[发明专利]一种桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够用于桥面结构疲劳试验、能模拟车轮通过效应的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台，属于桥梁工程领域。

背景技术

随着国民经济的快速发展，交通流量及车辆荷载越来越大，重载交通下正交异性钢桥面板、混凝土桥面板等桥面结构的疲劳劣化问题十分突出，改进桥面结构耐久性、延长使用寿命、保证桥梁结构安全的任务日益紧迫。

目前，由于数值模拟技术存在残余应力场模拟、局部应力分析、多轴疲劳效应考量、疲劳抗力确定、疲劳寿命评估等技术难题难以解决，因此研究结构疲劳问题最有效的方法还是模型疲劳试验，特别是能准确反映实际结构形式、边界约束条件、制造安装工艺、荷载施加特点的大型足尺模型疲劳试验。不合理的试验方案会导致一些似是而非的错误，需要谨慎对待。对于直接承受车轮荷载的桥面结构，其模型疲劳试验需重点解决的是能准确模拟车轮通过效应的荷载施加问题。既有试验结果表明，如不考虑该效应，正交异性钢桥面板部分细节疲劳强度等级将被高估，混凝土桥面板疲劳裂纹模式将发生根本变化。

对于桥面结构疲劳试验，目前可供采用的能模拟车轮通过效应的疲劳加载设备主要有以下3类：

(1)多作动器固定点顺次加载，比较典型的是2000年前后美国里海大学在对Williamsburg大桥和Bronx-Whitestone大桥桥面改造工程所进行的正交异性钢桥面板试验。这种方法在多作动器之间设置相位差，以离散加载代替连续加载，技术简单，能充分利用现有试验设备，但由于作动器数量有限，因此加载不连续，只能近似模拟车轮通过，对某些构造可能无法产生最不利的加载效应。

(2)路面加速试验装置。目前用于路面及桥面铺装的加速试验装置种类较多，如澳大利亚ALF装置、南非HVS装置、南非MLS装置等，这些产品相对成熟，加载方式理想，但还没有实际采用该装置进行桥面结构疲劳试验的报道。究其原因，主要是这些设备以满足使用寿命短(一般5年左右)的路面加速试验低次数、大标距、标准轮载、环境可控的要求为开发目标，轮载较小(不超过150kN)，大轮载下加载频率很低(不到10次/分钟)，每次试验作用次数不超过50万次；但对于使用寿命长(一般超过70年)的桥面结构疲劳试验高次数、大轮载、高频率、低成本的要求，采用以上小轮载、低频率的路面加速试验装置将导致试验时间(每次试验作用次数超过500万次)和成本难以估量，不具可行性。

(3)轮荷重走行疲劳试验机。为了克服路面加速试验装置研究桥面结构疲劳性能在轮载和频率上的不适用性问题，日本在1990年代开发了以曲柄连杆机构为主要原理的轮荷重走行疲劳试验机，轮载达500kN，加载频率30次/分钟，据查目前日本该设备保有量不到10台，还没有定型产品。这类设备大大推进了桥面结构疲劳研究，然而存在两个重大不足：一是轮载往复双方向施加，与实际车流一般单向通行不同；二是轮载仅通过蓄能器施加，无反馈控制，对桥面结构刚度变化敏感，加载误差大(达到5％)，且运行过程中轮载无法调节。

为了提升车轮对桥面结构的滚动疲劳加载模拟水平，迫切需要研究能够实现车轮滚动单向、双向加载，能够实现多种轮载施加模式，提升实际车轮模拟水平，而且加载频率高、加载精度高、加载范围宽的新型疲劳加载试验平台。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种能够实现车轮滚动单向、双向加载，能够合理模拟桥面结构的工作环境，能够实现多种轮载施加模式，提升实际车轮模拟水平，而且加载频率高、加载精度高、加载范围宽的桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台，包括加载单元、反力架、行走导向系统、竖向加载系统、温度控制系统和中央控制系统，其中：加载单元，用于在行走导向系统和竖向加载系统的控制下在桥面结构试件上进行水平方向的往复运动，以实现对桥面结构试件的疲劳加载测试；反力架，用于承担加载单元在桥面结构试件上往复运动中产生的反作用力；行走导向系统，用于驱动加载单元在桥面结构试件上进行水平方向的往复运动；竖向加载系统，用于驱动加载单元对桥面结构试件进行竖向加载；温度控制系统，用于控制桥面结构试件的工作温度；中央控制系统，用于控制行走导向系统、竖向加载系统和温度控制系统，从而控制加载单元在桥面结构试件上进行的竖向和水平运动、以及桥面结构试件的工作温度。