一种桥面结构轮式滚动疲劳加载试验平台的制作方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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，因此研宄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。
[0004]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:
[0005](I)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。
[0006](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。宄其原因，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。
[0007](3)轮荷重走行疲劳试验机。为了克服路面加速试验装置研宄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宄，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。
[0008]为了提升车轮对桥面结构的滚动疲劳加载模拟水平，迫切需要研宄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】
[0009](一 )要解决的技术问题
[0010]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。
[0011](二)技术方案
[0012]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。
[0013]上述方案中，所述反力架由立柱11、横梁12、联系梁13、承载梁14、垂直升降装置15、水平移位装置16构成，反力架的基频Ω为加载单元最大加载频率ω的1.5倍以上，避免平台运行时发生共振。
[0014]上述方案中，在所述反力架中，立柱11有4个，立柱11底部固定在地基6上；立柱11上设有垂直升降装置15，通过垂直升降装置15驱动联系梁13 ;联系梁13沿立柱11垂直滑动，其在距地面1.0-2.5m范围内的任意位置自锁；联系梁13上设有水平移位装置16，承载梁14通过水平移位装置16沿联系梁13水平滑动；承载梁14下部的水平导向轨道上安装加载单元，加载单元在横向±lm范围内任意位置自锁。
[0015]上述方案中，所述加载单元由支撑架21和加载轮22构成，其中:支撑架21安装在承载梁14下部的水平导向轨道上，其在行走导向系统的曲柄连杆机构31的驱动下进行水平方向的往复运动；支撑架21下部安装加载轮22，加载轮22与支撑架21之间安装竖向加载系统的伺服作动器41，伺服作动器41根据竖向加载系统的电液伺服控制指令对加载轮22施加竖向压力P ;加载轮22采用钢轮或橡胶轮，形成单轴单轮、单轴双轮或多轴双轮组，以模拟实际车轮组样式；橡胶轮采用货车或工程车辆车轮，直径不小于1000mm，单轮设计承载力不小于50kN ;钢轮直径700mm，宽度300mm，单轮设计承载力不小于70kN。
[0016]上述方案中，所述行走导向系统包括安装在承载梁14下面的曲柄连杆机构31，安装在地面上的电源33、电机控制系统，以及连接电缆，其中:曲柄连杆机构由变频电机34、曲柄35、连杆36、减速箱37和惯性轮38构成；电机控制系统控制变频电机34转动，变频电机34驱动减速箱37，减速箱37输出端与曲柄35连接，从而驱动曲柄35和连杆36，带动与连杆36远端相连的加载单元进行水平方向的往复运动；曲柄连杆机构31通过在减速箱37高速端安装惯性轮38，能够有效控制变频电机34的速度波动；在行走导向系统的驱动下，加载单元在水平方向的往复运动频率不低于35往复/分钟，在桥面结构试件长度方向作用行程为±2.0m，稳定加载的有效作用行程不小于±1.8m。
[0017]上述方案中，所述竖向加载系统包括安装在加载单元上的伺服作动器41、蓄能器42，安装在地面上的液压源、电液伺服控制系统，以及用于连接的液压管路和电缆，其中:电液伺服控制系统控制伺服作动器加载，其带有控制和反馈功能，能够控制伺服作动器做闭环动作；伺服作动器对加载单元的加载轮22为单向或双向加载，施加的竖向压力P在O?500kN范围内无级可调，P的模式能够模拟实际车轮加载的波形，至少包括正弦波、方波、斜波、三角波和随机波；P的频率最高为3Hz，P的精度为±2.0% ;伺服作动器在加载过程所需要的瞬时大流量供油除液压源提供外由蓄能器42提供，以降低液压源的流量和功率；伺服作动器的液压缸采用无摩擦式油缸，能够满足系统长时间高频加载的需要。
[0018]上述方案中，所述温度控制系统包括调节桥面结构试件温度的温度供应器51、封闭桥面结构试件四周的隔离门52、控制桥面结构试件温度的温度控制器53、测试桥面结构试件的温度传感器54，以及用于连接的电源和电缆，其中:温度供应器51用于调节桥面结构试件温度