CN110018044A - 一种基于数字图像的钢桥面铺装模量测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字图像的钢桥面铺装模量测试装置，包括模型单元、控制单元、加载单元、试件固定单元和数字图像采集单元，模型单元包括复合梁试件，复合梁试件由T型钢梁与位于所述T型钢梁上层的沥青层复合形成，控制单元包括计算机、主控箱，加载单元包括加载装置、试件压头，试件固定单元包括位于试件压头下方的工作平台、操作平台、设置于工作平台上的球形支座、第一传力垫片和第二传力垫片，数字图像采集单元包括通过支架支撑于操作平台上的CCD摄像机、第一和第二照明光源，复合梁试件能够由所述球形支座承载于工作平台上。本发明能兼容多种试验条件，试验数据准确、使用方便，能更好地模拟实际工作下的受力状态。
Description
技术领域
本发明属于钢桥面铺装检测技术领域，具体来说是一种基于数字图像的钢桥面铺装模量测试装置。
背景技术
钢桥面铺装是由单层或多层沥青混合料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，铺装层在正常工作状态下始终和钢桥面板紧密相连，共同承载和变形，两者相互影响、相互制约。铺装层模量是指铺装层在受力状态下应力与应变之比，是钢桥面铺装方案选择的重要指标。铺装层模量对铺装层受力的影响十分明显。铺装层的模量越大，铺装层与钢板间的剪应力就越大，横向剪应力的增长速度大于纵向剪应力。因此，增大铺装层的模量，可以加大桥面系的刚度，减少铺装层顶面的横向拉应力，减少裂缝破坏的可能性；但是随之而来的是层间剪应力大大增加，如果粘结强度不能满足剪应力的要求，会使得铺装层与钢板间的粘结状况不再是完全连续状态，铺装层的受力将发生显著变化。因此，铺装层模量的测定具有十分重要的意义。
目前国内外测试采用的复合梁试验模型以及测试装置不能完全满足测试钢桥面铺装层模量的需要。例如德国斯图加特大学奥托—格拉夫研究所试验模型提供的一种用于公路钢桥梁沥青混凝土铺装层模量检测的模型，以及东南大学桥面铺装课题组采用的类似德国简化模型并适用于在MTS中进行试验的复合梁试验模型。但是这些模型和方法都存在一些问题：一方面，它们往往都采用了在钢板上作用荷载的加载方式，不能准确的模拟实际工作状态；另一方面，现有的试验方法和装置在测算复合梁的模量数据方面操作较为复杂，也无法满足准确测算出复合梁各层模量数据的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼容多种试验条件、试验数据准确、使用方便的基于数字图像的钢桥面铺装模量测试装置。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于数字图像的钢桥面铺装模量测试装置，包括模型单元、控制单元、加载单元、试件固定单元和数字图像采集单元，所述模型单元包括复合梁试件，所述复合梁试件由T型钢梁与位于所述T型钢梁上层的沥青层复合形成，所述控制单元包括计算机、主控箱，所述加载单元包括加载装置、试件压头，所述试件固定单元包括位于试件压头下方的工作平台、操作平台、设置于工作平台上的球形支座、第一传力垫片和第二传力垫片，所述数字图像采集单元包括通过支架支撑于操作平台上的CCD摄像机、第一照明光源、第二照明光源和安装于计算机中的图像采集卡，所述复合梁试件能够由所述球形支座承载于工作平台上。
进一步地，所述第一照明光源和第二照明光源设置于CCD摄像机的两侧。
进一步地，所述主控箱通过数据线分别与计算机和加载装置连接，所述CCD摄像机通过数据线与计算机和图像采集卡连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)对于复合梁加载试验，荷载作用在复合梁试件的铺装层，而不是复合梁的钢板上，更接近实际工作状态中钢桥面铺装层的情况，提高了试验结果的可靠性，提升了模型的试验效果；
(2)本发明的球形支座可以在各方向上转动，便于调整，能有效解决试件形状、尺寸的不规则等因素对疲劳试验的影响，能有效降低试验中的不可控因素干扰，提高试验的可靠性，完善现有试验装置的不足，同时球形支座可以有效解决试件成型过程中产生的结构表面不平带来的问题；
(3)采用DIC数字图像相关技术，可以观察细观材料变形和应变，使得数据采集方式多元化，显著的拓展了试验结果的处理和分析范围，有助于开展对钢桥面铺装层的研究；
(4)基于数字图像相关技术并运用有限元工具，提出了一种新的钢桥面铺装层模量试验计算方法，建立数据库以记录分析已有试验数据，并以此为基础通过试验观察到的试件变形情况来反算各层模量；
(5)本发明的连接件、试件压头均为独立结构，便于针对不同夹持试件的形状和尺寸对连接件、试件压头进行更换，使本发明应用范围更加广泛，且当连接件、试件压头出现磨损时便于更换。
附图说明
图1为本发明基于数字图像的钢桥面铺装模量测试装置的结构示意图。
图2为模型单元、加载单元、试件固定单元的部分示意图。
图3为球形支座的主视图。
图4为球形支座的左视图。
图5为球形支座的俯视图。
图6为试件有限元模型示意图。
图中，1－复合梁试件，2－第一传力垫片，3－第二传力垫片，4－加载装置，5－球形支座，6－支架，7－主控箱，8－试件压头，9－工作平台，10－操作平台，11－CCD摄像机，12－第一照明光源，13－第二照明光源，14－图像采集卡，15－计算机。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
结合图1-5，一种基于数字图像的钢桥面铺装模量测试装置，包括模型单元、控制单元、加载单元、试件固定单元和数字图像采集单元，所述模型单元包括复合梁试件1，所述复合梁试件1由T型钢梁与位于所述T型钢梁上层的沥青层复合形成，所述控制单元包括计算机15、主控箱7，所述加载单元包括加载装置4、试件压头8，所述试件固定单元包括位于试件压头8下方的工作平台9、操作平台10、设置于工作平台9上的球形支座5、第一传力垫片2和第二传力垫片3，所述数字图像采集单元包括通过支架6支撑于操作平台10上的CCD摄像机11、第一照明光源12、第二照明光源13和安装于计算机15中的图像采集卡14；
复合梁试件1由球形支座5承载于工作平台9上；
加载装置4的竖向作动器下端连接试件压头8；
CCD摄像机11由支架6控制高度置于操作平台10上，与复合梁试件1水平并对准复合梁试件1的中间位置上表面，照明光源12、13放置在CCD摄像机11两侧，图像采集卡14安装在计算机15中；
主控箱7通过两根数据线分别与计算机15、加载装置4连接以完成疲劳试验的操作控制和试验数据的采集工作。CCD摄像机11通过数据线与计算机15、图像采集卡14连接以完成数字图像的采集工作。
下面，具体说明采用本发明进行钢桥面铺装模量测试的具体实施过程：
1.试验准备
准备好钢与沥青混合料复合梁试件1，试件的长宽尺寸为800mm×100mm，钢板部分厚度可为8-20mm，铺装层部分厚度可为40-100mm，视实际工作路面情况而定；调试好数字图像装置及计算机。
2.试验过程
连接计算机15、主控箱7、疲劳试验机4之间的数据线，启动加载装置4和主控箱7，通过计算机15设定加载参数，使竖向作动器沿竖直方向通过试件压头8向下反复压动传力垫片2和3，将荷载传递到复合梁试件1，通过CCD摄像机11和图像采集卡14收集复合梁试件的变形情况。加载装置4施加的垂直作用力范围最佳为0-100kN，加载装置4施加荷载的频率范围最佳为0.01-50Hz。
(1)试验准备工作结束后，在复合梁试件1的中间部分(即CCD摄像机11拍摄部位)涂上散斑涂料，将复合梁试件1置于球形支座5上，并调整位置保持对齐，将传力垫片2和3分别固定在复合梁试件1的两端跨中正中位置。将试件压头8连接在加载装置4的竖向作动器下端。按照指定位置安放CCD摄像机11和照明光源12、13，在计算机15内安装图像采集卡14，连接计算机15、CCD摄像机11之间的数据线，并进行调试工作。
(2)连接计算机15、主控箱7、疲劳试验机4之间的数据线，启动加载装置4和主控箱7，通过计算机15设定加载参数，使竖向作动器沿竖直方向通过试件压头8向下反复压动传力垫片2和3，将荷载传递到复合梁试件1的铺装层部分。加载装置4施加的垂直作用力范围最佳为0-100kN，加载装置4施加荷载的频率范围最佳为0.01-50Hz。
与此同时，通过CCD摄像机11和图像采集卡14组成的数字图像***收集复合梁试件变形状况的图像信息。
(3)在计算机15上利用ABAQUS有限元软件构建与试件尺寸相同的钢桥面铺装计算模型，并划分网格，如图6所示。
对试件计算模型和钢梁部分和铺装层部分分别设定一个预估模量数据，并对该计算模型施加与加载装置4相同的荷载，运用有限元模拟计算，得到该模型的变形情况，再将模型中划分出的各个网格的变形情况与(2)中收集到的试件变形图像进行对比。
利用计算机15重复进行以上步骤，并根据每次得出的对比结果调整设定的模量数据，对比结果会不断地接近于贴合。直至得到一个差异在可接受范围内的结果，该组设定模量数据即为试验测试得到的钢桥面铺装模量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，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。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种基于数字图像的钢桥面铺装模量测试装置，其特征在于，包括模型单元、控制单元、加载单元、试件固定单元和数字图像采集单元，所述模型单元包括复合梁试件(1)，所述复合梁试件(1)由T型钢梁与位于所述T型钢梁上层的沥青层复合形成，所述控制单元包括计算机(15)、主控箱(7)，所述加载单元包括加载装置(4)、试件压头(8)，所述试件固定单元包括位于试件压头(8)下方的工作平台(9)、操作平台(10)、设置于工作平台(9)上的球形支座(5)、第一传力垫片(2)和第二传力垫片(3)，所述数字图像采集单元包括通过支架(6)支撑于操作平台(10)上的CCD摄像机(11)、第一照明光源(12)、第二照明光源(13)和安装于计算机(15)中的图像采集卡(14)，所述复合梁试件(1)能够由所述球形支座(5)承载于工作平台(9)上。
2.根据权利要求1所述的基于数字图像的钢桥面铺装模量测试装置，其特征在于，所述第一照明光源(12)和第二照明光源(13)设置于CCD摄像机(11)的两侧。
3.根据权利要求1所述的基于数字图像的钢桥面铺装模量测试装置，其特征在于，所述主控箱(7)通过数据线分别与计算机(15)和加载装置(4)连接，所述CCD摄像机(11)通过数据线与计算机(15)和图像采集卡(14)连接。
4.根据权利要求1所述的基于数字图像的钢桥面铺装模量测试装置，其特征在于，所述复合梁试件(1)的长宽尺寸为800mm×100mm。
5.根据权利要求4所述的基于数字图像的钢桥面铺装模量测试装置，其特征在于，所述T型钢梁的厚度为8-20mm，所述沥青层厚度为40-100mm。
6.根据权利要求1所述的基于数字图像的钢桥面铺装模量测试装置，其特征在于，所述加载装置(4)垂直作用力范围为0-100kN。
7.根据权利要求6所述的基于数字图像的钢桥面铺装模量测试装置，其特征在于，所述加载装置(4)施加荷载的频率范围为0.01-50Hz。
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