬出車輪荷載對鋪裝層表面的作用。通過一系列應力計算、初始試驗、模量反算及加載力計算等過程，使得試驗裝置中復合梁試件鋪裝層在加載作用下的力學響應與實際橋面鋪裝在車輛荷載作用下的力學響應相一致，通過觀測復合梁試件鋪裝層的工作狀況、裂縫發展狀況，可以評價并預測鋪裝層材料應用于實際工程中的抗裂性能及疲勞壽命，在室內試驗與實際工程應用之間建立可靠穩定的一致性，保證鋪裝層材料試驗結果與實際應用效果相一致，有利于鋪裝層材料的選擇、改進及研發。
[0017]本發明設計的試驗裝置能夠充分模擬鋼橋面板，尤其是大跨徑鋼箱梁橋面板大變形的特點，通過三維整體有限元力學分析獲得鋪裝層在橋梁整體變形及橋面板局部變形綜合作用下的力學響應，通過一系列計算和操作使得試驗裝置中鋪裝層復合梁試件在設備加載力作用下的力學響應與實際情況相一致，從而實現合理精確的模擬仿真。試驗流程邏輯縝密，試驗方法合理易行，試驗裝置簡便實用，試驗結果穩定可靠。該試驗裝置及方法能夠完全一致的模擬鋪裝層表面在車輛荷載作用下的受力狀況，從而為實驗室內評價鋪裝層的實際抗裂性能，預測鋪裝層疲勞壽命，提供了一種合理可靠的試驗方法。對工程應用中鋪裝層材料的選擇，科研活動中鋪裝層材料的改進與研發，均具有十分重要的作用。
【附圖說明】
[0018]圖1為實施例中半正弦波荷載加載示意圖；
[0019]圖2為實施例中鋪裝層疲勞開裂試驗裝置的總體示意圖；
[0020]圖3為實施例中鋪裝層疲勞開裂試驗裝置的主視圖；
[0021]圖4為實施例中帶加勁肋鋼板示意圖；
[0022]圖5為實施例中鋪裝層試件示意圖；
[0023]圖6為實施例中加載板示意圖；
[0024]圖7為實施例中支撐底座示意圖；
[0025]
[0026]其中:1_加勁肋，2-鋼板，3-鋪裝層，4-夾具，5-加載板，6-橡膠層，7-立柱，8-支撐底座。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖，對鋼橋面鋪裝層疲勞開裂試驗裝置的設計作進一步的說明。
[0028]現有鋪裝層材料疲勞性能試驗可以分為兩大類，一是直接對材料進行試驗，如小梁彎曲疲勞試驗、劈裂疲勞試驗、四點彎曲疲勞試驗等；二是鋪裝層復合梁試驗，即對鋪裝層與鋼板復合體同時施加荷載，模擬鋪裝層受力狀況。從試驗的直觀性與合理性而言，復合梁試驗具有明顯的優越性。但現有復合梁試驗均存在邊界