支座測力調力及集群采集技術應用探索

劉志東，仇繼好，李坤

（柳州東方工程橡膠制品有限公司，廣西 柳州 545000）

支座是連接上下部結構的重要部件，能將上部結構的恒載、活載和變形（位移和轉角）可靠地傳遞給下部結構。球型支座具有承載力大、轉角靈活且各向轉動性能一致的優(yōu)點，因此，被日益廣泛地運用到各類公路、鐵路、城市橋梁及建筑結構中。近幾年交通的快速發(fā)展，橋梁的建設與維護已經步入新的階段，同時，人們對橋梁安全性倍加關注，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應運而生，支座的受力監(jiān)測是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵組成部分，本文探究測力調力支座技術具有重要意義。

1 傳統(tǒng)球型鋼支座的基本情況

傳統(tǒng)的球型支座沒有測力功能，在使用過程中無法檢測支座的受力狀況、讀取支座的豎向承載力，無法準確了解結構各截面的內力分布情況，無法對橋梁設計理論的可靠性和設計方法的合理性作出驗證，給支座的維護及結構監(jiān)測帶來了很大的不便。當球型支座在運營過程中出現異常時，不能直觀檢測到支座的受力狀況，從而無法判斷橋梁上部結構的運營狀態(tài)，不利于及時監(jiān)測和評估橋梁結構的健康狀況。

當由于軟土地基上的墩臺基礎不均勻沉降，張拉后產生的微量變形，梁體結構支撐墊石標高難以避免的施工誤差等因素導致橋梁支座承壓不均勻現象，將會改變上下部結構的受力狀態(tài)，當發(fā)現支座受力異常或卸載脫空時，給結構的安全性帶來了隱患。

2 支座測力調力及集群采集技術

2．1 測力調力支座

測力調力支座同時將調力技術和光纖光柵測力技術集為一體，可實現力值進行調整并可對支座受力進行實時監(jiān)測的球型支座產品，具備對支座受力情況實時監(jiān)測和傳輸功能，當監(jiān)測到支座受力不均勻度或地基沉降超過設計容許值時，可以對支座進行調力，以使支座的受力重新達到合理范圍內，能減少因受力不均勻對梁體及墩部造成的損傷。測力調力支座根據其原理在球型支座上設置有光纖光柵測力模塊及支座調力系統(tǒng)。光纖光柵測力模塊與支座外圍的解調儀通過光纜連接，當支座受到豎向承載力時，光纖光柵測力模塊能準確感知壓應力并傳輸到解調儀上顯示出來。調力系統(tǒng)包括支座內部調力系統(tǒng)和外部加注設備調力系統(tǒng)，支座內部調力系統(tǒng)調力層，調力層包括密封板、調力填充墊板、調力填充管道及進出通道內螺紋預留孔，密封板的周邊與容納腔的側壁密封貼合，調力填充墊板設置在對應調力層的密封板的下方，調力填充墊板的頂面與密封板的底面貼合，調力填充墊板內設置調力填充管道，進出通道內螺紋孔設置在容納腔的側壁，調力填充管道與進出通道內螺紋相連，外部加注設備調力系統(tǒng)通過進出通道內螺紋孔與調力填充管道連通。

測力調力支座其關鍵在于在確保支座承載力、水平力、轉角、位移等性能情況下將測力構造和調力系統(tǒng)設計組合與支座結構集成一體，調力采用雙組份填充材料，為防止雙組份填充材料凝固后將把原有的管道結構堵塞，避免無法進行后續(xù)的調力，確保調力球型支座的多次調力功能的正常進行力值調整，將每次調力設計成多腔體多管道相互獨立結構，采確保每次調力結構互不干涉，前次調力后對其他的調力結構不產生影響，保證了后續(xù)調力的填充管道及密封圈不受影響，確保每次調力的可行性。測力調力支座滿足橋梁支座性能使用要求，也是一種大負荷傳感器，可對作用在支座上的載荷進行監(jiān)測讀?。煌瑫r，也是一種大噸位的“千斤頂”，可在持荷狀態(tài)下對支座的受力進行調整。

2．2 支座數據集群采集技術

支座數據集群采集系統(tǒng)是一個以測力支座為核心部件、以數據自動采集模塊和遠程數據傳輸模塊為輔助設備，借助現代通信網絡和遠程監(jiān)測平臺組成的支座測力監(jiān)測聯(lián)網系統(tǒng)。支座測力系統(tǒng)由光纖光柵測力模塊、光纖光柵解調儀、有線或無線傳輸裝置和供電系統(tǒng)等設備組成。安裝在不同橋墩位置的多個或單個支座上光纖光柵測力模塊通過感知測力彈性體的壓應力變化輸出壓力波長信號輸送到解調儀上，解調儀經過對波長信號分析計算，經無線網絡或有線網絡實現遠距離傳輸發(fā)送至終端設備，終端設備接收數據、分析及處理后直觀顯示支座實際荷載并與支座正常使用荷載進行對比，同時，結合數據采集技術，實現數據采集和分析保存等的自動化，出現異常時進行報警，實現遠距離對支座載荷進行監(jiān)測。

2．3 支座測力調力及集群采集技術特點

（1）支座實現無極調力功能：通過外接設備注入填充材料使支座力值發(fā)生變化，無須將梁體頂升后再調整，支座可在額定承載下實現載荷調力，同步動態(tài)測力、調力，根據梁體受力情況，設定該點的調力目標，以調整受力力值達到預期。（2）全程監(jiān)測可控：在進行緩慢均勻支座調力過程中，整個調力工作有序可控，各類數據通過傳輸進行集中，統(tǒng)一指揮，全程可控效果。（3）采用光纖光柵測力元件光波信號變化檢測支座承載力，不需要提供電源，抗干擾能力強，內置溫度變化補償修正，可對使用該系統(tǒng)的所有橋梁的支座受力狀況實現集中監(jiān)測與管理。

3 支座測力調力及集群采集技術應用

某一跨江直塔斜拉橋主跨跨度：100+218+100米,主塔設計采用測力調力支座，以便對主塔支座的受力情況進行監(jiān)測，該橋設計采用塔梁固接體系，上部結構的重力和活載反力需經支座傳遞到橋墩，因此，設置的支座規(guī)格最大達到75MN。由于橋梁的施工周期較長，橋梁的上部構造需在支座安裝后才進行施工，為避免施工過程中損壞線路及測力系統(tǒng)，為了便于施工，在支座安裝時暫未布線安裝解調儀系統(tǒng)。結合施工進度制定在上部結構施工過程中某些施工節(jié)點進行人工數據采集方案，以便了解施工過程中上部載荷的變化，支座安裝后，及時對支座上的光纖光柵測力模塊進行置零，分別在主橋合攏前、主橋合攏后、布線（大型施工設備拆除）、索力調整后、鋪裝混凝土等節(jié)點對支座進行人工數據采集。調力測力支座設計完成后，按照相關規(guī)定嚴格遵守供貨檢驗規(guī)定，完成供貨安裝。結合實際施工進度，根據制定的人工數據采集方案，在相關節(jié)點到現場進行數據采集，記錄各采集時間、現場溫度及支座豎向承載力等數據。

從記錄的數據可知，合攏前后各單個支座受力變化不大，總載荷跟隨梁體重量的增加稍微增長，布線時已將橋面的大型施工設備拆除，各單個支座受力和總荷載隨梁體重量的減少而減少，調整索力后，梁體的受力點發(fā)生了變動，各個支座受力發(fā)生了相應的變化，但總荷載與布線時基本一致，橋面鋪裝混凝土后，增加橋面混凝土的重量，各單個支座受力和總荷載隨鋪裝混凝土的增加而增大。

施工完成對所有測力調力支座進行接線解調儀系統(tǒng)，借助通信網絡發(fā)送至遠程監(jiān)測平臺進行集群自動采集，實現了多點連續(xù)自動采集分析。支座現場不需提供電源，光纖光柵測力模塊內置溫度變化補償，消除了溫度變化引起的差異，早晚溫度變化對測力沒有影響，所有測力調力支座測出的總荷載與理論計算載荷基本一致，誤差小于3%，對支座受力狀況實現集中監(jiān)測與管理，為后期該橋梁健康運營、安全評估和科學管養(yǎng)提供了有效的科學依據。

4 結語

支座測力調力及集群采集技術創(chuàng)造性的將光纖光柵測力傳感技術、“千斤頂”持荷調整頂升技術與橋梁支座技術的有機結合成一體，借助現代通信網絡和遠程監(jiān)測平臺形成的支座載荷集群數據采集系統(tǒng)。該技術具有實時監(jiān)測支座的受力數據并對其進行處理、分析、保存、預警功能，可以反映橋梁結構施工質量，并可以準確了解結構各截面的內力分布情況，對橋梁設計理論的可靠性和設計的合理性作出驗證；通過監(jiān)測超靜定橋梁結構的支點反力，可準確、簡便地計算出超靜定橋梁結構的實際內力分布情況，并根據支點反力和結構內力的分布評估橋梁的支承狀態(tài)和及其受力的安全性。該技術為橋梁工程結構的健康運營、安全評估和科學管養(yǎng)提供有效的科學依據，使我國的橋梁工程的建設和智慧交通網發(fā)展具有良好的技術經濟效益。