CN205067310U - 一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置，涉及公路钢结构桥梁桥面铺装技术领域。包括材料试验机和控制台，环境箱设置在材料试验机内侧；环境箱内侧设置加载杆、三分点加载模具，支撑平台，工作状态下试件放置在三分点加载模具和支撑平台之间。本实用新型能够兼容多种试验条件，并且该钢桥面与铺装层界面剪切试验装置结构简单，试验方法易操作，能准确测得不同剪切应力情况下的切应变，为研究界面非线性粘结滑移状态的剪切特性提供依据。

Description

一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置

技术领域

本实用新型涉及公路钢结构桥梁桥面铺装技术领域，尤其涉及一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置。

背景技术

随着我国经济的快速发展，公路桥梁建设事业迎来新的发展高峰。大跨径钢箱梁结构桥梁的建设越来越多。钢桥面铺装作为桥梁结构重要组成部分，在车辆荷载、环境温度变化等因素综合下，钢桥面与铺装层界面破坏是刚桥面铺装的主要病害之一，具体表现为推挤永久变形和脱层、裂缝等病害。钢桥面铺装层破坏的力学原因主要是：一、桥面纵坡的存在，引起层间界面横向和纵向的剪应力；二、铺装层之间不同材料热膨胀系数与热收缩系数不同产生的剪应力；三、车辆加速或刹车时在界面产生的纵向剪应力。为此，钢桥面铺装层的剪切性能是钢桥面铺装结构的重要力学指标，需要准确的测试。

对于复合结构界面层抗剪性能评价，国外主要采用力学分析，而国内主要采用试验研究。结合国内外多年界面层的剪切试验研究，剪切试验主要分为直接剪切和斜剪。

现有技术中公开了一种用于测试路面层间剪切疲劳试件的夹具及方法，只考虑了车辆对路面的水平摩擦力，忽略了车辆的垂直压力，而这两种力都可以产生剪应力，明显不符合铺装层实际状态；斜剪试验操作简单，但缺点是试件与试模在接触时会出现应力集中，对试验有一定的影响。因此，目前现有的试验装置不能准确测量钢桥面铺装层的剪切特性，会存在试验偏差。

实用新型内容

本实用新型提供了一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置，能够兼容多种试验条件，并且该钢桥面与铺装层界面剪切试验装置结构简单，试验方法易操作，能准确测得不同剪切应力情况下的切应变，为研究界面非线性粘结滑移状态的剪切特性提供依据。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置，包括材料试验机，和材料试验机连接的控制台；环境箱设置在材料试验机内侧；环境箱内侧上部设置加载杆，加载杆上端贯穿材料试验机顶部，加载杆下端连接三分点加载模具，三分点加载模具的正下方为支撑平台，工作状态下试件放置在三分点加载模具和支撑平台之间；试件从下到上分为钢板层、粘结层、铺装层，脱空层设置在粘结层中间占高度三分之一的空间，应变片贴在涂有环氧树脂材料的试件侧面。

本实用新型技术方案中提供的一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置，能够兼容多种试验条件，并且该钢桥面与铺装层界面剪切试验装置结构简单，试验方法易操作，能准确测得不同剪切应力情况下的切应变，为研究界面非线性粘结滑移状态的剪切特性提供依据。相比于现有技术，本实用新型的有益效果是：

1、采用叠层梁模型，符合实际桥面铺装结构，受力比直接剪切试验和压剪试验更接近于车辆运速行驶状态。

2、由于钢板和沥青铺装材料的模量不同，在界面处产生较大剪应力和剪切变形，同时在沥青铺装层最低端的线应变与钢板顶端线应变不等，即界面处线应变发生突变，利用线应变和剪应变的关系，将界面剪切应变的测量转化为对线应变的测量。

3、根据行车速度，设计荷载以及气候环境，可以调整荷载大小，温度以及加载速率。

4、试验仪器结构简单，操作方便，在环境箱中模拟不同温度条件下，准确测试钢桥面铺装层界面的线应变，继而推导出界面层的剪应力和剪切应变关系，测量出界面抗剪性能，使剪切试验结果准确反应界面的剪切特性，完善现有试验装置的不足。

附图说明

下面结合附图和本实用新型的实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1是本实用新型试验装置结构示意图；

图2是试件结构示意图。

图中，1.材料试验机，2.支撑平台，3.环境箱，4.钢板层，5.脱空层，6.粘结层，7.铺装层，8.应变片，9.三分点加载模具，10.加载杆，11.控制台。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供一种钢桥面与铺装层界面剪切试验方法，包括

步骤一，制作试件：

1)成型钢板：在机床上将钢板加工成叠层梁试件所需尺寸大小；

2)表面处理：根据对钢板要求的粗糙程度，使用喷砂机抛光钢板，对于钢板边角抛光不到的部分，用手砂轮进行人工打磨；

3)铺设粘结层：试件的粘结层根据不同的沥青混合料采用不同的施工方式，试件中间三分之一距离处不铺设粘结层，形成脱空层即纯弯段；

4)沥青混合料铺筑：粘结层完成后，等待其固化完成即可铺筑沥青混合料，形成铺装层；

5)成型复合小梁试件：采用轮碾成型法成型板式试件，静置待其冷却后，脱模然后沿底层钢板轮廓切割成叠层梁试件；

6)贴应变片：贴应变片前，为封住切割面的空隙和凹槽需在叠层梁试件侧面刷上一层环氧树脂或其他同性质材料，应变片应与叠层梁侧面黏结紧密，不含气泡；

步骤二，保温：将已制作好的试件、三分点加载模具、支撑平台置于环境箱中，保温时间4小时以上，具体的试验温度根据试验要求设定，温度范围为-10℃～70℃；

步骤三，剪切试验：先将三分点加载模具间距调整到距试件两端三分之一处位置，通过启动加载杆，使三分点加载模具向下运动，三分点加载模具下降的速度为：1.5～10mm/min，通过试件上应变片测得的线应变，根据实际加载值求出剪应力，继而推导出界面层的剪应力和剪切应变关系，测量界面抗剪性能。

进一步的，所述步骤三的剪切试验，通过将实际加载值换算出对应的荷载，将测得的对应荷载下的线应变，然后再通过公式(1)转化为界面层的平均剪切应变，通过直接测定的线应变根据公式(2)计算对应位置下相应荷载的剪应力，继而推导出界面层的剪应力和剪切应变关系；

γ＝(Δε·dx)/(dy)公式(1)

式中：dx为应变片形心对横坐标的微分，dy为沥青混合料铺装层底部应变片与钢桥面板顶部应变片之间距离对纵坐标的微分，γ为界面层产生的平均切应变，Δε为界面层的线应变差；

${\mathrm{\τ}}_{xy}={\∫}_y^{h_2-a}\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_x}{\∂x}dy=\frac{qx}{2l}\[y^2-{(h_2-a)}^2\]$ 公式(2)

式中：q为叠层梁加载的均布荷载；h₂为界面层材料厚度；I为叠层梁惯性矩；a为叠层梁中性轴距离剪切界面的距离，τ_xy为界面层剪应力，σ_x为叠层梁的正应力分布。

如图1所示的一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置结构示意图，本实用新型还提供一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置，包括材料试验机1，和材料试验机1连接的控制台11；环境箱3设置在材料试验机1内侧；环境箱3内侧上部设置加载杆10、加载杆10上端贯穿材料试验机1顶部，加载杆10下端连接三分点加载模具9，三分点加载模具9的正下方为支撑平台2，工作状态下试件放置在三分点加载模具9和支撑平台2之间。

如图2所示为试件结构示意图，试件从下到上分为钢板层4、粘结层6、铺装层7，脱空层5设置在粘结层6中间占高度三分之一的空间，应变片8贴在涂有环氧树脂材料的试件侧面。

试验过程中将试件设置在支撑平台上，加载杆根据待测试的试件的长度调整三分点加载模具距离，使三分点加载模具平分待测试试件的长度，通过荷载测试***和应变测试***由控制台控制，完成相应的测试。

试验属于足尺试验，即和实际铺装结构，材料完全相同，荷载条件也完全仿真，与现有的斜剪，恒压直剪相比具有先进性。

实施例

一种钢桥面与铺装层界面剪切试验的方法，包括以下步骤：

1.试件的制备：成型钢板，在机床上将16mm厚的钢板加工成300mm×50mm的矩形钢板。钢板表面处理，用喷砂机将钢板打磨到符合要求的粗糙程度，在边角喷砂机处理不到的部分，用手砂轮进行人工打磨。铺设粘结层，钢板打磨好后擦拭干净，刮环氧防水粘结层材料。试件的粘结层分两次铺设，在第二次刮防水粘结材料同时，撒铺单粒径碎石。试件中间三分之一距离不铺设粘结层，形成脱空层即纯弯段。等待粘结层固结后，进行下一步试验。沥青混合料铺筑，分别铺筑SMA-13、AC-10、环氧沥青混合料、浇筑式沥青混合料。采用轮碾成型法成型板式试件。静置待其冷却脱模后进行下一步试验。成型复合小梁试件，将脱模后的板式试件沿底层钢板轮廓切割成小梁试件，试件尺寸大小为：300mm×50mm×78mm。贴应变片，为封住切割面的孔隙和凹槽，贴应变片前应在小梁侧面刷上一层环氧树脂或其他同性质材料，应变片应与叠层梁侧面黏结紧密，不含气泡。

2.保温：将已制作好的试件、三分点加载模具、支撑平台置于环境箱中，升温至15℃，保温5个小时。

3.剪切强度试验：将三分点加载模具间距调整到距试件两端三分之一处位置，通过启动升降杆，使三分点加载模具以5mm/min向下运动。

4.试验结果处理：

将测得的对应荷载下的线应变，通过公式(1)转化为界面层的平均剪切应变，通过直接测定的线应变根据公式(2)计算对应位置下相应荷载的剪应变。继而推导出界面层的剪应力和剪切应变关系。通过数学软件matlab分析剪切应力与切应变关系，拟合相似系数达到95％的函数表达式，试验结果见表1：

γ＝(Δε·dx)/(dy)公式(1)

式中：dx为应变片形心对横坐标的微分，dy为沥青混合料铺装层底部应变片与钢桥面板顶部应变片之间距离对纵坐标的微分，γ为界面层产生的平均切应变，Δε为界面层的线应变差；

${\mathrm{\τ}}_{xy}={\∫}_y^{h_2-a}\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_x}{\∂x}dy=\frac{qx}{2l}\[y^2-{(h_2-a)}^2\]$ 公式(2)

式中：q为叠层梁加载的均布荷载；h₂为界面层材料厚度；I为叠层梁惯性矩；a为叠层梁中性轴距离剪切界面的距离，τ_xy为界面层剪应力，σ_x为叠层梁的正应力分布。

表1试验结果

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种钢桥面与铺装层界面剪切试验装置，其特征在于，包括材料试验机(1)，和材料试验机(1)连接的控制台(11)；环境箱(3)设置在材料试验机(1)内侧；环境箱(3)内侧上部设置加载杆(10)，加载杆(10)上端贯穿材料试验机(1)顶部，加载杆(10)下端连接三分点加载模具(9)，三分点加载模具(9)的正下方为支撑平台(2)，工作状态下试件放置在三分点加载模具(9)和支撑平台(2)之间；试件从下到上分为钢板层(4)、粘结层(6)、铺装层(7)，脱空层(5)设置在粘结层(6)中间占高度三分之一的空间，应变片(8)贴在涂有环氧树脂材料的试件侧面。