[发明专利]桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法及其测试设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法及其测试设备，具体地说是用于中小桥梁无缝伸缩缝材料在轮胎载荷和桥梁温度收缩共同作用下的疲劳开裂模拟测试方法及其测试设备。 

背景技术

桥梁伸缩缝是桥梁设计中的一个重要组成部分，它是为了满足桥梁的伸缩变形，在桥梁结构的梁端之间或其他适当位置设置的能够相对自由变形的装置。桥梁伸缩缝在桥梁结构中直接承受行车载荷的冲击，并且长期暴露在空气中，使用环境恶劣，容易破坏并且维护成本高。在桥梁结构中，伸缩缝是相对较小和便宜的一个部分，其设计、材料选择及施工过程往往没有得到足够的重视，使得其实际使用寿命远低于设计寿命，需要频繁的维修和养护，严重影响了交通畅通，频繁的维护也带来了资源的浪费与环境的破坏。目前桥梁伸缩缝破坏引起的桥梁问题屡屡被报道，桥梁养护调查研究表明伸缩缝是桥梁结构中最薄弱且养护成本最高的环节之一。法国和葡萄牙调查结果显示伸缩缝的养护成本约占到整个桥梁养护成本的7%～22%。 

目前国内外主要使用的桥梁伸缩装置可分为以下6种类型，即无缝式、填塞对接式、嵌固对接式、橡胶板式、钢制支承式和模数式。桥梁伸缩缝也可简单地分为开口缝和闭口缝两类。开口伸缩缝容易使水和腐蚀性的污染物进入，加快桥梁面板、支座和底层结构性能的衰减，因此这类伸缩缝已经很少使用，而闭口伸缩缝种类相对多。对于桥梁伸缩量比较小时，沥青填充式无缝伸缩缝是最常用的一种伸缩缝装置。无缝伸缩缝由于其良好的降噪能力和行车舒适性而得到了越来越多的关注。无缝伸缩缝的伸缩量一般在50mm以内，主要应用于跨度较小的中小型桥梁。此外，沥青填充式伸缩缝还可以代替旧桥梁的连接缝，因此在旧混凝土桥上的应用比例也相对高。 

沥青填充式桥梁无缝伸缩缝在国内又称为TST无缝伸缩缝，其结构示意图如图1a所示，典型破坏形式见图1b所示。相比于其他类型的伸缩缝，无缝伸缩缝能使桥梁结构无缝化，其主要工作原理是在桥梁梁端间隙中填入特殊的聚合物改性沥青混合料来适应由于温度和载荷引起的桥梁变形。无缝伸缩缝具有良好的整体性和耐久性，施工方便，易于维修和养护，行车舒适，造价相对较低，其主要缺点是使用寿命较低，一般为3-7年。因此如何提高其服役性能和延长其使用寿命是目前急需解决的问题。 

典型的无缝伸缩缝结构由泡沫棒、跨缝钢板、沥青填充料和路面槽口构成。沥青填充料是由聚合物改性沥青与间断级配或单一级配的集料组合形成的综合性能优异的材料。无缝伸缩缝结构相对较为简单，却具有复杂的服役行为。单一级配的集料之间会产生大量的空隙，沥青胶结料在填充这些空隙后，其体积可占到整个混合料的20%-40%。与传统热拌沥青混合料相比，无缝伸缩缝的沥青胶结料用量更大，这使得伸缩缝的使用性能对沥青胶结料的相关性能依赖性更为显著。沥青胶结料的高温稳定性、应力松弛性能和低温柔韧性与其制备的沥青填充料的抗永久变形、低温开裂和疲劳开裂都有直接的联系。 

无缝伸缩缝破坏机理很多，典型的破坏包括低温和疲劳开裂、车辙和永久变形以及与原路面的界面破坏。前期研究结果表明整个伸缩缝结构中仅有一小段有效长度承担了伸缩变形，此外跨缝钢板边缘和伸缩缝-原路面界面容易出现应力集中，容易出现低温开裂，一旦出现结构开裂则表明其已达到使用年限，必须更换。因此无缝伸缩缝材料低温时能承受的拉压疲劳次数往往决定了其使用寿命。目前国内外主要利用直接拉伸或拉压疲劳试验装置对伸缩缝材料进行低温延伸性和疲劳测试。在拉压疲劳试验方面，其原理是利用每天产生的温差计算中小桥梁伸缩缝的伸缩量，通过控制水平拉压位移模拟桥梁伸缩缝的伸缩量进行拉压疲劳试验，至试件出现裂缝来检测疲劳寿命。在模拟车辆轮胎荷载方面，现有的沥青混合料车辙试验仪或路面加速加载试验 均可对道路材料施加往复行车荷载作用，但上述设备均不适用于桥梁伸缩缝结构。现有的研究结果表明桥梁伸缩缝材料是铺筑在桥缝结构中，其疲劳开裂是主要是桥梁温缩和交通荷载共同作用下产生的，因此在检测其疲劳寿命时应将伸缩缝结构、桥梁伸缩量和交通重复荷载统分结合起来，以分析桥梁温缩和交通荷载耦合作用。目前我国在桥梁无缝伸缩缝材料与结构性能检测方面还未形成相应的规范，因此急需开发出与桥梁无缝伸缩缝结构与受力相匹配的测试方法及其检测设备，以更好的指导材料优化和科学评价其使用寿命。 

发明内容

本发明的目的是提供一种桥梁无缝伸缩缝材料疲劳开裂模拟测试方法及其测试设备，可用于测定桥梁无缝伸缩缝材料在轮胎载荷和桥梁温度收缩共同作用下的疲劳开裂所需的重复加载作用次数。