模拟铺装层应力扩散作用的辅助加载装置及应用方法与流程

本发明涉及一种钢桥结构疲劳试验仪器，具体涉及一种模拟铺装层应力扩散作用的辅助加载装置及应用方法。

背景技术：

正交异性钢桥面板因具有重量轻、强度高、抗弯抗扭刚度大等优点，在大跨径缆索体系桥梁中得到了广泛的应用。但由于其构造复杂，在车轮荷载、焊接残余应力、焊接缺陷等因素的影响下，焊缝部位极易疲劳开裂。疲劳裂纹是当前桥梁工程界面临的主要难题之一，其难以避免且早期难以发现，严重时甚至会导致桥梁倒塌事故。国内外学者针对钢桥面板焊缝的疲劳性能，开展了大量的试验研究，但所用的试件为纯钢试件，但均未合理考虑铺装层的作用。

铺装层对钢桥面板疲劳性能的影响主要体现在两方面：(1)由于铺装层自身具有一定的刚度，所组成的铺装层-钢桥面板体系具有较大的组合刚度，有利于降低钢桥面板焊缝应力；(2)铺装层的应力扩散作用可使车轮荷载分散传递至钢桥面板表面，降低荷载集度。疲劳试验时，在测得的疲劳应力的基础上，依据刚度叠加原理对应力值进行修正，最终结果可合理考虑铺装层刚度的影响。但由于钢桥面板自身的正交异性，荷载并非均匀地扩散至钢桥面板表面，而是更多地集中于顶板与u肋焊缝正上方。尽管在试件表面设置铺装层可较好地考虑应力扩散的影响，但存在以下两点不足：(1)铺装层铺设需要加热沥青混凝土、反复碾压等，在试验室难以达到此类要求；(2)由于铺装层-钢桥面板体系具有较大的组合刚度，此时mts等加载设备需要更大的工作功率，不经济。

可见，如何在钢桥面板试件的疲劳试验中合理考虑铺装层应力扩散的影响，已成为当前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供了一种模拟铺装层应力扩散作用的辅助加载装置，该装置解决了实验室难以达到铺设沥青混凝土、反复碾压的问题；同时解决了现有的体系设备需要更大的功率、不经济的问题。

技术方案：本发明的模拟铺装层应力扩散作用的辅助加载装置，包括依次连接的荷载分配系统、荷载传递系统和粘弹性接触模拟系统。

所述荷载分配系统包括横置的荷载分配梁，所述荷载分配梁能够将荷载分散到荷载传递系统上。

所述荷载传递系统包括若干横向依次连接的荷载传递装置，各所述荷载传递装置包括与所述荷载分配梁连接的连接顶板、与所述粘弹性接触模拟系统连接的铰接底板、以及设于所述连接顶板和铰接底板之间的传力弹性件。

所述粘弹性接触模拟系统包括能够模拟现实状况中车轮与钢桥面板体系粘弹性接触行为的垫板。

基于上述装置，荷载分配系统将系统施加的荷载均匀分散到荷载传递系统上，并根据各系统的性能参数，得到更接近更接近实桥运营情况的试验条件。

为了实现支撑并连接连接顶板、传力弹性件和铰接底板，所述连接顶板和铰接底板之间还设有能够支撑两者并随着传力弹性件伸缩而滑动伸缩的若干滑动组件，所述滑动组件包括设于所述连接顶板和铰接底板之间的连接滑槽以及能够在所述连接滑槽内滑动的连接滑杆，所述连接滑槽和连接滑杆能够随传力弹性件的伸缩而滑动伸缩；连接滑槽和连接滑杆将连接顶板、传力弹性件、铰接底板连接成一个整体。

所述荷载传递装置设有奇数个，其数量可根据预加载面的大小进行合理组装。

传力弹性件的劲度系数不完全相同，若干所述传力弹性件的劲度系数由中间向两侧逐渐减小。所述传力弹性件优选传力弹簧，其中，中间弹簧的劲度系数最大，向两侧逐渐减小，使传递到钢板表面的力大致成正态分布。

为实现各所述荷载传递装置卡接，更便于根据实际需要增减荷载传递装置个数，各所述连接顶板、铰接底板的两侧分别设置有能够使两相邻的连接顶板、铰接底板相互啮合的凹槽与凸起；且所述连接顶板的凹槽与凸起中部设置有螺栓孔，以便于用螺栓连接，且螺栓的螺栓帽顶部铺设有磁铁，进一步固定卡接，磁铁可防止螺栓下沉。

为了实现荷载分配系统与荷载传递系统连接，所述荷载分配梁底部设有若干滑块，所述连接顶板设有与所述滑块配合使用的若干滑槽，从而将荷载分配系统与荷载传递系统可拆卸连接。

为了使荷载分配梁具有极大的抗弯刚度，所述荷载分配梁设有若干纵横向加劲肋。

为实现将垫板与铰接底板连接，所述铰接底板开设有若干孔洞，且各所述孔洞中设有能够吸附所述垫板的磁铁。

为了使试验更贴合现实状况，所述垫板从上自下依次包括橡胶面层、钢板芯层及橡胶底层。

使用上述装置的加载方法，包括以下步骤：

(1)传力弹性件劲度系数的确定

依据试件的基本参数，建立带有铺装层的有限元模型，将面荷载施加于铺装层表面的最不利位置，提取试件表面的竖向应力计算结果并用高斯方程等函数进行拟合，绘制拟合曲线，依据条分法将拟合曲线等效为曲线，并按下式计算得到各传力弹簧的劲度系数：

k1＝f1/x

其中，k1为中间弹性件的劲度系数；f1为面积最大的矩形所对应的压力值；x为作动头预定的加载位移；h1为传力弹性件对应的矩形的高度；ki为传力弹性件的劲度系数；hi为传力弹性件对应于曲线中矩形的高度，根据确定好的弹性件劲度系数，联系厂家进行定制。

(2)装置的组装

将各荷载传递装置连接，并用螺杆固定；将垫板固定于荷载传递系统底部，将荷载分配梁固定于连接顶板顶端。

(3)试验加载

将组装好的辅助加载装置放置于试件的最不利加载位置，将作用头压紧于荷载分配梁的表面，设置好预计的作动头加载位移x，即可开始疲劳加载。

其中，步骤(1)中：

(1-1)依据所要分析桥梁的铺装层材料参数，建立钢桥面板与铺装组合体系的节段有限元模型。依据试验中将要采用的最不利加载位置，将荷载施加于有限元模型铺装层表面，进行静力计算并提取钢桥面板表面横桥向的竖向应力。

(1-2)绘制横桥向竖向应力分布曲线，采用高斯方程等函数对其进行拟合，并采用条分法将拟合曲线等效成若干个矩形。矩形的个数依据试验所要求的精度确定，亦等同于所需的荷载传递装置的个数。

(1-3)依据试验所需最大荷载值、加载作动头的预计加载位移确定中间传力弹簧的劲度系数。

(1-4)依据条分法得到的各矩形的高度，确定其余传力弹簧的劲度系数。例如，中间传力弹簧的劲度系数为k1，相应的矩形的高度为h1，则矩形高度h2所对应传力弹簧的精度系数为k2：

步骤(2)中，将磁铁置入铰接底板底部的开孔中，并将垫板吸附于铰接底板，完成垫板的固定；将荷载分配梁底部的滑块与连接顶板顶部的滑槽连接，完成荷载分配梁的固定。

有益效果：1、本发明的模拟铺装层应力扩散作用的辅助加载装置及方法能够较好地模拟铺装层对疲劳荷载的扩散作用，简化试验条件；2、基于本发明的辅助加载装置得到的疲劳试验结果可有效考虑铺装层应力扩散作用对钢桥面板疲劳性能的影响，使疲劳试验条件能够更接近实桥运营情况；3、为提高疲劳试验结果的精度提供了技术支持。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中荷载传递装置的结构示意图；

图3是本发明中荷载传递装置连接顶板结构示意图；

图4是本发明中荷载传递装置铰接底板结构示意图；

图5是本发明中放置于铰接底板底部孔洞中的磁铁示意图；

图6是本发明中用于固定连接顶板的螺帽结构示意图；

图7是本发明中荷载分配梁结构示意图；

图8是本发明中垫板结构示意图；

图9是本发明中确定各弹簧劲度系数的条分法的示意图；

图10是本发明的工作示意图。

具体实施方式

参见图1至图10，本发明一实施例所述的模拟铺装层应力扩散作用的辅助加载装置，包括依次连接的荷载分配系统、荷载传递系统和粘弹性接触模拟系统。

荷载分配系统包括横置的、能够将荷载分散到荷载传递系统上的荷载分配梁1，并设有若干纵横向加劲肋。

荷载传递系统包括奇数个横向依次连接的荷载传递装置2，各荷载传递装置2包括与荷载分配梁连接的连接顶板21、与粘弹性接触模拟系统连接的铰接底板22、以及设于连接顶板21和铰接底板22之间的传力弹性件23，优选传力弹簧，中间弹簧的劲度系数最大，向两侧逐渐减小，使传递到钢板表面的力大致成正态分布。

连接顶板21和铰接底板22之间还设有能够支撑并连接两者、且能够随着传力弹性件23伸缩而滑动伸缩的若干滑动组件，滑动组件包括设于连接顶板21和铰接底板22之间的连接滑槽24以及能够在连接滑槽24内滑动的连接滑杆25，连接滑槽24和连接滑杆25能够随传力弹性件23的伸缩而滑动伸缩。

连接顶板21、铰接底板22的两侧分别设置有能够使两相邻的连接顶板21、铰接底板22相互啮合的凹槽与凸起；且连接顶板22的凹槽与凸起中部设置有螺栓孔221，同时在底部设置有螺帽孔225，以便于用螺栓222连接，且螺栓222的螺栓帽223顶部铺设有防沉磁铁224，进一步固定卡接，防沉磁铁224可防止螺栓下沉。

粘弹性接触模拟系统包括能够模拟现实状况中车轮与钢桥面板体系粘弹性接触行为的垫板3，垫板3从上自下依次包括橡胶面层31、钢板芯层32及橡胶底层33。

荷载分配梁1底部设有若干滑块11，连接顶板21设有与滑块11配合使用的若干滑槽26，从而将荷载分配系统与荷载传递系统可拆卸连接。

铰接底板22开设有若干孔洞27，且各孔洞27中设有能够吸附垫板3的磁铁28。

本发明的工作原理为：

针对所采用的钢桥面板试件4，依据应力影响线的基本原理确定将要采用的最不利加载位置。以试件4尺寸为基本参数，建立带有铺装层5的有限元模型，将模拟车轮作用的面荷载6施加于最不利位置处并静力求解。根据面荷载数值曲线10并提取钢桥面板表面的竖向应力并绘制曲7，采用高斯函数等方程进行拟合得到拟合曲线7。采用条分法对拟合曲线7进行简化，得到包括若干个矩形的曲线9。

依据曲线9确定各传力弹簧的劲度系数。假设面积最大的矩形所对应的压力值为f1，作动头预定的加载位移为x，则位于中间的传力弹簧的劲度系数k1为f1/x，传力弹簧和的劲度系数则按下式计算得到：

其中h1为传力弹簧对应的矩形的高度；ki为传力弹簧和的劲度系数；hi为传力弹簧和分别对应的矩形的高度。根据计算得到的各弹簧的劲度系数，联系工厂进行制作。

将荷载分配梁1、荷载传递系统和垫板3按附图1的形式组装好，并放置于试件的最不利加载位置，如图10所示。待作用头8压紧荷载分配梁1后，设置好预定的作动头加载位移，便可以开始疲劳加载。所测得的焊缝疲劳应力、疲劳寿命等数据中，则考虑了铺装层应力扩散作用的影响。