水泥混凝土桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度测试方法

摘要

本发明公开一种水泥混凝土桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度测试方法，包括第一步，水泥混凝土桥面铺装层与桥面板抗剪刚度测试试件制作；第二步，将测试试件水平夹固在正压力模拟子系统上；第三步，测试试件竖直放置；第四步，安装引伸计与百分表；第五步，正压力模拟子系统向测试试件施加正压力；第六步，模拟剪力测试；可测试不同正压力情况下水泥混凝土桥面铺装层与桥面板层间的抗剪刚度；通过控制扁平千斤顶施加压力的大小，可实现对不同正压力情况下的抗剪刚度进行测试，通用性较强；规定了水泥混凝土桥面铺装层与桥面板抗剪刚度测试试件的尺寸，规范性较好；通过压力机将竖向荷载转化为调节范围较大且模拟精确的剪力，测试精度较高。

说明书

技术领域

本发明属于路桥建筑技术领域，涉及一种桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度测试方法；尤其涉及一种水泥混凝土桥梁桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度测试方法。

背景技术

桥面铺装是桥梁上部结构的重要组成部分，作为桥梁结构的保护层，桥面铺装保护行车道板免受行车荷载的直接磨耗，防止桥面板遭受雨水侵蚀；作为受力层，桥面铺装对车辆轮重的集中荷载起一定的分布作用，并将此荷载传递给桥梁上部结构。

目前我国常用的水泥混凝土桥面铺装构造形式为水泥混凝土铺装层+防水粘结层+沥青混凝土铺装层；水泥混凝土铺装层与桥面板之间并不是完全紧密接触的，在重复车辆荷载、温度梯度荷载和混凝土收缩等作用下，层间存在相对滑动，甚至会出现剪切破坏，其层间接触状态直接影响了桥面铺装参与主梁受力的程度。对于中小跨径混凝土桥梁的检测而言，如果不能在进行主梁受力状态分析时，定量的把握层间接触状态，准确的考虑桥面铺装的影响，会导致测试到的主梁力学特性与理论计算值之间存在较大差异，从而使得桥梁状态评估结果不够准确。因此，得知水泥混凝土桥面铺装层与桥面板的层间接触状态就显得尤为重要。在《考虑剪切滑移效应的叠合梁有限元解》一文中，作者将这种层间接触状态定义为桥面铺装层与桥面板层间剪力和相对滑动的关系，即层间抗剪刚度。

目前国内外尚无专门用于桥梁结构铺装层与桥面板层间抗剪刚度的测试仪器，岩土工程方面虽有土壤仪，但其土壤试件相比桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度测试试件尺寸过小，且无法施加大吨位剪力，故难以推广到桥面铺装层与桥面板的层间抗剪刚度测试。因此，提出一种试验方便、精度较高的桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度测试方法就显得十分迫切。

发明内容

本发明公开了一种水泥混凝土桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度测试方法，以解决现有技术中无专门用于桥梁结构铺装层与桥面板层间抗剪刚度的测试仪器，岩土工程方面虽有土壤仪，但其土壤试件相比桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度测试试件尺寸过小，且无法施加大吨位剪力，故难以推广到桥面铺装层与桥面板的层间抗剪刚度测试等问题。

本发明水泥混凝土桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度测试方法，包括步骤如下：

第一步，水泥混凝土桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度测试试件制作：

工序一，浇筑下层水泥混凝土：在试验模具中浇筑一层7.5cm高的水泥混凝土；

工序二，在浇筑后的下层水泥混凝土表面立即布置连接钢筋；并依据桥梁结构实际情况进行拉毛；配筋率＝钢筋面积/(试件长度×试件宽度)；本发明配置1根直径为1cm的连接钢筋时，结合面的配筋率为0.1％；配置2根直径为1cm的连接钢筋时，结合面的配筋率为0.2％；

工序三，对下层水泥混凝土养生7天；

工序四，浇筑7.5cm高的上层混凝土；

工序五，对整体水泥混凝土测试试件再持续养生28天；

工序六，水泥混凝土测试试件水平放置，使用砂纸将水泥混凝土测试试件上表面A、下表面B打磨平滑，并用丙酮擦拭；

第二步，将水泥混凝土测试试件水平夹固在正压力模拟子系统上：

正压力模拟子系统包括上压板、中压板、下压板、扁平千斤顶、压力传感器、4个螺栓、第一螺帽、第二螺帽、第三螺帽；上压板、中压板、下压板上均具有4个结构尺寸相同、孔距相等的孔；下压板水平放置，4个螺栓自下而上穿入下压板的孔中；将水泥混凝土测试试件置放在下压板上，水泥混凝土桥面板与下压板相接触；中压板的孔与4个螺栓配合，4个第二螺帽紧固在螺栓上，压紧中压板；中压板、下压板夹紧水泥混凝土测试试件；压力传感器、扁平千斤顶中心位置共线安装在中压板上的中心处；上压板的孔与4个螺栓配合，上压板压紧扁平千斤顶；4个第一螺帽安装高度相等地紧固在螺栓的顶部，压紧上压板；中压板、上压板夹紧压力传感器、扁平千斤顶；水泥混凝土测试试件竖直放置时，正压力模拟子系统不会滑落；

第三步，水泥混凝土测试试件竖直放置：

将水泥混凝土测试试件竖直放置，使用砂纸将水泥混凝土测试试件竖直置放后的上表面C、下表面D打磨平滑；用丙酮擦拭；在水泥混凝土测试试件桥面铺装层上表面C上方水平放置上垫板，在水泥混凝土测试试件桥面板下表面D下方水平放置下垫板；

第四步，安装引伸计与百分表：

使用砂纸将水泥混凝土测试试件桥面铺装层侧面的中心位置E处打磨平滑，并用丙酮擦拭，将引伸计装夹于桥面铺装层侧面中心的打磨位置处；测量引伸计两个力臂之间的水平距离并记录为L₀；在试件桥面铺装层与上垫板的接触位置处置放百分表，使其具有初始读数并记录，记为w₀；

第五步，正压力模拟子系统向水泥混凝土测试试件施加正压力：

调节扁平千斤顶模拟实际情况下不同大小的车轮荷载，施加正压力至设定值；通过压力传感器精确读取正压力值并记录为P；本发明方法中正压力P与实际情况下车轮荷载P′的关系如下式：

P＝2P′(a+15)(b+15)/825

式中：P′—车轮轴重，a—车轮沿行车方向的着地长度(cm)，b—车轮的宽度(cm)；

第六步，模拟剪力测试：

压力机施加剪力作用于上垫板上表面；压力机等差值逐步增加剪力直至试件发生剪切破坏；

记录每时刻剪力对应下的百分表读数w₁，引伸计读数ΔL；则此剪力作用下桥面铺装层与桥面板层间相对位移即为：

ε＝Δw-ΔL/L₀×L；

式中：Δw＝w₁-w₀，L—试件长度。

第七步，制作剪力和层间相对位移关系曲线：

重复试验步骤六，记录多组实验数据，做出正压力P情况下剪力和层间相对位移的关系曲线；平均剪应力＝剪力/结合面面积(即τ-τ₀＝(Q-Q₀)/A)；剪力＝实际测试到的剪力减去摩阻力克服掉的那部分剪力(即Q-Q₀)；则桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度k满足下式：

τ-τ₀＝(Q-Q₀)/A＝k·ε

式中：Q—实际测试到的剪力，Q₀—层间摩阻力，ε—层间相对位移，A—层间结合面面积；将多组抗剪刚度试验值取平均值，即可得到正压力P情况下水泥混凝土桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度；

第八步，关闭压力机及扁平千斤顶，水泥混凝土桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度测试工作完成。

优化的方法步骤是：

第三步，正压力模拟子系统向水泥混凝土测试试件施加正压力：

本发明4个第三螺帽安装高度相等地紧固在螺栓的中部，安装在中压板下方；4个第二螺帽安装高度相等地紧固在螺栓的中部，安装在中压板上方；4个第一螺帽安装高度相等地紧固在螺栓的顶部，安装在上压板上方；

调节扁平千斤顶模拟实际情况下不同大小的车轮荷载，施加正压力至设定值；拧紧第一螺帽、第二螺帽和第三螺帽，通过压力传感器精确读取正压力值并记录为P；本发明方法中正压力P与实际情况下车轮荷载P′的关系如下式：

P＝2P′(a+15)(b+15)/825

式中：P′—车轮轴重，a—车轮沿行车方向的着地长度(cm)，b—车轮的宽度(cm)。

本发明水泥混凝土桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度测试试件的尺寸为15cm×15cm×55cm。

本发明的有益效果是：通过控制扁平千斤顶施加压力的大小，可实现对不同正压力情况下的抗剪刚度进行测试，体现了本发明的通用性；本发明规定了抗剪刚度测试试件的尺寸大小，试件尺寸若过小，则无法模拟桥梁结构的实际状况；试件尺寸若过大，则导致室内操作困难；体现了本发明的规范性；本发明通过压力机将竖向荷载转化为调节范围较大且模拟精确的剪力，体现了本发明的精确性。

附图说明

图1为本发明水泥混凝土桥面铺装层与桥面板抗剪刚度测试试件示意图；

图2为本发明所采用的上、中、下压板平面示意图；

图3为本发明所采用的正压力模拟子系统示意图；

图4为本发明方法原理示意图；

图5为有限元模型在剪力作用下的位移云图；

图6为剪力与层间相对位移测试关系曲线与有限元分析关系曲线对比图；

图中：1水泥混凝土桥面板、2桥面铺装层、3连接钢筋、4上压板、5中压板、6下压板、7螺栓、8第一螺帽、9第二螺帽、10第三螺帽、11扁平千斤顶、12压力传感器、13上垫板、14下垫板、15引伸计、16百分表、17压力机、18孔；A水泥混凝土测试试件水平放置上表面、B水泥混凝土测试试件水平放置下表面、C水泥混凝土测试试件竖直放置后的上表面、D水泥混凝土测试试件竖直放置后的下表面、E水泥混凝土测试试件桥面铺装层侧面的中心位置。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的一个实施例。

本发明实施例，水泥混凝土桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度测试方法步骤：

第一步，水泥混凝土桥面铺装层与桥面板层间抗剪刚度测试试件制作：

如图1所示，水泥混凝土测试试件包括水泥混凝土桥面板1、连接钢筋3和桥面铺装层2；尺寸为15cm×15cm×55cm；

水泥混凝土测试试件制作步骤包括：

工序一，浇筑下层水泥混凝土：在试验模具中浇筑一层7.5cm高的水泥混凝土，形成水泥混凝土桥面板1；

工序二，在浇筑后的下层水泥混凝土表面立即布置2根直径为1cm的连接钢筋3；并依据桥梁结构实际情况进行拉毛；配筋率＝钢筋面积/(试件长度×试件宽度)；本发明所采用试件配筋率为0.2％；

工序三，对下层水泥混凝土养生7天；

工序四，浇筑7.5cm高的上层混凝土，形成桥面铺装层2；

工序五，对整体水泥混凝土测试试件再持续养生28天；

工序六，水泥混凝土测试试件水平放置，使用砂纸将水泥混凝土测试试件水平放置上表面A、水平放置下表面B打磨平滑，并用丙酮擦拭；

第二步，将水泥混凝土测试试件水平夹固在正压力模拟子系统上：

如图1、图2、图3所示，正压力模拟子系统包括上压板4、中压板5、下压板6、扁平千斤顶11、压力传感器12、4个螺栓7、第一螺帽8、第二螺帽9、第三螺帽10；上压板4、中压板5、下压板6上均具有4个结构尺寸相同、孔距相等的孔18；下压板6水平放置，4个螺栓7自下而上穿入下压板6的孔18中；将水泥混凝土测试试件置放在下压板6上，水泥混凝土桥面板1与下压板6相接触；中压板5的孔18与4个螺栓7配合，4个第二螺帽9紧固在螺栓7上，压紧中压板5；中压板5、下压板6夹紧水泥混凝土测试试件；压力传感器12、扁平千斤顶11中心位置共线安装在中压板5上的中心处；上压板4的孔18与4个螺栓7配合，上压板4压紧扁平千斤顶11；4个第一螺帽8安装高度相等地紧固在螺栓7的顶部，压紧上压板4；中压板5、上压板4夹紧压力传感器12、扁平千斤顶11；水泥混凝土测试试件竖直放置时，正压力模拟子系统不会滑落；

第三步，水泥混凝土测试试件竖直放置：

如图4所示，将水泥混凝土测试试件竖直放置，使用砂纸将水泥混凝土测试试件竖直置放后的上表面C、竖直置放后的下表面D打磨平滑；用丙酮擦拭；在水泥混凝土测试试件桥面铺装层2竖直置放后的上表面C上方水平放置上垫板13，在水泥混凝土测试试件桥面板1竖直置放后的下表面D下方水平放置下垫板14；

第四步，安装引伸计15与百分表：

如图4所示，将试件桥面铺装层2侧面的中心位置E处用砂纸打磨平滑，用丙酮擦拭；将引伸计15装夹于打磨位置处，测量引伸计15两个力臂之间的水平距离并记录为L₀；在试件桥面铺装层2与上垫板13的接触位置处置放百分表16，使其具有初始读数并记录，记为w₀。

第五步，正压力模拟子系统向水泥混凝土测试试件施加正压力：

如图3所示，本发明4个第三螺帽10安装高度相等地紧固在螺栓7的中部，安装在中压板5下方；4个第二螺帽9安装高度相等地紧固在螺栓7的中部，安装在中压板5上方；4个第一螺帽8安装高度相等地紧固在螺栓7的顶部，安装在上压板4上方；

调节扁平千斤顶11模拟实际情况下不同大小的车轮荷载施加正压力至设定值；拧紧第一螺帽8、第二螺帽9和第三螺帽10，通过压力传感器12精确读取正压力值并记录为P(本实施例P＝0)；本发明方法中正压力P与实际情况下车轮荷载P′的关系如下式：

P＝2P′(a+15)(b+15)/825

式中：P′—车轮轴重，a—车轮沿行车方向的着地长度(cm)，b—车轮的宽度(cm)；

第六步，模拟剪力测试：

如图4所示，压力机17施加剪力作用于上垫板13上表面；压力机17等差值(10KN)逐步增加剪力直至试件发生剪切破坏；

记录每时刻剪力对应下的百分表16读数w₁，引伸计15读数ΔL；则此剪力作用下桥面铺装层2与桥面板1层间相对位移即为：

ε＝Δw-ΔL/L₀×L；

式中：Δw＝w₁-w₀，L—试件长度。

由于试件的层间结合状态并不是完全紧密接触，剪力作用下试件几乎没有发生掀起现象，有的学者也称之为撕拉作用；试验中观察到的破坏现象也同样可以说明这一点。即本发明的试验方法可以忽略交界面掀起效应，能够较为准确的测得结合面的剪切性能。

第七步，制作剪力和层间相对位移关系曲线：

重复试验步骤六，记录三组实验数据，如表1所示；

表1试验数据

做出正压力P(本实施例P＝0)情况下剪力和层间相对位移的关系曲线，如图6所示；

由图6可知，本实施例正压力P＝0作用下，当剪力超过10kN时，层间位移随着剪力的增大而增大。对剪力与层间位移关系曲线进行分析可知，剪力增大而层间位移保持不变属于剪力克服层间摩阻力(Q₀＝c+μP，其中c为连接钢筋3提供的剪切破坏抵抗力，μ为摩擦系数，P为正压力)的过程。而当剪力大于结合面能够提供的摩阻力后，摩阻力不再起作用，所以出现层间位移随着剪力的增大呈现近似线性增长的现象。

由于测试试件与实际桥梁结构相比，其尺寸很小，所以采用试件结合面上的平均剪应力(剪力/结合面面积，即τ-τ₀＝(Q-Q₀)/A)来讨论结合面抗剪刚度。即抗剪刚度中采用的剪应力为实际测试到的剪力减去摩阻力克服掉的那部分剪力(即Q-Q₀)。则桥面铺装2与桥面板1层间抗剪刚度k满足下式：

τ-τ₀＝(Q-Q₀)/A＝k·ε

式中：Q—实际测试到的剪力，Q₀—层间摩阻力，ε—层间相对位移，A—层间结合面面积。

将三组实验数据得到的抗剪刚度取平均值，即可得到本实施例正压力P＝0作用下，桥面铺装层2与桥面板1层间抗剪刚度为425kpa/mm。

第八步，建立水泥混凝土测试试件的有限元模型：

如图5所示，利用ANSYS软件建立水泥混凝土测试试件的有限元模型，通过数值模拟施加不同的剪力荷载，得到不同剪力荷载对应下的位移云图，即可得到水泥混凝土桥面铺装层2与桥面板1层间抗剪刚度的有限元解；

如图6所示，比较本发明所述测试方法的试验值与有限元解的关系曲线可知，试验值曲线与有限元解曲线的吻合程度较好，即可说明本发明所述的水泥混凝土桥面铺装层2与桥面板1层间抗剪刚度测试方法与有限元法吻合程度较好。

第九步，改变扁平千斤顶11施加的正压力大小，重复实验步骤六、步骤七，即可测试不同正压力情况下水泥混凝土桥面铺装层2与桥面板1层间抗剪刚度。

第十步，关闭压力机17及扁平千斤顶11，水泥混凝土桥面铺装层2与桥面板1层间抗剪刚度测试工作完成。