CN105181493A - 钢与混凝土界面疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢与混凝土界面实施疲劳试验的装置，其特征是该装置包括控制单元、加载单元、试件固定单元和试件，所述试件固定单元中的试件夹具(15)和试件(11)由滚动支座(14)承载并置于工作平台(7)上，滚动支座(14)可沿工作平台(7)移动，试件钢板部分(112)的外表面与直线导轨(10)的滑动面相贴合，水平气压缸(8)依次与水平荷载传感器(9)、直线导轨(10)连接并施加水平力将试件压紧。采用本发明能更准确地检测各种目标条件下的界面疲劳性能，适用于钢桥面铺装结构设计、研究及工程检测。

Description

钢与混凝土界面疲劳试验装置

技术领域

本发明属于钢桥面铺装检测仪器技术领域，特别是针对钢与混凝土界面实施疲劳试验的装置。

背景技术

钢桥面铺装是由单层或多层混凝土与钢桥面板组成的复合结构，各结构层由粘结材料结合为整体，层间界面的力学特性和强度对铺装结构具有重要的影响。由于钢与混凝土物理、力学特性的差异，在行车荷载的反复作用下，钢桥面板与混凝土接触界面容易出现疲劳破坏，产生滑移或剪切断裂等损坏，因此该接触界面的抗疲劳特性直接影响到钢桥面铺装的耐久性和安全性，测试钢与混凝土界面的抗疲劳特性对实际工程尤其重要。

目前国内外测试钢与混凝土界面力学特性的试验装置在进行界面疲劳试验时不能完全满足使用需求。例如：中国专利CN101126691提供了一种公路钢桥梁沥青混凝土铺装层抗剪抗弯拉测试仪，但该装置没有考虑施加法向应力，且不能模拟界面的实际工作温度环境。中国专利CN103471924具有控温和法向应力施加功能，但它在实施界面剪切试验过程中法向应力无法保持稳定，而法向应力对界面力学性能的影响较大，同时该装置采用滚轴与试件接触将导致法向应力不能均匀分布在界面上。因此，在考虑稳定法向应力作用和温度环境等工作条件下，现有试验装置不能准确测试钢与混凝土界面的抗疲劳特性和强度，或者导致试验结果的偏差，无法正确评价钢桥面铺装结构的性能及施工效果。

发明内容

本发明的目的在于解决采用现有钢与混凝土界面试验装置进行疲劳试验时，无法保持法向应力稳定性和均匀性，以及无法模拟工况环境温度等问题，提供一种兼容多种试验条件、试验数据准确、使用方便的钢与混凝土界面疲劳试验装置，它能更好地模拟界面法向应力与剪应力共存的受力状态，建立不同环境条件下荷载与界面疲劳特性的对应关系，进而提高钢与混凝土界面抗疲劳特性和强度的测试精度和效果。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种钢与混凝土界面疲劳试验装置，其特征在于该装置包括：控制单元、加载单元、试件固定单元和试件11，所述的控制单元包括计算机18、水平气压伺服控制***5、主控箱19、水平荷载传感器9、竖向荷载传感器2，所述加载单元包括疲劳试验机3、水平气压缸8、试件压头4、竖向作动器1，所述的试件固定单元包括工作平台7、滚动支座14、夹具15、盖板17、竖向固定拉杆13、水平固定拉杆16、固定横杆20、直线导轨10；

试件11的混凝土部分111固定在夹具15内，试件的钢板部分112突出于夹具15外，所述夹具15和试件11由滚动支座14承载并置于工作平台7上，滚动支座14可沿工作平台7移动。试件中钢板与混凝土的接触面为试件界面12，试件界面12与滚动支座14边缘处于同一垂直平面；

沿试件钢板部分112的法线水平方向R，依次设置固定横杆20、2根水平固定拉杆16、滚动支座14及其承载的夹具15和试件11、直线导轨10、水平荷载传感器9、水平气压缸8，其中2根水平固定拉杆16分别水平置于滚动支座14两侧，一端共同与固定横杆20垂直连接，另一端共同固定在水平气压缸8上，试件钢板部分112的外表面与直线导轨10的滑动面相贴合，水平气压缸8依次与水平荷载传感器9、直线导轨10连接并施加水平力将试件压紧。

沿工作平台7垂直方向上，盖板17放置于试件11上，2根竖向固定拉杆13分别置于夹具15两侧，上端同时与盖板17连接并夹紧试件11，下端同时固定连接于工作平台7上，试件压头4垂直置于试件钢板部分112的正上方，且与钢板部分112的中心线重合，试件压头4上部与竖向作动器1连接，由疲劳试验机3连接竖向作动器1并施加垂直作用力，带动试件压头4向试件的钢板部分112施加垂直作用力，使试件钢板部分112相对于混凝土部分111产生向下移动，并产生剪切变形，竖向荷载传感器2安装于垂直力作用处。

主控箱19通过三根数据线分别与计算机18、竖向作动器1、竖向荷载传感器2连接以完成疲劳试验的操作控制和试验数据的采集工作。水平气压伺服控制***5通过输气软管6与水平气压缸8连接，并控制监测水平压力的大小。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1.通过水平气压缸和水平气压伺服控制***在试件界面施加0-2MPa的任意法向应力并进行实时监控，涵盖了钢桥面与铺装界面在车辆荷载作用下可能产生的所有法向应力状况，克服了现有试验装置在试验过程中法向应力不能保持稳定的不足。

2.本发明的滚动支座水平方向可移动，可使得试件界面与滚动支座边缘在同一竖直面上，并减小试件形状、尺寸的不规则对疲劳试验的影响，能有效降低疲劳试验结果的离散性，提高疲劳试验的可靠性，完善现有试验装置的不足。

3.试件的钢板部分与直线导轨的滑动部分接触并同步沿竖向移动，消除了摩擦力对界面的影响并保证了法向应力施加的均匀性，克服了现有试验装置不能均匀施加法向应力的不足。

4.本发明的夹具、盖板、试件压头、滚动支座均为独立结构，便于针对不同夹持试件的形状和尺寸对夹具、盖板、试件压头进行更换，使本发明应用更加广泛，且当夹具、盖板、试件压头、滚动支座出现磨损时便于更换。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2为夹具、盖板、试件、直线导轨、水平荷载传感器、工作平台、水平气压缸、竖向固定拉杆、滚动支座、水平固定拉杆和水平固定横梁的结构示意图。

图3为钢与混凝土试件、试件界面、夹具和滚动支座的结构示意图。

图4为本发明的试件固定单元放置于温度可控环境试验箱内的结构示意图。

附图标记及其所代表的组成部分为：1－竖向作动器，2－竖向荷载传感器，3－疲劳试验机，4－试件压头，5－水平气压伺服控制***，6－输气软管，7－工作平台，8－水平气压缸，9－水平荷载传感器，10－直线导轨，11－试件，111-试件的混凝土部分，112-试件的钢板部分，12－试件界面，13－竖向固定拉杆，14－滚动支座，15－夹具，16－水平固定拉杆，17－盖板，18－计算机，19－主控箱，20－固定横杆，21－环境箱。

具体实施方式

实施例一：

本发明一种钢与混凝土界面疲劳试验装置，包括：控制单元、加载单元、试件固定单元和试件11，所述的控制单元包括计算机18、水平气压伺服控制***5、主控箱19、水平荷载传感器9、竖向荷载传感器2，所述加载单元包括疲劳试验机3、水平气压缸8、试件压头4、竖向作动器1，所述的试件固定单元包括工作平台7、滚动支座14、夹具15、盖板17、竖向固定拉杆13、水平固定拉杆16、固定横杆20、直线导轨10；

试件11的混凝土部分111固定在夹具15内，试件的钢板部分112突出于夹具15外，所述夹具15和试件11由滚动支座14承载并置于工作平台7上，滚动支座14可沿工作平台7移动。试件中钢板与混凝土的接触面为试件界面12，试件界面12与滚动支座14边缘处于同一垂直平面；

沿试件钢板部分112的法线水平方向R，依次设置固定横杆20、2根水平固定拉杆16、滚动支座14及其承载的夹具15和试件11、直线导轨10、水平荷载传感器9、水平气压缸8，其中2根水平固定拉杆16分别水平置于滚动支座14两侧，一端共同与固定横杆20通过螺栓垂直连接，另一端同时固定在水平气压缸8上，试件钢板部分112的外表面与直线导轨10的滑动面相贴合，水平气压缸8依次与水平荷载传感器9、直线导轨10连接并施加水平力将试件11压紧。

沿工作平台7垂直方向上，盖板17放置于试件11上，2根竖向固定拉杆13分别置于夹具15两侧，上端同时与盖板17通过螺栓连接并夹紧试件11，下端同时固定连接于工作平台7上，试件压头4下端垂直置于试件钢板部分112的正上方，且与钢板部分112的中心线重合，试件压头4上端与竖向作动器1连接，疲劳试验机3连接竖向作动器1并施加垂直作用力，带动试件压头4向试件的钢板部分112施加垂直作用力，使试件钢板部分112相对于混凝土部分111产生向下移动，并产生剪切变形，竖向荷载传感器2安装于疲劳试验机3与竖向作动器1的连接处。

主控箱19通过三根数据线分别与计算机18、竖向作动器1、竖向荷载传感器2连接以完成疲劳试验的操作控制和试验数据的采集工作。水平气压伺服控制***5通过输气软管6与水平气压缸8连接，控制监测水平压力的大小。

实施例二：

如图4所示的一种钢与混凝土界面疲劳试验装置，相比实施例一改进之处在于，该试验装置还包括一个温度可控环境试验箱21，试件固定单元可放置于温度可控环境试验箱21内，竖向作动器1穿过温度可控环境试验箱21的顶板，水平气压缸8也置于温度可控环境试验箱21内。水平气压伺服控制***5置于温度可控环境试验箱21外，通过输气软管6穿过温度可控环境试验箱21与水平气压缸8连接。

下面，具体说明采用本发明进行钢与混凝土界面疲劳试验的具体实施过程：

1.试验准备

(1)开始试验前，将温度可控环境试验箱21的温度设置为需要的试验温度并保温4h，温控范围最佳为-15～60℃，温控精度最佳为±0.5℃。

(2)准备好钢与混凝土复合试件11，试件的横截面尺寸最佳为(50-200mm)×(50-200mm)，钢板部分112厚度可为8-20mm，混凝土部分111厚度可为40-100mm。将试件的混凝土部分111固定在夹具15内，试件的钢板部分112突出于夹具15外，使试件界面12与滚动支座14边缘在同一竖直面上，再将盖板17置于试件11上，调节位置使竖向固定拉杆13穿过盖板17上预制的空心螺孔，通过螺栓将竖向固定拉杆13和盖板17连接并夹紧试件11。调节使试件压头4与试件钢板部分112的中心线重合，试件压头4的厚度最佳比试件钢板部分112的厚度小1-5mm。

2.试验过程

(1)试验准备工作结束后，操作水平气压伺服控制***5使水平气压缸8向试件11施加水平方向的静荷载，直线导轨10的滑动面在水平压力作用下与试件11紧密接触；通过水平气压伺服控制***5控制并监测水平压力的大小，直至试件界面12产生需要的法向应力，法向应力范围最佳为0-2MPa，并且在试验过程中保持在±3％范围内。

(2)开动疲劳试验机3和主控箱19，通过计算机18设定循环周次的交变荷载，使竖向作动器1沿竖直方向通过压头4向下反复压动试件的钢板部分112，以试件界面12不产生剪切断裂的最大疲劳应力为钢与混凝土界面的测定疲劳强度。疲劳试验机3施加的垂直作用力范围最佳为0-100kN，疲劳试验机3施加荷载的频率范围最佳为0.01-50Hz，试件钢板部分112产生的剪切位移范围为0-30mm。

Claims (5)

1.一种钢与混凝土界面疲劳特性检测装置，其特征在于该装置包括：控制单元、加载单元、试件固定单元和试件(11)，所述的控制单元包括计算机(18)、水平气压伺服控制***(5)、主控箱(19)、水平荷载传感器(9)、竖向荷载传感器(2)，所述加载单元包括疲劳试验机(3)、水平气压缸(8)、试件压头(4)、竖向作动器(1)，所述的试件固定单元包括工作平台(7)、滚动支座(14)、夹具(15)、盖板(17)、竖向固定拉杆(13)、水平固定拉杆(16)、固定横杆(20)、直线导轨(10)；

试件(11)的混凝土部分(111)固定在夹具(15)内，试件的钢板部分(112)突出于夹具(15)外，所述夹具(15)和试件(11)由滚动支座(14)承载并置于工作平台(7)上，滚动支座(14)可沿工作平台(7)移动，试件中钢板与混凝土的接触面为试件界面(12)，试件界面(12)与滚动支座(14)边缘处于同一垂直平面；

沿试件钢板部分(112)的法线水平方向(R)，依次设置固定横杆(20)、2根水平固定拉杆(16)、滚动支座(14)、夹具(15)、试件(11)、直线导轨(10)、水平荷载传感器(9)、水平气压缸(8)，其中2根水平固定拉杆(16)分别水平置于滚动支座(14)两侧，一端共同与固定横杆(20)垂直连接，另一端共同固定在水平气压缸(8)上，试件钢板部分(112)的外表面与直线导轨(10)的滑动面相贴合，水平气压缸(8)依次与水平荷载传感器(9)、直线导轨(10)连接并施加水平力将试件压紧；

沿工作平台7垂直方向上，盖板(17)放置于试件(11)上，2根竖向固定拉杆(13)分别置于夹具(15)两侧，上端与盖板(17)连接并夹紧试件(11)，下端固定连接于工作平台(7)上，试件压头(4)下端垂直置于试件钢板部分(112)的正上方，且与钢板部分(112)的中心线重合，试件压头(4)上端与竖向作动器(1)连接，由疲劳试验机(3)连接竖向作动器(1)并施加垂直作用力，带动试件压头(4)向试件的钢板部分(112)施加垂直作用力，竖向荷载传感器(2)安装于垂直力作用处；

水平气压伺服控制***(5)通过输气软管(6)与水平气压缸(8)连接，主控箱(19)通过三根数据线分别与计算机(18)、竖向作动器(1)、竖向荷载传感器(2)连接。

2.如权利要求1所述的钢与混凝土界面疲劳特性检测装置，其特征在于：还包括一个温度可控环境试验箱(21)，固定单元和水平气压缸(8)放置于温度可控环境试验箱(21)内，竖向作动器(1)穿过温度可控环境试验箱(21)的顶板，竖向荷载传感器(2)安装在竖向作动器(1)与疲劳试验机(3)结合处，由输气软管(6)穿过温度可控环境试验箱(21)连接水平气压伺服控制***(5)和水平气压缸(8)，水平荷载传感器(9)安装在水平气压缸(8)与直线导轨(10)结合处。

3.如权利要求1所述的钢与混凝土界面疲劳特性检测装置，其特征在于：试件压头(4)的厚度比试件钢板部分(112)的厚度小1-5mm。

4.根据权利要求1所述的钢与混凝土界面疲劳试验装置，其特征在于：水平气压缸(8)和水平气压伺服控制***(5)施加水平作用力范围为0-2MPa，疲劳试验机施加的垂直作用力范围为0-100kN、疲劳试验机施加疲劳荷载的频率范围为0.01-50Hz。

5.如权利要求2所述的钢与混凝土界面疲劳特性检测装置，其特征在于：温度可控环境试验箱(21)的温度控制范围为-15～60℃，精度为±0.5℃。