一种钢桥沥青路面剪切疲劳试验方法与流程

本发明属于道路工程技术领域，尤其涉及一种钢桥沥青路面剪切疲劳试验方法。

背景技术：

钢桥面普遍采用沥青混凝土铺设在钢桥面板上，保护钢板并提供良好行驶性能的薄层构筑物，铺装层通过防水层与钢板紧密连接，共同承受车辆荷载、温度及风荷载等引起的应力与变形。桥梁的使用性能和使用寿命与桥面铺装的好坏关系密切，通过多年来学者研究归纳，认为我国钢桥面铺装的主要病害类型有开裂、车辙、脱层或者剥落破坏、剪切滑移破坏等。而产生这些病害的主要原因是粘结层抗剪切能力不足，即铺筑钢桥面板上的沥青混合料抗剪切疲劳性能不足，长时间在车轮载荷反复作用下发生粘结失效而引发病害。因此有必要对在役的钢桥沥青路面结构的疲劳强度和可靠性以及疲劳寿命进行评估预测,以便于采取合理的养护措施。

钢桥面沥青路面剪切疲劳损害存在难以模拟和评价的问题，针对行车载荷的方法模拟问题，张志宏提出了发明专利转轮式桥路面铺装疲劳试验机(申请号200910023011.0)，采用轮转式的疲劳加载方式，在一个圆盘上通过弹簧加装多个车轮，用旋转运动方式让轮胎逐一与桥面接触，弹簧和轮胎的变形可以对路面产生一个正的冲击力(类似正的半正弦或者单位脉冲信号)，以模拟行车载荷进行疲劳加载。而实际路面载荷对钢桥面的剪切载荷类似正弦信号，是交变载荷，弹簧变形只能模拟成半正弦或者单位脉冲，无法模拟实际载荷状态，钢桥面沥青路面的疲劳加载的方式仍未得到有效解决。此外，现有的疲劳试验还未解决试样路面的尺寸大小问题，因此迫切需要新的方法来解决钢桥面疲劳试验。

为解决以上问题，就需要一种能够实际反映轮胎载荷对钢桥沥青路面的疲劳剪切作用的试验方法。

技术实现要素：

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

一种钢桥沥青路面剪切疲劳试验方法，包括以下步骤：

步骤002：使用固定尺寸的矩形模具制作钢桥沥青路面试件，使钢桥沥青路面试件具有钢板和沥青混合层；

步骤004：使用夹具对沥青路面试件在竖直方向上进行固定，使钢桥沥青路面试件中的钢板处于竖立状态，将夹具固定连接在疲劳试验机的试验台上，并使钢桥沥青路面试件位于疲劳试验机的正下方；

步骤006：根据钢桥沥青路面试件的最大连接强度值和钢桥沥青路面试件的表面积换算出钢桥沥青路面试件中的钢板与沥青混合层之间的最大连接力，其中，钢桥沥青路面试件的最大连接力等于其最大连接强度与钢桥沥青路面试件的表面积的乘积，即P＝σA，P为最大连接力，σ为连接强度，A为剪切面的接触面积；

步骤008：将疲劳试验机的试验端与钢桥沥青路面试件中的钢板连接，使用疲劳试验机对钢板施加竖直方向上的交变试验载荷。

根据本发明的钢桥沥青路面剪切疲劳试验方法，使用固定尺寸的矩形模具来制作钢桥沥青路面试件，可以统一钢桥面沥青路面试件尺寸大小，简化了相关夹具的结构以及减少了对试件的浪费现象，同时其试验结果能够准确反映钢桥沥青路面试件的沥青混合层的疲劳特性。

作为优选的，在步骤002中，所述矩形模具由底板和四个侧壁组成，将钢板放入矩形模具的底部，然后往钢板上涂抹防水粘结层，放置24小时后，往矩形模具内的钢板上倒入沥青混合料，再往复碾压，24小时后脱模。

作为优选的，所述沥青混合料的碾压温度为135℃。

作为优选的，在步骤004中，所述夹具在竖直方向上固定于所述钢桥沥青路面试件中的沥青混合层的截面上，钢板位于夹具的固定范围外。

作为优选的，使夹具对钢桥沥青路面试件侧向压力大小约等于0。

根据本发明的钢桥沥青路面剪切疲劳试验方法，夹具的底部与试验台底座通过螺钉连接，夹具只在竖直方向上对钢桥沥青路面试件中的沥青混合层进行固定，在水平方向上只起到扶持作用，不施加压力，钢桥沥青路面试件中的钢板位于夹具的固定范围外，使钢板仅受到疲劳试验机施加的交变载荷和自身的重力，不会受到侧向压力，试验结果能够准确反映钢桥沥青路面试件的沥青混合层的疲劳特性。

作为优选的，在步骤008中，交变试验载荷的初始绝对值小于或等于最大连接力的80％，即F≤P80％，F为交变试验载荷的初始绝对值。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的钢桥沥青路面剪切疲劳试验方法的步骤框图；

图2是本发明的钢桥沥青路面剪切疲劳试验方法中所使用的矩形模具的结构示意图；

图3是使用夹具夹持钢桥沥青路面试件进行疲劳试验的示意图；

图4是图3中的钢桥沥青路面试件在受到剪切疲劳试验机对其施加向下载荷时的受力原理图；

图5是图3中的钢桥沥青路面试件在受到剪切疲劳试验机对其施加向上载荷时的受力原理图。

在图3中，1底座；2装夹底板；3扶稳架；4扣合板；5剪切件；501连接部；502剪切部；6辊子；601橡胶套；7钢桥沥青路面试件；701沥青混合层；702钢板。

具体实施方式

如图1所示，本发明的实施例提出一种钢桥沥青路面剪切疲劳试验方法，包括以下步骤：步骤002：使用固定尺寸的矩形模具制作钢桥沥青路面试件，使钢桥沥青路面试件具有钢板和沥青混合层；步骤004：使用夹具对沥青路面试件在竖直方向上进行固定，使钢桥沥青路面试件中的钢板处于竖立状态，将夹具固定连接在疲劳试验机的试验台上，并使钢桥沥青路面试件位于疲劳试验机的正下方；步骤006：根据钢桥沥青路面试件的最大连接强度值和钢桥沥青路面试件的表面积换算出钢桥沥青路面试件中的钢板与沥青混合层之间的最大连接力，其中，钢桥沥青路面试件的最大连接力等于其最大连接强度与钢桥沥青路面试件的表面积的乘积，即P＝σA，P为最大连接力，σ为连接强度，A为剪切面的接触面积；步骤008：将疲劳试验机的试验端与钢桥沥青路面试件中的钢板连接，使用疲劳试验机对钢板施加竖直方向上的交变试验载荷。

在以上实施例中，使用固定尺寸的矩形模具来制作钢桥沥青路面试件，可以统一钢桥面沥青路面试件尺寸大小，简化了相关夹具的结构以及减少了对试件的浪费现象，同时其试验结果能够准确反映钢桥沥青路面试件的沥青混合层的疲劳特性。

如图2所示，根据本发明的一个实施例，在步骤002中，所述矩形模具由底板和四个侧壁组成，将钢板放入矩形模具的底部，然后往钢板上涂抹防水粘结层，放置24小时后，往矩形模具内的钢板上倒入沥青混合料，再往复碾压，24小时后脱模。

根据本发明的一个实施例，所述沥青混合料的碾压温度为135℃。

在以上实施例中，预设的钢桥沥青路面试件的设计尺寸为200mm×200mm×120mm，其中，钢板的尺寸为200mm×200mm×20mm，沥青混合层的尺寸为200mm×200mm×100mm，因此，矩形模具的内部尺寸为200mm×200mm×120mm。钢板代表钢桥路面沥青试件中的钢桥板，沥青混合层代表钢桥路面上铺设的沥青层，沥青混合料倒入矩形模板内之后，在135℃温度下，先在一个方向碾压6个往返，然后将模具调转方向后再碾压6个往返，碾压压力为9000N。

根据本发明的一个实施例，在步骤004中，所述夹具在竖直方向上固定于所述钢桥沥青路面试件中的沥青混合层的截面上，钢板位于夹具的固定范围外。

根据本发明的一个实施例，使夹具对钢桥沥青路面试件侧向压力大小约等于0。

在以上实施例中，夹具的底部与试验台底座通过螺钉连接，夹具只在竖直方向上对钢桥沥青路面试件中的沥青混合层进行固定，在水平方向上只起到扶持作用，不施加压力，钢桥沥青路面试件中的钢板位于夹具的固定范围外，使钢板仅受到疲劳试验机施加的交变载荷和自身的重力，不会受到侧向压力，试验结果能够准确反映钢桥沥青路面试件的沥青混合层的疲劳特性。

如图3所示，夹具包括：底座1、扶稳架3、扣合板4和剪切件5，底座1上水平设置有装夹底板2，装夹底板2的一端为剪切端，另一端为连接端；扶稳架3竖直设置在底座1上，扶稳架3与装夹底板2的剪切端正对并分离，扶稳架3的两侧对称设置有多个安装孔，每个两个对称的安装孔之间分别装配有一个辊子6；扶稳架3及辊子6只对钢桥沥青路面试件7起到扶持作用，防止其倾倒，不会施加侧向压力，扣合板4的一端与装夹底板2的连接端连接，另一端设置有扣合部401。将钢桥沥青路面试件7装配在夹具上时，使扣合部401扣合在钢桥沥青路面试件7中的沥青混合层701上；剪切件5的上端设置有连接部501，连接部501与疲劳试验机的载荷施加端相连接，剪切件5的下端设置有条形的剪切部502，剪切部502顶在钢桥沥青路面试件7中的钢板702的边沿上。将夹具搬运到疲劳试验机的试验台上后，使夹具的底座1与实验台固定连接，最后控制疲劳试验机通过载荷施加端施加正弦波形载荷反复作用于钢板702进行剪切实验。

根据本发明的一个实施例，在步骤006中，使P＝σA，P为最大连接力，σ为连接强度，A为剪切面的接触面积；在步骤008中，交变试验载荷的初始绝对值小于或等于最大连接力的80％，即F≤P80％，F为交变试验载荷的初始绝对值。

在以上实施例中，连接强度σ＝1MP，剪切面的接触面积A＝200mm×200mm＝40000mm³，即P＝40kN,F≤0.8P＝32kN，故疲劳试验机对钢板施加的交变试验载荷的最大值为32kN。其中，钢板自身重量约为61.54N，对试验载荷的影响可省略不计。

如图4所示，当钢桥沥青路面试件中的钢板受到疲劳试验机施加的向下的载荷F时，钢桥沥青路面试件中的沥青混合层的底部受到夹具的底板的向上的支撑力N，沥青混合层受到钢板对其向下的剪切力Q₁，钢板受到沥青混合层对其向上的剪切力Q₂。

如图5所示，当钢桥沥青路面试件中的钢板受到疲劳试验机施加的向上的载荷F时，钢桥沥青路面试件中的沥青混合层的顶部受到夹具的扣合板的向下的压力M，沥青混合层受到钢板对其向上的剪切力Q₁，钢板受到沥青混合层对其向下的剪切力Q₂。

当钢桥沥青路面试件在交变试验载荷下达到疲劳极限时，钢板将与沥青混合层发生滑移并脱离，疲劳试验机上的负载感应器所反馈的力将大幅减小，这时应关停疲劳试验机。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。