一种桥梁伸缩缝材料多轴疲劳破坏试验设备及其实施方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于桥梁工程技术领域，具体来说，涉及到一种桥梁伸缩缝材料多轴疲劳 破坏试验设备及其实施方法。
【背景技术】
[0002] 为了满足桥梁伸缩变形，在设计中加入了桥梁伸缩缝，使桥梁能够在该处自由伸 缩，避免产生内应力。在伸缩缝处的材料不同于桥梁主体结构材料，除了承受车辆载荷外 还要频繁的被拉伸和压缩，加之长期暴露在空气中，使用环境恶劣，容易损坏且维护成本较 高。国内目前普遍使用直接拉压疲劳试验对伸缩缝材料进行疲劳性能测试，并没有考虑车 辆载荷对伸缩缝材料的作用，更加没有考虑到二者的耦合作用产生的效果，对伸缩缝的设 计工作并不能有很准确的参考价值。近年来，材料多轴疲劳损伤累积和寿命估算研究取得 了较大进展，但由于加载条件和实验设备的约束，混合料多轴疲劳损伤累积和寿命通常采 用估算的方法，主要有等效应变发、能量法和等效应力法。
[0003] 在混合材料分析领域，即便是单轴疲劳，何种因素可以准确判断疲劳趋势，尚未形 成公断。以等效应变幅值作为损伤参量为例，对于疲劳试验Eq=K(2Nf)d。式中，为 主应变幅值，K和d分别为常数。通过单轴疲劳数据拟合确定，附图2中显示为橡胶材料在 比例单轴路径下和非比例菱形路径下的疲劳寿命曲线，从途中可以看出同样是单轴载荷， 疲劳寿命也会出现较大不同。当混合材料受到多轴载荷时，从何种因素判断疲劳趋势更加 困难，目前并没有设备能够测试混合材料在不同频率的多轴载荷下疲劳寿命的设备，附图 3所示为最大主应变法估算的金属构件在拉伸和扭转同频率多轴载荷下疲劳寿命和实测 寿命曲线，从图中可以看出预测方法得出的疲劳寿命与实际疲劳寿命曲线并不能很好的重 合，对材料疲劳寿命实际测定具有非常重要的意义。当材料所处的环境发生变化或者试验 试件不是标准试件时估算方法得出的寿命值和实际值很可能会出现更大的偏差，不能够很 好的指导设计生产，更加需要在接近实际工况下测定疲劳寿命。因此急需开发一套能够真 实模拟伸缩缝材料实际工况的设备，在不同伸缩变形量和车辆载荷共同作用下获得疲劳性 能参数。
【发明内容】
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种能精确模拟实际工况的桥梁伸缩缝材料 疲劳破坏实验设备及其实施方法。
[0005] 本发明所述的一种桥梁伸缩缝材料多轴疲劳破坏试验设备，所述疲劳破坏实验设 备包括外构架1、传动装置、混凝土构件7、伸缩缝材料10、温度传感器11和法向加载装置； 所述外构架1的底部固定有底座2,顶部固定有顶部导轨15 ;所述混凝土构件7包括固定混 凝土构件702和移动混凝土构件701 ;所述传动装置位于底座2之上，包括电动缸4、压力 传感器5、传动轴6和位于底座2上的底座导轨9;所述传动轴6的一端与移动混凝土构件 701相连接，另一端通过压力传感器5与电动缸4连接；所述底座导轨9上设有滑块A8,该 滑块A8与移动混凝土构件701相连，实现移动混凝土构件701的水平方向运动；所述固定 混凝土构件702和移动混凝土构件701高度相同，两者之间保留有放置伸缩缝材料10的缝 隙；所述温度传感器11位于伸缩缝材料10附近；所述法向加载装置包括实心橡胶轮12、气 动增压器13、滑块B14、顶部导轨15、丝杠16和电机17 ;所述实心橡胶轮12位于伸缩缝材 料10上表面，处于混凝土构件7缝隙之间；所述气动增压器13顶部与滑块B14相连，其底 部与实心橡胶轮12相连；所述滑块B14固定在顶部导轨15上，通过电机17带动丝杠16转 动实现气动增压器13的水平方向移动；所述压力传感器5和温度传感器11与计算机连接。
[0006] 本发明所述的一种桥梁伸缩缝材料多轴疲劳破坏试验设备，所述电动缸4为带编 码器的伺服电机，采用位移控制模式，控制伸缩缝材料拉伸量。
[0007] 本发明所述的一种桥梁伸缩缝材料多轴疲劳破坏试验设备，所述压力传感器5 - 端与电动缸连接，另一端与传动轴6连接，压力数据传送至计算机3中。
[0008] 本发明所述的一种桥梁伸缩缝材料多轴疲劳破坏试验设备，所述移动混凝土构件 701和固定混凝土构件702的材质相同，上表面平整，用于放置和固定伸缩缝材料10。
[0009] 本发明所述的一种桥梁伸缩缝材料多轴疲劳破坏试验设备，所述实心橡胶轮12 通过气动增压器13调节气缸压力实现对伸缩缝材料10的法向加压，其水平移动距离大于 等于伸缩缝的距离。
[0010] 本发明所述的一种桥梁伸缩缝材料多轴疲劳破坏试验设备，所述温度传感器11 每隔5分钟测量一次温度，将数据传送至计算机3。
[0011] 本发明所述桥梁伸缩缝材料疲劳破坏实验设备的实施方法，所述实施方法具体步 骤为：将混凝土构件7固定在底座2和滑块A8上，确保混凝土构件7上表面处于同一个水 平面；开启电动缸4,调节移动混凝土构件701和固定混凝土构件702之间的缝隙，然后停 止电动缸4运行；制作桥梁伸缩缝材料10试样，将其固定在混凝土构件7上表面；启动气动 增压器13,调节气缸压力，使实心橡胶轮12在桥梁伸缩缝材料10表面产生一定的法向载 荷；同时开启电动缸3和电机17,并调节好移动混凝土构件701的运动速度和伸缩频率，实 心橡胶轮12的运动速度和往复频率；每隔5分钟温度传感器11记录一次当前温度并传送 至计算机3,压力传感器5实时将压力数据传送至计算机3,直至伸缩缝材料10出现破坏时 停止试验。
[0012]目前对材料伸缩疲劳性能的测试都是在一个方向施加载荷，即单轴载荷。本发明 为了更加接近真实工况，加载方式为多轴加载，即材料试件受拉伸的同时还受到弯矩载荷。 材料在不同加载路径、周期以及幅值的弯矩和拉伸载荷下将表现出不同的疲劳性能。与单 轴疲劳有很大的区别，对设计工作具有非常重要的参考作用。水平加载装置属于常规加载， 法向加载通过气缸和电机模拟了车轮对伸缩缝材料的作用力。与现有技术相比，本发明所 述桥梁伸缩缝材料疲劳破坏实验设备充分模拟了伸缩缝材料受到桥梁伸缩量变化和车辆 载荷共同作用的实际工况，可研究不同伸缩量和车辆载荷以及伸缩频率下的材料疲劳性 能。
【附图说明】
[0013]图1为桥梁伸缩缝材料多轴疲劳破坏试验设备结构图；图2 :橡胶材料在比例单轴 路径和非比例菱形路径下的疲劳寿命曲线；图3 :某金属材料在拉伸和扭转同频率多轴载 荷下以最大主应变幅值损伤模型估算疲劳寿命曲线和实测寿命曲线；图4 :桥梁伸缩缝材 料的单轴拉伸疲劳寿命曲线和在本发明设备下的多轴疲劳寿命曲线；1-外构架、2-底座、 3_计算机、4-电动缸、5-压力传感器、6-传动轴、701 -移动混凝土构件、702-固定混凝土构 件、8-滑块、9-底座导轨、10-伸缩缝材料、11-温度传感器、12-实心橡胶球、13-气动增压 器、14-滑块、15-顶部导轨、16-丝杜、17-电机。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合具体的实施例对本发明所述的桥梁伸缩缝材料多轴疲劳破坏试验设备 及其实施方法做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
[0015] 实施例1
[0016] 参见图1，本发明提供一种桥梁伸缩缝材料多轴疲劳破坏试验设备，包括外构架 1、底座2、计算机3、电动缸4、压力传感器5、传动轴6、移动混凝土构件701、固定混凝土构 件702、滑块A8、底座导轨9、伸缩缝材料10、温度传感器11、实心橡胶球12、气动增压器13、 滑块B14、顶部导轨15、丝杜16、电机17 ;电动缸4置于底座之上，与压力传感器5相连，传 动轴6两端分别与压力传感器5和移动混凝土构件701相连，电动缸4、压力传感器5和传 动轴6构成了传动装置；底座导轨9固定在底座2上，滑块A8与移动混凝土构件701固定 连接，并置于底座导轨9上，实现移动混凝土构件的水平方向运动；移动混凝土构件701和 固定混凝土构件702