[0001] 本发明属于路面加载试验技术领域，更具体地，涉及一种路面铺装疲劳‑磨耗‑湿热的轮压式试验装置及方法。

[0002] 公路和公路桥梁的路面铺装在运营中受到加载轮荷载往复碾压和车辆加速/制动过程中施加的摩擦力，长期运营中可能出现开裂、鼓包、车辙、内部界面滑移、表层抗滑磨耗失效等病害。由于公路铺装是多层、多种石料、水泥基材料、沥青基材料构成的层叠体系，不同铺装方案的性能差异很大，且不断有新材料、新工艺得到应用，理论计算也很难对公路铺装层给出有效的评估，必须以试验方法对于铺装层的性能进行检验。对于影响路面铺装性能的各种指标，如耐疲劳性能、耐湿热性能、耐磨耗性能等均可通过小试件试验进行单项评价，可节省试验成本，但对于不同类型病害之间的耦合效果缺乏直观的反映，仍有一定开展实比例试验的需求。

[0003] 常规轮压试验设备加载轮为从动轮，主要反映疲劳‑湿热作用对路面铺装的作用，对于路面铺装磨耗问题不能实现加速加载，本发明提出一种路面铺装疲劳‑磨耗‑湿热的轮压式试验装置及方法，可对实比例的路面铺装试件进行循环轮压，综合反映路面铺装在疲劳荷载、磨耗和环境因素作用下的有效寿命。

[0070] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0071] 实施例1

[0072] 如图1所示，本发明实施例提供一种路面铺装疲劳‑磨耗‑湿热的轮压式试验装置，包括：竖直反力架1、设于所述竖直反力架1之间的加载单元2以及往复运动单元3。所述加载单元2包括作动器21和模拟车载组件25，通过所述作动器21为模拟车载组件25提供竖向载荷，以模拟车辆的自重，通过所述往复运动单元3为模拟车载组件25提供水平作用力，使其模拟车辆在试件上往复移动，实现对路面或桥面结构的有效加载试验。且在加载试验过程中，无需人工参与，装置自动针对不同环境的要求对参数进行调节，在不增加模拟车辆自重的同时提高了对试件的有效加载力，兼顾了有效荷载提高和维持加载频率的需求，实现了路面铺装或钢桥面板的加速疲劳破坏试验。

[0073] 如图2所示，所述竖直反力架1至少设有两个，沿长度方向等距设于试件上，每个竖直反力架1包括一对立柱11和一个横梁12，所述立柱11的柱脚以抗拉锚栓与试件连接，所述横梁架设于立柱11的顶端相向的一侧，与两个立柱11之间固定连接。所述立柱11和横梁12均由不低于Q345的钢材制成，其表面涂装有防腐材料。

[0074] 优选的，于试样上设有固定的反力地板或设备台座，所述立柱11的柱脚通过抗拉锚栓连接于该反力地板或设备台座上。

[0075] 所述作动器21于每个所述横梁12的底部至少设有两个，对称安装于所述横梁12的两端，为液压装置或伺服电机装置，单个作动器21的最大载荷不低于500KN。

[0076] 如图3、4所示，所述加载单元2还包括设于所述作动器21输出端的加载横梁22、设于所述加载横梁22下方的加载竖梁23以及设于所述立柱11侧面的导向座24。其中，所述加载横梁22和横梁12的对应位置上均设有两个安装座，该安装座上设有销轴，所述横梁12上的安装座与作动器21的固定端之间转动连接，所述加载横梁22上的安装座与作动器21之间转动连接，在加载横梁22上出现非竖向受力时，通过作动器21两端的安装座旋转，以消除水平方向的力，使其在加载横梁22上输出的力为稳定的竖向力。所述加载竖梁23成对使用，平行横跨于多个加载横梁22之间，与多个加载横梁22之间均采用固定连接。每个加载竖梁23的底部均沿长度方向还设有加载轨道26，所述加载轨道26为直线轨道，其底部设有凸起，由不低于Q345的钢材制成，表面抛光处理且涂装有防腐涂料，防止其在受力时发生弯折影响实验的效果。所述导向座24于每个竖直反力架1的两个立柱11相向的一侧各设一组，每组导向座24包括两个对向设置限位板，该限位板沿竖向固定于所述立柱11上，两个限位板之间留有间隙作为导向通道，该导向通道的宽度与所述加载横梁22宽度相同，所述加载横梁22的两端设于两侧立柱11上的导向通道内，其在该导向通道沿竖直方向移动。

[0077] 如图5所示，所述模拟车载组件25设于加载竖梁23底部，包括车体251，设于所述车体251底部的轮轴252、设于所述轮轴252上的加载轮253、设于所述车体251顶部的导向轮254以及设于所述车体251两侧的辅助轮255。其中，所述车体251为板状结构，其底部设有加载轮安装座，顶部设有导向轮安装座，两侧设有辅助轮安装座，轮轴252设于加载轮安装座、导向轮安装座以及辅助轮安装座上。所述加载轮安装座设有至少四个呈方形阵列排列，所述加载轮253通过轮轴252安装于加载轮安装座上，且所述加载轮253与试件表面接触，确保在竖向加载时加载轮253的均匀受力，对试件表面保持竖直加载不产生偏角。所述导向轮安装座于所述车体251的顶部四角各设一个，其宽度方向的位置与所述加载轨道26的位置对应，所述导向轮254通过轮轴252安装于该导向轮安装座上，其表面沿周向设有凹槽，该凹槽的宽度与所述加载轨道26的凸起相同，二者之间形成配合。所述辅助轮安装座于车体251的两侧各设置两个，所述辅助轮255也通过轮轴252安装于辅助轮安装座上。

[0078] 优选的，所述加载轮253为充气轮胎、实心橡胶轮胎或钢板加强实心橡胶轮胎，其与试样之间的压强维持在0.7MPa～5MPa之间。

[0079] 优选的，所述加载轮253、导向轮254以及辅助轮255的连接位置均设有轴承，以减小轮轴252的磨损。

[0080] 如图6所示，所述立柱11的底端与导向座24同侧还设有承载台，所述往复运动单元3包括设于该承载台上的水平反力架31、设于所述水平反力架31上的电机安装架32以及设于所述电机安装架32上的直线电机33。其中，所述水平反力架31为长方形框架，其以高强度螺栓固定连接于承载台上，夹于每个所述竖直反力架1的立柱11之间，由不低于Q345的钢材制成，该钢材为工字型或方形截面，表面涂装有防腐材料。所述水平反力架31两端沿宽度方向的横板内侧均设有防撞块，该防撞块为橡胶材质；两侧沿长度方向的竖板内侧设有导向辅助条，该导向辅助条为光滑的刚性材料制成。所述电机安装架32沿水平反力架31的长度方向横跨该水平反力架31，两端固定于该水平反力架31沿宽度方向的横板上，且固定位置的中心部分设有镂空，该镂空位置两端连通，作为安装位。所述直线电机33安装于该电机安装架32的电机安装位中，其输出端与所述车体251的两端连接，连接处也通过转动连接。所述车体251两侧的辅助轮255与水平反力架31内侧的辅助条接触，在直线电机33带动模拟车载组件25往复移动时，辅助其不产生偏移。

[0081] 所述直线电机33还包括直线磁轨和动子，所述直线磁轨固定于电机安装架32上，所述动子与车体251两端转动连接。

[0082] 本试验装置还包括环境加载系统，用于在进行路面铺装加速疲劳试验时对其进行环境加载，包括框架、围护、加热模块以及示警装置，所述加热模块包括加热风机和热传感器。其中，所述框架为不低于Q235的角钢或方钢材料制作，外部涂装有防腐材料，框架上还设有其他设备的结构。所述围护为透明的高分子材料薄膜，连接于所述框架与室内地坪之间，且连接处为密封连接防止与外界的空气接触。所述加热风机设于框架上，其出风口对准路面铺装试件的位置，且该加热风机设有多个，确保实验区域温度的均匀稳定，实验的温度控制在55‑65℃之间。所述热传感器为热电偶传感器，设于路面铺装试件中，用于检测试验过程中路面铺装的温度，以反馈信息对热风机的功率进行调节。所述示警装置为声光报警装置，其还连接有显示屏，且其信号输入端还连接有温度传感器，该温度传感器与设于框架围成的实验环境中，当实验环境中空气及钢结构表面温度高于40℃时报警，避免作业人员操作时烫伤。

[0083] 优选的，由于路面铺装或钢桥面板表面不可避免存在不平整，模拟车载组件在试件表面行走时存在一定的荷载不均匀现象，在所述作动器21的输出端还设有力传感器，试件中埋设有应变传感器，通过该力传感器和应变传感器监测到的不平衡信息，对作动器21输出的载荷进行调节。同时，在实验过程中，通过改变作动器21输出的载荷，以模拟不同自重的车辆。

[0084] 优选的，钢桥面板疲劳试验中单轮荷载最高200kN，等效频率0.13Hz，日工作12小时，可在90天内完成200万次有效加载；路面铺装加速疲劳试验中单轮荷载最高200kN，等效频率0.54Hz，日工作12小时，可在220天内完成1000万次有效加载。

[0085] 所述环境加载系统还包括加湿模块，用于周期性补充路桥面铺装试件表面的水分，其为由多个喷头组成的喷头阵列。

[0086] 如图7、8所示，本试验装置还包括设于所述模拟车载组件25上的阻力模拟单元4，所述阻力模拟单元4包括发条弹簧41和棘轮42。其中，所述发条弹簧41的一端与加载轮253，另一端连接于所述棘轮42上，所述棘轮42设于车体251上。且以所述模拟车载组件25在加载轨道26中间的位置为起始位置，其到所述加载轨道26的一端为最大位移位置，所述模拟车载组件25在起始位置时，发条弹簧41处于原长状态，棘轮42处于放松状态。所述模拟车载组件25从起始位置移动到最大位移位置的过程中，所述棘轮42扣紧、发条弹簧41伸长产生张紧弹力，导致加载轮253的扭矩阻力越来越大；所述模拟车载组件25从最大位移位置移动到起始位置的过程中，所述棘轮42松脱、发条弹簧41快速放张，不对加载轮253施加额外的扭矩阻力。

[0087] 试验过程中作动器21对加载轨道26施加竖向压力，模拟车载组件25顶部与加载轨道26接触，将竖向压力传导到路桥面铺装试件，在竖直向下方向施加超过加载车体自重的有效压力，令试件累积竖向的压缩疲劳损伤；加载车体从起始位置移动到最大位移位置过程中，阻力模拟单元4对加载轮253施加额外的扭矩阻力，由于加载轮253是从动轮，使其与路桥面铺装之间的静摩擦力增大，令试件累积水平向的剪切疲劳损伤和表面磨耗损伤。

[0088] 本试验装置还包括监测系统和控制系统。所述监测系统包括传感器组件、三维激光扫描仪、红外相机以及光纤传感器。所述传感器组件设于所述模拟车载组件25、环境加载系统中，包括力传感器、位移传感器、加速度传感器、温度传感器以及湿度传感器。所述三维激光扫描仪用于检测试件平整性的劣化情况，该劣化情况包括车辙、鼓包以及推移。所述红外相机用于检测试件表面的开裂渗水情况。所述光纤传感器为OFDR光纤传感器，该光纤传感器应用光频域反射技术实现，布设成多层正交网络预埋于试件中，用于测定试件的不同层级的相对滑移情况。

[0089] 所述控制系统用于控制加载单元2、环境加载系统、阻力模拟单元4和监测系统的运行。

[0090] 实施例2

[0091] 如图9所示，所述阻力模拟单元4包括刹车结构43，所述刹车结构43采用伺服控制，其内部设有刹车片，刹车片设于轮轴252外周。以所述模拟车载组件25在加载轨道26中间的位置为起始位置，其到所述加载轨道26的一端为最大位移位置，所述模拟车载组件25在起始位置时，刹车结构43处于放松状态。所述模拟车载组件25从起始位置移动到最大位移位置的过程中，刹车片闭合，对加载轮253施加恒定的刹车扭转阻力；所述模拟车载组件25从最大位移位置移动到起始位置的过程中，刹车片松开，不对加载轮施加额外的扭矩阻力。

[0092] 加载过程按照水平方向的运动状态，分为正向匀加速运动，正向匀速运动，正向匀减速运动，反向匀加速运动，反向匀速运动，反向匀减速运动6个阶段进行控制，其中正向、反向的匀速阶段对应试件的受测试段。

[0093] 实施例3

[0094] 所述阻力模拟单元4包括阻尼器44，所述阻尼器44为电涡流阻尼器，通过对电磁铁通电提供稳定的扭矩，为加载轮253提供阻力。以所述模拟车载组件25在加载轨道26中间的位置为起始位置，其到所述加载轨道26的一端为最大位移位置，所述模拟车载组件25在起始位置时，阻尼器44处于断电状态。所述模拟车载组件25从起始位置移动到最大位移位置的过程中，阻尼器44通电，对加载轮253施加恒定的阻尼扭矩；所述模拟车载组件25从最大位移位置移动到起始位置的过程中，阻尼器44断电，不对加载轮253施加额外的扭矩。

[0095] 加载过程按照水平方向的运动状态，分为正向匀加速运动，正向匀速运动，正向匀减速运动，反向匀加速运动，反向匀速运动，反向匀减速运动6个阶段进行控制，其中正向、反向的匀速阶段对应试件的受测试段。

[0096] 实施例4

[0097] 如图10所示，本发明实施例提供一种路面铺装疲劳‑磨耗‑湿热的轮压式试验装置的使用方法，包括以下步骤：

[0098] S100、在实验场地安装模拟试验的试件，布置有效的临时支撑，于临时支撑上安装实验装置，安装完成后拆除临时支撑；

[0099] S200、通过预设的疲劳实验需求，对实验装置的各项功能分别进行单体测试和联动测试，确保装置正常使用；

[0100] S300、按照提高环境温度、作动器21施加额外荷载、驱动模拟车载组件25的顺序启动装置，开始实验；

[0101] S400、实验过程中，需短时间观察或监测人员临时离开时，暂停实验装置的各动作；

[0102] S500、实验完成后，按照驱动模拟车载组件25减速停止、作动器21卸载、环境降温的顺序停止装置，终止试验。

[0103] 如图11所示，步骤S200具体为：

[0104] S201、不启用作动器21加载以及环境加载功能，由慢到快逐渐提高模拟车载组件25的速度，直至模拟车载组件25达到设计加载速度并沿加载轨道26通长完成不小于十周期往复，通过目视和传感器数据检验驱动确保稳定运行，无异响或异常振动；

[0105] S202、不启用环境加载功能，将模拟车载组件25依次移动到加载横梁22跨中、1/4跨、3/4跨以及两个端点，逐渐增加作动器21压力，直至达到试验荷载，通过传感器数据检验加载系统确保稳定运行，无不平衡荷载情况，传感器无失效情况；

[0106] S203、当进行路面铺装加速疲劳试验时，检验环境加载系统的效果，不启用往复运动单元3以及作动器21，按照设定温度向试件施加热风，直至温度达到60℃，过程中检查围护与框架、地面接缝确保无漏气现象。

[0107] 如图12所示，步骤S300具体为：

[0108] S301、提高环境温度到60℃并稳定30min，确保期间环境温度波动不超过±5℃；

[0109] S302、以不超过50kN/min的速度同步增加作动器21推力，直到达到设计试验荷载，持荷15min；

[0110] S303、启动直线电机33，带动模拟车载组件25进行往复式运动，进行试验过程的记录。

[0111] 步骤S400具体包括：

[0112] S401、试验过程中需短时间暂停进行观察时，只将模拟车载组件25的速度降低为0，并将模拟车载组件25移动到加载轨道26跨中后进行，此时应维持作动器与环境荷载不变；

[0113] S402、在试验过程中值班人员需要离开时，执行长时间暂停流程，按照模拟车载组件25减速静止、作动器21卸载的顺序操作。

[0114] 步骤S402中，若开展的是路面铺装的加速疲劳破坏试验，应维持环境温度不变，避免出现温度应力的影响。

[0115] 如图13所示，步骤S500具体为：

[0116] S501、控制直线电机33驱动减速，直到模拟车载组件25速度降低为0，并将模拟车载组件25移动到加载轨道26跨中；

[0117] S502、以不超过50kN/min的速度同步卸载作动器21，直到加载轨道26与模拟车载组件25导轨轮脱空；

[0118] S503、停止加热，等待环境温度降低到室温或通过换气扇加速降温过程。

[0119] 在实验过程中，需维持实验的正常运行和安全，执行以下标准：

[0120] a.当模拟车载组件25处于非静止状态时，不允许靠近与触摸试验装置；

[0121] b.当环境加载系统的警示装置亮起时，不允许进入围护范围内；

[0122] c.当模拟车载组件25处于静止状态，但作动器21未卸载时，允许在安全距离观察试件，但不应有扰动作动器21、加载横梁22、试件的行为。

[0123] d.轮压加速试验过程中，应保持至少一人值班对试验过程的传感器和设备反馈读数进行监控，当在试验过程中有需要靠近试验系统进行观察时，应保持至少两人值班，且其中至少一人保持在安全距离以外。

[0124] 实施例5

[0125] 如图14所示，本发明实施例提供一种路面铺装疲劳‑磨耗‑湿热的轮压式试验方法，包括以下步骤：

[0126] T100、通过理论分析和小样试验确定试验的参数，并确定试验循环次数，试验过程以天为周期进行管理；

[0127] T200、在每天开始试验前，检查路面铺装温度，调整加热模块输出功率确保试件表面温度达到55‑65℃之间，通过加湿模块将水喷洒到试件表面，直至试件的试验段表面完全湿润；

[0128] T300、启动装置对试件的表面进行耐久性能试验；

[0129] T400、完成一个周期的加载后，光纤传感器以50Hz的频率进行采样，并在试验荷载下额外进行10个循环的加载，通过光纤传感器数据插值生成不同深度的桥面铺装应变云图，计算各层级之间的滑移情况；

[0130] T500、将模拟车载组件25复位到起始点之后，停止装置的运行，以红外相机固定点位拍摄试件表面，记录试验段试件表面的渗水情况，以激光扫描固定点位采集试件的平整度变化情况，按照加载日期记录数据；

[0131] T600、结束一个周期的试验后，检查所有设备均处于正常状态，保证加热模块持续工作，其余设备均断电；

[0132] T700、对当日试验模拟车载组件25、环境加载系统中传感器记录的数据进行检验，若数据与试验方案的相对值超出10％，对装置进行检修，排除问题后再开展后续的试验；

[0133] T800、每进行十个周期的试验，检查和评估加载轮253的轮胎磨损情况、轮轴252的轴承润滑情况，若有明显损耗，及时替换或补充，并进行相应记录。

[0134] 如图15‑17所示，阻力模拟单元4采用发条弹簧41和棘轮42组合时，不对阻力模拟单元4进行控制，但由于转动阻力会随着加载车辆位置改变，需要对往复驱动力进行相应的控制，控制周期过程中各阶段的力如图中所示。

[0135] 如图18‑21所示，阻力模拟单元4采用刹车结构43或阻尼器44时，需要对阻力机构进行控制，在正向的匀速阶段提供恒定的水平制动力，控制周期过程中各阶段的力如图中所示。

[0136] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。