CN108037028A - 一种车辆制动条件下铺面界面抗剪疲劳测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆制动条件下铺面界面抗剪疲劳测试方法及装置，属于道路工程技术领域，能够更加准确的测试出铺面界面抗剪疲劳性能。该测试装置包括框架、导轨支座、固定装置和加载装置；框架包括立柱、水平滑道和底座；导轨支座包括三次曲线导轨、滚轮和试件夹具；滚轮连接在试件夹具下部，且滚轮位于导轨中；固定装置包括上部扣件和螺栓；上部扣件和试件夹具扣接；加载装置包括竖直加载装置、水平牵引装置和加载力臂；水平牵引装置固定连接在水平滑道的一端，竖直加载装置位于水平滑道中，且水平牵引装置与竖直加载装置连接；加载力臂的顶端与竖直加载装置固定连接，加载力臂的底端通过螺栓与上部扣件铰接。

Description

一种车辆制动条件下铺面界面抗剪疲劳测试方法及装置

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，主要用于室内铺面结构试件在荷载条件下，其粘结界面抗剪疲劳特性的测试，具体来说，涉及一种车辆制动条件下铺面界面抗剪疲劳测试方法及装置。

背景技术

随着城市道路和公路建设日益发展，在城市道路平交口的停车等待区和公路的长纵坡路段，车辆制动与起步会对铺面产生水平荷载。此时，层间切向剪应力将比一般路段增大数倍，沥青面层易产生层间剪切破坏，特别是在面层与基层或磨耗层的粘结界面。粘结界面连接上下铺装层，使其成为整体，充分发挥面层与基层的复合作用。在这些路段，制动与起动对铺面结构产生的荷载频繁，周期性的荷载使得界面应力状态处于交迭变化状态。当荷载作用超过一定次数后，铺面结构粘结界面产生的应力就会超过其强度下降后的承载能力，继而铺面出现裂纹，最终产生疲劳破坏。对沥青铺面结构粘结界面剪切疲劳展开深入研究是展开沥青铺面损坏分析及其对策研究的重要组成部分。沥青铺面层间一旦出现滑移或是剥离，将直接影响铺面结构的整体使用寿命。若不及时进行处理，雨水渗入沥青层内，在荷载作用及动水压力的反复冲刷下，将可能使得层间界面与矿料间持续剥离，进而使得层间界面出现断裂，铺面出现U型裂缝等病害。因此，检验铺面结构在车辆荷载作用下的粘结层疲劳特性，指导铺面结构设计和材料设计，必须对粘结层进行更为有效的疲劳测试。

目前传统的剪切疲劳实验针对相同剪切角度进行疲劳测试，即粘结界面的正应力和剪应力比值为定值。而通过理论分析可知：在车辆制动荷载作用下，层间剪切应力状态的正应力与剪应力比值是变化的，即剪切角度是随着时间改变的。因此传统的剪切疲劳实验方法不能反映车辆制动荷载下粘结层剪切角度随着时间变化的实际情况，无法模拟实际工程情况，因此有必要针对在制动荷载条件下的粘结层进行疲劳测试。

发明内容

技术问题：本发明为解决传统剪切疲劳测试方法的不足，提供一种车辆制动条件下铺面界面抗剪疲劳测试方法及装置，能够更加准确的测试出铺面界面抗剪疲劳性能。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用以下技术方案：

一种车辆制动条件下铺面界面抗剪疲劳测试方法，包括以下步骤：

步骤10)根据获取的三次曲线导轨线型制作导轨；安装固定导轨；

步骤20)将试件安装在试件夹具中，并安装上部扣件和加载力臂，将滚轮置于导轨中；

步骤30)通过调节水平牵引装置，将竖直加载装置移至初始位置；

步骤40)启动装置，竖直加载装置对试件施加峰值为P的半正弦波的竖向荷载，同时水平牵引装置作匀速往复周期性运动，对试件进行剪切疲劳测试；

步骤50)当试件的粘结界面发生滑移并脱离，加载装置的负载感应器所反馈的力大幅度降低时，停止加载，并读取加载次数N，所述加载次数N为试件在该荷载条件下的疲劳寿命。

作为优选例，所述试件的粘结界面是指根据铺面结构层所成型试件的上下两部分的粘结层。

作为优选例，所述加载装置的负载感应器所反馈的力大幅度降低，是指负载感应器所反馈的力降低至低于设定加载值的1/10。

另一方面，本发明实施例还提供一种车辆制动条件下铺面界面抗剪疲劳测试装置，该测试装置包括框架、导轨支座、固定装置和加载装置；所述框架包括立柱、水平滑道和底座；水平滑道固定连接在立柱之间，立柱固定连接在底座两侧；所述导轨支座包括三次曲线导轨、滚轮和试件夹具；滚轮连接在试件夹具下部，且滚轮位于导轨中，且可沿着导轨滑动；固定装置包括上部扣件和螺栓；上部扣件和试件夹具扣接；加载装置包括竖直加载装置、水平牵引装置和加载力臂；水平牵引装置固定连接在水平滑道的一端，竖直加载装置位于水平滑道中，且水平牵引装置与竖直加载装置连接，带动竖直加载装置在水平滑道中移动；加载力臂的顶端与竖直加载装置固定连接，加载力臂的底端通过螺栓与上部扣件铰接。

作为优选例，所述导轨支座还包括承台，所述导轨固定连接在承台上。

有益效果：与现有技术相比，本发明实施例的一种车辆制动条件下铺面界面抗剪疲劳测试方法及装置，通过独立的应力加载装置，实现铺面结构试件在疲劳测试过程中受到变剪切角度的周期性荷载，更加符合铺面结构粘结界面实际受力状态。该测试装置对于不同工况条件，可先通过理论计算或仿真模拟，从而确定适应不同工况的三次曲线线型以制作轨道，适用工程条件广泛。该测试装置也可用于其他土木工程结构层间剪切疲劳试验。

附图说明

图1是车辆制动荷载条件下铺面结构粘结界面抗剪疲劳特性测试装置组成解雇示意图；

图2是车辆制动作用下受力分析图；

图3是实际铺面在车辆荷载作用下应力状态示意图；

图4是导轨线型算例中铺面结构示意图(单位cm)，其中a为水平铺面结构，b为纵坡铺面结构；

图5是本发明实施例中导轨线型设计图。其中，a为水平铺面结构条件下，b为纵坡铺面条件下；

图6是本发明实施例中试件夹具与试件受力分析图；

图7是本发明实施例中上部扣件与螺栓结构示意图。

图中有：立柱1、水平牵引装置2、竖直加载装置3、水平滑道4、加载力臂5、螺栓6、上部扣件7、试件夹具8、滚轮9、导轨10、承台11、剪切界面12、底座13。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明实施例的一种车辆制动条件下铺面界面抗剪疲劳测试装置，包括框架、导轨支座、固定装置和加载装置。框架包括立柱1、水平滑道4和底座13。水平滑道4固定连接在立柱1之间，立柱1固定连接在底座13两侧。所述导轨支座包括三次曲线导轨10、滚轮9和试件夹具8。滚轮9连接在试件夹具8下部，且滚轮9位于导轨10中，且可沿着导轨10滑动。固定装置包括上部扣件7和螺栓6。上部扣件7和试件夹具8扣接。加载装置包括竖直加载装置3、水平牵引装置2和加载力臂5。水平牵引装置2固定连接在水平滑道4的一端，竖直加载装置3位于水平滑道4中，且水平牵引装置2与竖直加载装置3连接，带动竖直加载装置3在水平滑道4中移动。加载力臂5的顶端与竖直加载装置3固定连接，加载力臂5的底端通过螺栓6与上部扣件7铰接。

上述实施例中，铺面是指由沥青混凝土或者水泥混凝土构成的结构层。铺面包括道路路面、钢桥面铺装和机场道面。试件夹具高度低于试件粘结界面。加载装置通过螺栓和连接杆对试件施加定向水平荷载。

作为优选例，导轨支座还包括承台11，导轨10固定连接在承台11上。为便于导轨10的安装，将导轨10安装在承台11上，承台11与底座13固定连接。这样，导轨10更加稳固，便于试件在导轨10上的运行。

利用上述实施例的测试装置，对车辆制动条件下铺面界面抗剪疲劳测试方法，包括以下步骤：

步骤10)根据获取的三次曲线导轨线型制作导轨10；安装固定导轨10。

步骤20)将试件安装在试件夹具8中，并安装上部扣件7，上部扣件如图7所示。安装加载力臂5，将滚轮9置于导轨10中。

使用固定尺寸的矩形模具并采用碾压成型或浇筑成型制作下层试件，在模具内铺装下层并撒上界面粘层材料再铺设上层材料。待试件养护成型，根据尺寸需要将试件切割成方形试件。

步骤30)通过调节水平牵引装置2，将竖直加载装置3移至初始位置；

步骤40)启动装置，竖直加载装置3对试件施加峰值为P的半正弦波的竖向荷载，同时水平牵引装置2作匀速往复周期性运动，对试件进行剪切疲劳测试；

根据数值分析得到的粘结界面的应力状态及试件表面积换算出荷载，其中，加载力A为剪切试件的接触面积。

步骤50)当试件的粘结界面12发生滑移并脱离，加载装置的负载感应器所反馈的力大幅度降低时，停止加载，并读取加载次数N，所述加载次数N为试件在该荷载条件下的疲劳寿命。

所述试件的粘结界面12是指根据铺面结构层所成型试件的上下两部分的粘结层。所述加载装置的负载感应器所反馈的力大幅度降低，是指负载感应器所反馈的力降低至低于设定加载值的1/10。

试件在导轨10上移动时，其粘结界面倾角随着时间不断改变，从而使界面受到变角度剪切作用，以模拟车辆制动荷载下铺面结构粘结界面的受力状况。其主要特点如下：

铺面结构在车辆制动时作用下受到竖向压力和水平摩擦力，其结构层的粘结界面会产生法向正应力和切向剪应力。从车辆开始制动时：

水平荷载f＝ma式(2)

式中：a为汽车制动加速度；v₀为汽车制动初始速度；m为车辆总质量；t为车辆制动持续时间。

由于铺面结构的粘结层正应力σ和剪应力τ在车辆制动的条件下随着时间在变化，如图2所示，α为剪切角度，其中因此，在进行疲劳实验时，铺面结构的粘结层的剪切角应随着时间发生变化，才能有效模拟实际情况中粘结层受力情况。

针对不同工程，制动荷载下的铺面结构粘结层角度随时间的变化规律不同，可以通过铺面力学计算软件、有限元数值分析、现场测试等方法得到剪切角度。以下为有限元模拟计算方法为例，确定导轨线型的过程。

(1)调查我国城市道路路面结构并且参考相关设计规范，拟定典型路面结构及参数，如表1所示。

表1

层位	结构层材料	厚度/cm	回弹模量/MPa	泊松比
					上面层	SMA-13	4	2000	0.3
中面层	AC-20	5	1600	0.3
					下面层	AC-25	10	1200	0.3
基层	水稳碎石	40	1500	0.2
					底基层	二灰土	20	1000	0.25
土基			50	0.4

车辆处于静止或者匀速运动状态时，加速度为零，车辆处于静力平衡状态。遇到信号控制交叉口时，车辆由高速开始制动到最后停止，存在加速度，利用惯性体系分析公交车制动过程中的受力状况。

图3为车辆在制动或加速状态下受力分析图。根据图3，车辆竖直方所受合力为0和前轮与地面接触点为支点所受弯矩为0。建立平衡方程

∑F_v＝0mg＝F_N1+F_N2

∑M＝0F_N1·L+ma.h-mg·X＝0

式中：F_y为车辆水平方向所受作用力；

M为车辆所受弯矩；

L为车辆轴距；

X为车辆质心到前轴距离；

h为车辆质心到地面高度；

ma为惯性力；

F_N1为车辆前轴处地面施加的反作用力；

F_N2为车辆后轴处地面施加的反作用力。

(2)建立典型铺面结构建立有限元模型，典型结构如图4(a)所示。典型结构从上到下依次为4cmSMA-13、5cmAC-13、10cmAC-25、40cm水稳碎石、20cm二灰土、土基。SMA-13是指最大集料粒径为13mm的沥青玛脂碎石混凝土。AC-13是指最大集料粒径为13mm的沥青混凝土。AC-25是指最大集料粒径为25mm的沥青混凝土。

按照我国沥青铺面设计规范采用的标准荷载模式，考虑车辆制动时前后轮载作用分布，使用有限元分析软件计算铺面粘结界面正应力σ和剪应力τ，剪切角度α根据得到。在不同的位置进行施加荷载并计算车辆制动过程中粘结界面的动态应力状况。根据加载点与初始加载点距离和式(1)计算车辆行驶时间，本算例初始车速为50km/h，制动加速度为7m/s²。由计算结果可知，上面层与中面层粘结界面处剪应力最大，其不同时间的应力状态如表2所示。

表2

	0.1s	0.2s	0.3s	0.4s	0.5s
						σ(MPa)	-0.660	-0.605	-0.503	-0.379	-0.240
τ(MPa)	0.431	0.349	0.263	0.187	0.116
						tan α	0.651	0.576	0.522	0.496	0.483
α(°)	33.1	29.9	27.6	26.4	25.8

(3)由于试件在水平方向上做匀速运动，设定曲线上水平间距为5cm的五点以拟合三次曲线导轨的曲线方程。曲线上X坐标为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm的点的斜率依次对应0.1s、0.2s、0.3s、0.4s、0.5s时刻的tan α的值。如表3所示。

表3

X(cm)	5	10	15	20	25
						tan α	0.483	0.496	0.522	0.576	0.651

(3)采用二次方程f(x)＝ax²+bx+c拟合斜率方程，可得斜率方程：

f(x)＝0.000434x²-0.00471x+0.4968

(4)对上式积分，并令Y(x)＝0，可得到三次曲线导轨的曲线方程：

y＝0.000144x³-0.00236x²+0.4968x

(5)取曲线上5点为参考点，如表4(单位：cm)所示。

表4

X	5	10	15	20	25
						Y	2.44	4.88	7.41	10.14	13.20

以上算例为在水平面铺面车辆制动条件下铺面粘结层的受力特性分析及对应的三次曲线导轨设计方案，三次曲线线型如图5(a)所示。在长纵坡路段，车辆对铺面施加制动荷载，此工况下铺面结构粘结层受力特性与水平铺面结构粘结层有明显区别，如图4(b)所示，需要使用不同方程的三次曲线导轨。结合以下算例以示说明。

选取典型城市道路路面结构、车辆受力分析模式、铺面荷载模式与水平铺面算例一致。纵坡取为6％。剪切角度α如下表所示：

表5剪切角度计算表(纵坡条件下)

	0.1s	0.2s	0.3s	0.4s	0.5s
						σ(MPa)	-0.637	-0.588	-0.492	-0.372	-0.238
τ(MPa)	0.452	0.365	0.276	0.195	0.120
						tan α	0.710	0.621	0.560	0.524	0.502
α(°)	35.3	31.8	29.2	27.8	26.7

可得纵坡段粘结层剪切角度斜率方程拟合表：

表6斜率方程拟合表(纵坡条件下)

X(cm)	5	10	15	20	25
						tan α	0.502	0.524	0.560	0.621	0.710

采用二次方程f(x)＝ax²+bx+c拟合斜率方程，可得斜率方程：

f(x)＝0.000454x²-0.00337x+0.509

对上式积分，并令Y(x)＝0，可得到三次曲线导轨的曲线方程：

y＝0.000151x³-0.00168x²+0.509x

取曲线上5点为参考点，如表4(单位：cm)所示，曲线示意图如图5(b)所示：

表7参考点坐标表(纵坡条件下)

X	5	10	15	20	25
						Y	2.52	5.07	7.78	10.75	14.03

本发明所述的测试装置中，牵引部件2沿水平滑道作匀速周期往复运动；加载装置3可施加周期正弦荷载。

在上述实施例中，可以统一试件尺寸，简化相关夹具制作和计算步骤，减少浪费现象，同时能够保证试验数据准确反映铺面结构粘结层的疲劳特性。

上述实施例中，通过导轨的弧形改变试件粘结界面的剪切角度α，实现在荷载作用下剪切角度的连续变化，可模拟铺面结构粘结界面在车辆制动条件下粘结界面的剪切特点。试件、扣件、夹具所受合力如图6所示。

加载装置置于水平滑道上，牵引装置可带动其在水平方向上做周期性匀速运动。加载装置在竖直方向上对试件进行加载。

通过建立道路结构模型并进行有限元分析计算，得到粘结层应力状态理论分析值；计算车辆制动阶段不同时刻的应力状态，得到不同时刻的剪切角度，从而确定三次曲线导轨的曲线方程。通过固定试件夹具上的滑轮位置可进行侧向围压条件下的剪切破坏实验，得到的剪切破坏强度数据可用于疲劳实验中极限破坏强度参数。

下面例举一具体实例。预设铺面结构粘结层试件的设计尺寸为100mm×100mm×92mm，其中，SMA-13沥青玛脂碎石混凝土的尺寸为100cm×100mm×40mm，AC-20沥青混凝土试件的尺寸为100cm×100mm×40mm。成型试件之前根据试件尺寸预估沥青混凝土用量。试件成型时，先将AC-20沥青混凝土倒入模具之后，在140℃温度下使用碾压。待试件冷却成型之后层间均匀摊铺粘接层材料，再将SMA-13沥青玛脂碎石混凝土倒入模具，重复碾压过程。

在以上实施例中，接触面积A＝100mm×100m＝10000mm²，应力强度为0.78MPa，故施加荷载的峰值为7.8KN。其中，上层钢板的自身重量约为10N，对试验荷载的影响可忽略不计。

与现有铺面材料剪切疲劳试验相比，本发明的测试装置能够模拟真实的铺面材料在车辆所处的制动荷载条件，获得粘结层力学特性规律；可根据不同铺面形式经过理论分析设计导轨线型。

此外，该装置可通过固定滚轮位置进行抗剪强度测试。以恒定的加载速率对试件进行加载，直至试件破坏或者出现荷载峰值。此时，极限荷载为P_max。平行于剪切面切向分立所产生的最大剪应力，称为抗剪强度。

在足尺度试验段的基层与面层的粘结界面处设置位移传感器以监测有无界面破坏现象。共设置3个点位，均位于轮迹带正下方，间隔10m。取测试结果的平均值以减小误差。铺面结构中面层材料为沥青混凝土，基层材料水稳碎石，面层与基层的界面粘结层材料为乳化沥青。对试验段进行车轮加速加载疲劳试验。监测结果如表8所示。

表8

	1#点位	2#点位	3#点位	平均值
					界面寿命(次)	470000	406000	455400	443800

制作复合试件，上下层材料为试验段面层与基层材料相同，界面处理方式与试验段相同乳化沥青。采用直接剪切试验装置和本发明试验装置及方法分别进行试验。传统直剪疲劳装置试验结果如表9所示。

表9

疲劳方程为

lg(N)＝lg(A)-Blg(S)

通过铺面结构有限元分析，车辆在制动荷载条件下应力比为0.42，通过疲劳方程可得传统直剪疲劳试验测得铺面结构粘结层疲劳寿命为874000次。

本发明提出的测试方法及装置试验结果如表10所示。

表10

	1#试件	2#试件	3#试件	平均值
					界面寿命(次)	502000	478400	498600	493000

汇总结果如表11所示：

	试验段数据	传统直剪疲劳试验	本发明测试方法及装置
				界面寿命(次)	443800	874000	493000

本发明测试方法与装置较传统方法，更能准确地模拟实际状况中铺面结构粘结界面的受力状态，得到的试验测试结果较传统方法更为准确，具有良好的技术应用前景。

本发明的测试装置不仅适用于道路结构、也可用于桥面铺装、机场加铺层等工程结构粘结界面在变角度剪切作用下的疲劳寿命分析。

本发明的测试装置中，加载装置通过螺栓和连接杆对试件施加定向水平荷载，试件在导轨上移动时，剪切界面倾角改变，从而使界面受到变角度剪切作用。模拟车辆制动荷载下铺面结构粘结界面的受力状况。该装置可以使粘结界面在加载导轨上往复运动，剪切角度不断变化，能够有效模拟在车辆制动条件下粘结界面实际受力情况，检验界面粘结层疲劳寿命。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种车辆制动条件下铺面界面抗剪疲劳测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤10)根据获取的三次曲线导轨线型制作导轨(10)；安装固定导轨(10)；

步骤20)将试件安装在试件夹具(8)中，并安装上部扣件(7)和加载力臂(5)，将滚轮(9)置于导轨(10)中；

步骤30)通过调节水平牵引装置(2)，将竖直加载装置(3)移至初始位置；

步骤40)启动装置，竖直加载装置(3)对试件施加峰值为P的半正弦波的竖向荷载，同时水平牵引装置(2)作匀速往复周期性运动，对试件进行剪切疲劳测试；

步骤50)当试件的粘结界面(12)发生滑移并脱离，加载装置的负载感应器所反馈的力大幅度降低时，停止加载，并读取加载次数N，所述加载次数N为试件在该荷载条件下的疲劳寿命。

2.按照权利要求1所述的车辆制动条件下铺面界面抗剪疲劳测试方法，其特征在于，所述试件的粘结界面(12)是指根据铺面结构层所成型试件的上下两部分的粘结层。

3.按照权利要求1所述的车辆制动条件下铺面界面抗剪疲劳测试方法，其特征在于，所述加载装置的负载感应器所反馈的力大幅度降低，是指负载感应器所反馈的力降低至低于设定加载值的1/10。

4.一种车辆制动条件下铺面界面抗剪疲劳测试装置，其特征在于：该测试装置包括框架、导轨支座、固定装置和加载装置；

所述框架包括立柱(1)、水平滑道(4)和底座(13)；水平滑道(4)固定连接在立柱(1)之间，立柱(1)固定连接在底座(13)两侧；

所述导轨支座包括三次曲线导轨(10)、滚轮(9)和试件夹具(8)；滚轮(9)连接在试件夹具(8)下部，且滚轮(9)位于导轨(10)中，且可沿着导轨(10)滑动；

固定装置包括上部扣件(7)和螺栓(6)；上部扣件(7)和试件夹具(8)扣接；

加载装置包括竖直加载装置(3)、水平牵引装置(2)和加载力臂(5)；水平牵引装置(2)固定连接在水平滑道(4)的一端，竖直加载装置(3)位于水平滑道(4)中，且水平牵引装置(2)与竖直加载装置(3)连接，带动竖直加载装置(3)在水平滑道(4)中移动；加载力臂(5)的顶端与竖直加载装置(3)固定连接，加载力臂(5)的底端通过螺栓(6)与上部扣件(7)铰接。

5.按照权利要求1所述的车辆制动条件下铺面界面抗剪疲劳测试装置，其特征在于：所述导轨支座还包括承台(11)，所述导轨(10)固定连接在承台(11)上。