一种正交异性桥面板疲劳试验装置及疲劳性能评估方法

摘要

本发明公开一种正交异性桥面板疲劳试验装置及疲劳性能评估方法，用于试件的疲劳性能评估，包括加载装置、疲劳试件边界条件约束组件和疲劳试件支撑组件；试件包括桥面顶板和U形肋；加载装置与桥面顶板顶面相连接，加载装置与疲劳试验机螺纹连接；疲劳试件边界条件约束组件设置于桥面顶板端部，且与桥面顶板固定连接；疲劳试件支撑组件上固定安装有两个疲劳试件边界条件约束组件。本发明解决了现有疲劳试验中试验装置试件尺寸适用性差、约束形式与实际桥梁不符、加载装置应力集中、疲劳裂纹断裂失效长度和应力水平不统一的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及正交异性桥面板技术领域，特别是涉及一种正交异性桥面板疲劳试验装置及疲劳性能评估方法。

背景技术

近年来，国内外大跨度钢桥发展迅速，钢箱梁和正交异性钢桥面板广泛应用于大跨度钢桥中。正交异性桥面板由纵、横向加劲肋板、横隔板及附属构件焊接而成，具有自重轻、承载能力大、造型美观、施工便捷、施工工期短等优点，应用广泛。

但正交异性桥面板存在各构件连接位置受力状态复杂、连接焊缝数量多、应力集中突出等问题，在役正交异性桥面板结构出现了疲劳裂纹，顶板与U形肋疲劳裂纹占所统计疲劳裂纹总数的20％，对铺装层结构产生了不利影响，影响钢桥面板的服役周期和安全性能。正交异性桥面板结构传统顶板与U形肋连接形式为单面坡口焊缝，焊接工艺简单、施工便捷，但由于U形肋与面板非对称连接，在役正交异性桥面板在焊缝焊趾和焊根位置出现了疲劳裂纹。

正交异性钢桥钢桥面板构造细节对正交异性钢桥的疲劳性能影响重大，国内相关科研人员对正交异性钢桥桥面板构造细疲劳性能开展疲劳性能试验研究。但在试验研究中，出现了多种不同尺寸的疲劳试件、不同形式的试件约束形式和不同的加载方式，约束形式与实桥中桥面板受力形式以，加载方式疲劳试验机作动器通过连接钢板直接作用于顶板表面，钢板与桥面板顶板应力集中现象严重。

现有疲劳试验研究成果中，目前尚无考察双面焊连接焊缝疲劳性能的疲劳试验研究，现有疲劳试验装置缺乏可适用于多种规格尺寸、不同约束形式和载荷模型的疲劳试验装置。

传统的正交异性钢桥桥面板疲劳性能评估方法多是通过测量结构的应变、目测或仪器测量疲劳裂纹长度，以疲劳裂纹长度达到某一长度数值或疲劳应力水平达到某一水平，作为正交异性桥面板疲劳断裂失效的评估方法，但裂纹长度和应力水平的具体数值存在差异性，疲劳性能评估方法缺少统一的评估标准。

发明内容

本发明的目的是提供一种正交异性桥面板疲劳试验装置及疲劳性能评估方法，以解决现有疲劳试验中试验装置试件尺寸适用性差、约束形式与实际桥梁不符、加载装置应力集中、疲劳裂纹断裂失效长度和应力水平不统一的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种正交异性桥面板疲劳试验装置，用于试件的疲劳性能评估，其特征在于，包括：加载装置、疲劳试件边界条件约束组件和疲劳试件支撑组件；所述试件包括桥面顶板和U形肋；所述加载装置与所述桥面顶板顶面相连接，所述加载装置与疲劳试验机螺纹连接；

所述疲劳试件边界条件约束组件设置于所述桥面顶板端部，且与所述桥面顶板固定连接；所述疲劳试件支撑组件上固定安装有两个所述疲劳试件边界条件约束组件。

所述加载装置包括连接橡胶、连接钢板和连接件；所述连接件与所述疲劳试验机螺纹连接；所述连接钢板与所述连接件通过角焊焊缝焊接成型；所述连接钢板底面与所述桥面顶板之间设置有所述连接橡胶。

所述疲劳试件支撑组件包括底座、支撑立板和支撑顶板；所述支撑立板分设于所述底座顶面两侧；每一所述支撑立板上均焊接有一所述支撑顶板；所述U形肋设置于两所述支撑立板和底座所形成的空间内；

所述支撑顶板上开设有用于连接所述疲劳试件边界条件约束组件的螺栓孔组。

每一所述支撑顶板上均连接有一所述疲劳试件边界条件约束组件包括圆钢、水平挡板、螺栓和角钢；所述圆钢焊接于所述桥面顶板端部底面；所述圆钢周壁两侧设置有固定安装在所述支撑顶板顶面的水平挡板；所述圆钢和水平挡板通过所述螺栓固定连接；所述圆钢两端面分别设置有一所述角钢；所述角钢与所述螺栓孔组位置对应，且与所述支撑顶板通过所述螺栓相连接。

所述底座上还固定安装有激光位移计。

所述桥面顶板与所述U形肋通过单面焊或双面焊形成的连接焊缝连接成型。

一种疲劳性能评估方法，包括正交异性桥面板疲劳试验装置，包括以下步骤：

预制加工疲劳试验装置中加载装置、疲劳试件边界条件约束组件、疲劳试件支撑组件和试件的各个构件，并将分别将加载装置、疲劳试件边界条件约束组件、疲劳试件支撑组件和试件组装；

按照预加载-加载的加载模式进行加载，预加载期间检测仪器设备的工作状态和性能；疲劳试验过程中，使用底座上表面的激光位移计监测桥面顶板与U形肋连接位置下侧的动态位移δ

疲劳试验数据分析，利用疲劳试验数据，明确疲劳断裂失效评定条件结构动态刚度的计算方法，利用结构动态刚度值K

所述疲劳性能评估方法还包括安置应变片、测量动态应变和结构应力，用于评估结构的疲劳寿命和疲劳强度。

所述评定试件刚度和疲劳失效条件是通过外部载荷变化值F

所述结构动态刚度值K

K

其中，ΔF

本发明公开了以下技术效果：(1)适用于多种顶板厚度和宽度的正交异性桥面板疲劳性能试验，通过调节角钢和控制螺栓，可适用于更宽的桥面板，顶板上表面不受约束，可增加顶板厚度，应用范围广。

(2)试件边界约束条件更加科学合理，与实际桥梁约束形式一致，保证了疲劳试验数据可反映实桥的真实受力状态。

(3)加载装置更加合理，采用连接橡胶与疲劳试件接触传力的形式，避免顶板因局部区域受压导致的应力集中，更接近实际受力形式。

(4)本发明试验装置可用于考察单面焊、双面焊缝构造形式的疲劳试验，对比内侧外侧疲劳焊缝的疲劳性能。

(5)将正交异性桥面板疲劳试验过程中的结构动态刚度作为疲劳断裂失效评定条件，解决了传统评估方法中疲劳裂纹长度和应力水平不统一的问题，评估方法更加科学简便。

(6)基于结构应力，借助正交异性桥面板疲劳试验装置，可以实现正交异性桥面板顶板与U形肋疲劳强度和疲劳寿命的评估。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为正交异性桥面板疲劳试验装置的立体图；

图2为正交异性桥面板疲劳试验装置的主视图；

图3为正交异性桥面板疲劳试验装置的左视图；

图4为正交异性桥面板疲劳试验装置的俯视图；

图5为加载装置立体图；

图6为桥面顶板局部构造立体图；

图7为桥面顶板主视图；

图8为边界条件约束组件示意图；

图9为边界条件约束组件(不含角钢)示意图；

图10为支撑组件示意图；

图11为激光位移计示意图；

其中，1：加载装置；11：连接件；12：连接钢板；13：连接橡胶；2：试件；21：桥面顶板；22：U形肋；23：连接焊缝；3：边界条件约束组件；31：圆钢；32：水平挡板；33：螺栓；34：角钢；4：支撑组件；41：支撑顶板；42：支撑立板；43：底座；5：激光位移计。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种正交异性桥面板疲劳试验装置，用于试件2的疲劳性能评估，包括：加载装置1、疲劳试件边界条件约束组件3和疲劳试件支撑组件4；试件2包括桥面顶板21和U形肋22；加载装置 1与桥面顶板21顶面相连接，加载装置1与疲劳试验机螺纹连接；

疲劳试件边界条件约束组件3设置于桥面顶板21端部，且与桥面顶板21固定连接；疲劳试件支撑组件4上固定安装有两个疲劳试件边界条件约束组件3。

加载装置1包括连接橡胶13、连接钢板12和连接件11；连接件 11与疲劳试验机螺纹连接；连接钢板12与连接件11通过角焊焊缝焊接成型；连接钢板12底面与桥面顶板21之间设置有连接橡胶13。

疲劳试件支撑组件4包括底座43、支撑立板42和支撑顶板41；支撑立板42分设于底座43顶面两侧；每一支撑立板42上均焊接有一支撑顶板41；U形肋22设置于两支撑立板42和底座43所形成的空间内；

支撑顶板41上开设有用于连接疲劳试件边界条件约束组件3的螺栓孔组。

每一支撑顶板41上均连接有一疲劳试件边界条件约束组件3包括圆钢31、水平挡板32、螺栓33和角钢34；圆钢31焊接于桥面顶板21端部底面；圆钢31周壁两侧设置有固定安装在支撑顶板41顶面的水平挡板32；圆钢31和水平挡板32通过螺栓33固定连接；圆钢31两端面分别设置有一角钢34；角钢34与螺栓孔组位置对应，且与支撑顶板41通过螺栓33相连接。

底座43上还固定安装有激光位移计5。

桥面顶板21与U形肋22通过单面焊或双面焊形成的连接焊缝 23连接成型。

一种疲劳性能评估方法，包括正交异性桥面板疲劳试验装置，包括以下步骤：

预制加工疲劳试验装置中加载装置1、疲劳试件边界条件约束组件3、疲劳试件支撑组件4和试件2的各个构件，并将分别将加载装置1、疲劳试件边界条件约束组件3、疲劳试件支撑组件4和试件2 组装；

按照预加载-加载的加载模式进行加载，预加载期间检测仪器设备的工作状态和性能；疲劳试验过程中，使用底座43上表面的激光位移计5监测桥面顶板21与U形肋22连接位置下侧的动态位移δ

疲劳试验数据分析，利用疲劳试验数据，明确疲劳断裂失效评定条件结构动态刚度的计算方法，利用结构动态刚度值K

疲劳性能评估方法还包括安置应变片、测量动态应变和结构应力，用于评估结构的疲劳寿命和疲劳强度。

评定试件刚度和疲劳失效条件是通过外部载荷变化值F

结构动态刚度值K

K

其中，ΔF

在本发明的一个实施例中，加载装置1、疲劳试件边界条件约束组件3、疲劳试件支撑组件4和试件2组装的具体步骤为：根据疲劳试验机位置，确定底座43中心点位置；将底座43、支撑立板42和支撑顶板41进行尺寸定位、构件清理、焊接连接及焊后处理；按照边界条件约束组件各构件装配方式，将水平挡板32与支撑顶板41定位、焊接；

按照疲劳试验试件连接方式，将桥面顶板21和U形肋22焊接连接；根据桥面顶板21尺寸约束条件确定圆钢31焊接位置，采用角焊缝将圆钢31与桥面顶板21底面焊接；

将试件2定位并放置于支撑顶板41上，圆钢31与支撑顶板41 上表面接触，将一端的水平挡板32的螺栓拧紧固定圆钢31，将角钢 34螺栓连接到支撑顶板41上；

根据加载位置和载荷工况，将连接件11与连接钢板12通过角焊缝连接，连接钢板12放置于连接橡胶13上，控制尺寸和位置偏差，连接件11与疲劳试验机通过螺栓连接；利用磁力座将激光位移计5 固定于底座43相应位置。

在本发明的一个实施例中，如桥面顶板21和U形肋22焊接方式为双面焊缝连接；则先焊接内部焊缝，再焊接外部焊缝。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。