一種橋面結(jié)構(gòu)輪式滾動(dòng)疲勞加載試驗(yàn)平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種能夠用于橋面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)、能模擬車輪通過效應(yīng)的橋面結(jié)構(gòu)輪式滾動(dòng)疲勞加載試驗(yàn)平臺(tái)，屬于橋梁工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通流量及車輛荷載越來越大，重載交通下正交異性鋼橋面板、混凝土橋面板等橋面結(jié)構(gòu)的疲勞劣化問題十分突出，改進(jìn)橋面結(jié)構(gòu)耐久性、延長使用壽命、保證橋梁結(jié)構(gòu)安全的任務(wù)日益緊迫。
[0003]目前，由于數(shù)值模擬技術(shù)存在殘余應(yīng)力場(chǎng)模擬、局部應(yīng)力分析、多軸疲勞效應(yīng)考量、疲勞抗力確定、疲勞壽命評(píng)估等技術(shù)難題難以解決，因此研宄結(jié)構(gòu)疲勞問題最有效的方法還是模型疲勞試驗(yàn)，特別是能準(zhǔn)確反映實(shí)際結(jié)構(gòu)形式、邊界約束條件、制造安裝工藝、荷載施加特點(diǎn)的大型足尺模型疲勞試驗(yàn)。不合理的試驗(yàn)方案會(huì)導(dǎo)致一些似是而非的錯(cuò)誤，需要謹(jǐn)慎對(duì)待。對(duì)于直接承受車輪荷載的橋面結(jié)構(gòu)，其模型疲勞試驗(yàn)需重點(diǎn)解決的是能準(zhǔn)確模擬車輪通過效應(yīng)的荷載施加問題。既有試驗(yàn)結(jié)果表明，如不考慮該效應(yīng)，正交異性鋼橋面板部分細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度等級(jí)將被高估，混凝土橋面板疲勞裂紋模式將發(fā)生根本變化。
[0004]對(duì)于橋面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)，目前可供采用的能模擬車輪通過效應(yīng)的疲勞加載設(shè)備主要有以下3類:
[0005](I)多作動(dòng)器固定點(diǎn)順次加載，比較典型的是2000年前后美國里海大學(xué)在對(duì)Williamsburg大橋和Bronx-Whitestone大橋橋面改造工程所進(jìn)行的正交異性鋼橋面板試驗(yàn)。這種方法在多作動(dòng)器之間設(shè)置相位差，以離散加載代替連續(xù)加載，技術(shù)簡單，能充分利用現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備，但由于作動(dòng)器數(shù)量有限，因此加載不連續(xù)，只能近似模擬車輪通過，對(duì)某些構(gòu)造可能無法產(chǎn)生最不利的加載效應(yīng)。
[0006](2)路面加速試驗(yàn)裝置。目前用于路面及橋面鋪裝的加速試驗(yàn)裝置種類較多，如澳大利亞ALF裝置、南非HVS裝置、南非MLS裝置等，這些產(chǎn)品相對(duì)成熟，加載方式理想，但還沒有實(shí)際采用該裝置進(jìn)行橋面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的報(bào)道。宄其原因，主要是這些設(shè)備以滿足使用壽命短(一般5年左右)的路面加速試驗(yàn)低次數(shù)、大標(biāo)距、標(biāo)準(zhǔn)輪載、環(huán)境可控的要求為開發(fā)目標(biāo)，輪載較小(不超過150kN)，大輪載下加載頻率很低(不到10次/分鐘)，每次試驗(yàn)作用次數(shù)不超過50萬次；但對(duì)于使用壽命長(一般超過70年)的橋面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)高次數(shù)、大輪載、高頻率、低成本的要求，采用以上小輪載、低頻率的路面加速試驗(yàn)裝置將導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)間(每次試驗(yàn)作用次數(shù)超過500萬次)和成本難以估量，不具可行性。
[0007](3)輪荷重走行疲勞試驗(yàn)機(jī)。為了克服路面加速試驗(yàn)裝置研宄橋面結(jié)構(gòu)疲勞性能在輪載和頻率上的不適用性問題，日本在1990年代開發(fā)了以曲柄連桿機(jī)構(gòu)為主要原理的輪荷重走行疲勞試驗(yàn)機(jī)，輪載達(dá)500kN，加載頻率30次/分鐘，據(jù)查目前日本該設(shè)備保有量不到10臺(tái)，還沒有定型產(chǎn)品。這類設(shè)備大大推進(jìn)了橋面結(jié)構(gòu)疲勞研宄，然而存在兩個(gè)重大不足:一是輪載往復(fù)雙方向施加，與實(shí)際車流一般單向通行不同；二是輪載僅通過蓄能器施加，無反饋控制，對(duì)橋面結(jié)構(gòu)剛度變化敏感，加載誤差大(達(dá)到5% )，且運(yùn)行過程中輪載無法調(diào)節(jié)。
[0008]為了提升車輪對(duì)橋面結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)疲勞加載模擬水平，迫切需要研宄能夠?qū)崿F(xiàn)車輪滾動(dòng)單向、雙向加載，能夠?qū)崿F(xiàn)多種輪載施加模式，提升實(shí)際車輪模擬水平，而且加載頻率高、加載精度高、加載范圍寬的新型疲勞加載試驗(yàn)平臺(tái)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009](一 )要解決的技術(shù)問題
[0010]有鑒于此，本實(shí)用新型的主要目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)車輪滾動(dòng)單向、雙向加載，能夠合理模擬橋面結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)多種輪載施加模式，提升實(shí)際車輪模擬水平，而且加載頻率高、加載精度高、加載范圍寬的橋面結(jié)構(gòu)輪式滾動(dòng)疲勞加載試驗(yàn)平臺(tái)。
[0011](二)技術(shù)方案
[0012]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種橋面結(jié)構(gòu)輪式滾動(dòng)疲勞加載試驗(yàn)平臺(tái)，包括:在橋面結(jié)構(gòu)試件上進(jìn)行水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋面結(jié)構(gòu)試件的疲勞加載測(cè)試的加載單元；承擔(dān)加載單元在橋面結(jié)構(gòu)試件上往復(fù)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的反作用力的反力架；驅(qū)動(dòng)加載單元在橋面結(jié)構(gòu)試件上進(jìn)行水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的行走導(dǎo)向系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)加載單元對(duì)橋面結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行豎向加載的豎向加載系統(tǒng)；控制橋面結(jié)構(gòu)試件的工作溫度的溫度控制系統(tǒng)；以及控制行走導(dǎo)向系統(tǒng)、豎向加載系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，從而控制加載單元在橋面結(jié)構(gòu)試件上進(jìn)行的豎向和水平運(yùn)動(dòng)、以及橋面結(jié)構(gòu)試件的工作溫度的中央控制系統(tǒng)。
[0013]上述方案中，所述反力架由立柱11、橫梁12、聯(lián)系梁13、承載梁14、垂直升降裝置15、水平移位裝置16構(gòu)成，反力架的基頻Ω為加載單元最大加載頻率ω的1.5倍以上，避免平臺(tái)運(yùn)行時(shí)發(fā)生共振。
[0014]上述方案中，在所述反力架中，立柱11有4個(gè)，立柱11底部固定在地基6上；立柱11上設(shè)有垂直升降裝置15，通過垂直升降裝置15驅(qū)動(dòng)聯(lián)系梁13 ;聯(lián)系梁13沿立柱11垂直滑動(dòng)，其在距地面1.0-2.5m范圍內(nèi)的任意位置自鎖；聯(lián)系梁13上設(shè)有水平移位裝置16，承載梁14通過水平移位裝置16沿聯(lián)系梁13水平滑動(dòng)；承載梁14下部的水平導(dǎo)向軌道上安裝加載單元，加載單元在橫向±lm范圍內(nèi)任意位置自鎖。
[0015]上述方案中，所述加載單元由支撐架21和加載輪22構(gòu)成，其中:支撐架21安裝在承載梁14下部的水平導(dǎo)向軌道上，其在行走導(dǎo)向系統(tǒng)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)31的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；支撐架21下部安裝加載輪22，加載輪22與支撐架21之間安裝豎向加載系統(tǒng)的伺服作動(dòng)器41，伺服作動(dòng)器41根據(jù)豎向加載系統(tǒng)的電液伺服控制指令對(duì)加載輪22施加豎向壓力P ;加載輪22采用鋼輪或橡膠輪，形成單軸單輪、單軸雙輪或多軸雙輪組，以模擬實(shí)際車輪組樣式；橡膠輪采用貨車或工程車輛車輪，直徑不小于1000mm，單輪設(shè)計(jì)承載力不小于50kN ;鋼輪直徑700mm，寬度300mm，單輪設(shè)計(jì)承載力不小于70kN。
[0016]上述方案中，所述行走導(dǎo)向系統(tǒng)包括安裝在承載梁14下面的曲柄連桿機(jī)構(gòu)31，安裝在地面上的電源33、電機(jī)控制系統(tǒng)，以及連接電纜，其中:曲柄連桿機(jī)構(gòu)由變頻電機(jī)34、曲柄35、連桿36、減速箱37和慣性輪38構(gòu)成；電機(jī)控制系統(tǒng)控制變頻電機(jī)34轉(zhuǎn)動(dòng)，變頻電機(jī)34驅(qū)動(dòng)減速箱37，減速箱37輸出端與曲柄35連接，從而驅(qū)動(dòng)曲柄35和連桿36，帶動(dòng)與連桿36遠(yuǎn)端相連的加載單元進(jìn)行水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；曲柄連桿機(jī)構(gòu)31通過在減速箱37高速端安裝慣性輪38，能夠有效控制變頻電機(jī)34的速度波動(dòng)；在行走導(dǎo)向系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，加載單元在水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率不低于35往復(fù)/分鐘，在橋面結(jié)構(gòu)試件長度方向作用行程為±2.0m，穩(wěn)定加載的有效作用行程不小于±1.8m。
[0017]上述方案中，所述豎向加載系統(tǒng)包括安裝在加載單元上的伺服作動(dòng)器41、蓄能器42，安裝在地面上的液壓源、電液伺服控制系統(tǒng)，以及用于連接的液壓管路和電纜，其中:電液伺服控制系統(tǒng)控制伺服作動(dòng)器加載，其帶有控制和反饋功能，能夠控制伺服作動(dòng)器做閉環(huán)動(dòng)作；伺服作動(dòng)器對(duì)加載單元的加載輪22為單向或雙向加載，施加的豎向壓力P在O?500kN范圍內(nèi)無級(jí)可調(diào)，P的模式能夠模擬實(shí)際車輪加載的波形，至少包括正弦波、方波、斜波、三角波和隨機(jī)波；P的頻率最高為3Hz，P的精度為±2.0% ;伺服作動(dòng)器在加載過程所需要的瞬時(shí)大流量供油除液壓源提供外由蓄能器42提供，以降低液壓源的流量和功率；伺服作動(dòng)器的液壓缸采用無摩擦式油缸，能夠滿足系統(tǒng)長時(shí)間高頻加載的需要。
[0018]上述方案中，所述溫度控制系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)橋面結(jié)構(gòu)試件溫度的溫度供應(yīng)器51、封閉橋面結(jié)構(gòu)試件四周的隔離門52、控制橋面結(jié)構(gòu)試件溫度的溫度控制器53、測(cè)試橋面結(jié)構(gòu)試件的溫度傳感器54，以及用于連接的電源和電纜，其中:溫度供應(yīng)器51用于調(diào)節(jié)橋面結(jié)構(gòu)試件溫度的介質(zhì)為氣體，溫度調(diào)節(jié)范圍:-30°C?+80°C，