板式橡膠支座的智能化研究

田岳松，吳輝琴，胡強，李偉釗，劉顯暉，陳俊先，顧南榮，趙輝

摘? 要：普通橡膠支座的健康監(jiān)控通常采用定期人工檢測法，需要大量人力物力，無法實現(xiàn)支座維護的耐久性.因此，有必要設(shè)計一種智能化支座實現(xiàn)對橋梁支座工作狀態(tài)實時監(jiān)測.通過在普通板式橡膠支座的基礎(chǔ)上布設(shè)智能傳感器，設(shè)計出一種用于監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)工作狀況的新型智能板式橡膠支座.為確認(rèn)智能傳感器對支座工作狀態(tài)的評定作用的實效性，采用智能支座模擬實際受力狀態(tài)，開展常態(tài)下軸壓試驗，檢測支座測試鋼板應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)及上頂鋼板變形數(shù)據(jù)等.結(jié)果表明：支座受力特征與實際支座受力狀況相吻合，由此說明智能支座能很好地反饋支座實時工作狀態(tài)，從一個側(cè)面實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)控，達(dá)到支座智能化設(shè)計要求.

關(guān)鍵詞：板式支座;智能化設(shè)計;軸壓試驗;鋼板應(yīng)力-應(yīng)變;鋼板變形;實時監(jiān)測

中圖分類號：U443.361? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.04.0010

0? ? 引言

板式橡膠支座因其構(gòu)造簡單、用鋼量少、價格低廉、加工制作方便、便于安裝等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用[1-4].但支座在使用時會有橡膠支座脫空、老化、外鼓變形等損壞現(xiàn)象發(fā)生[5-8].嚴(yán)重時甚至?xí)饦蛄菏鹿剩斐山?jīng)濟損失和危害人民生命財產(chǎn)安全，因此，研究一種新型智能化橡膠支座實現(xiàn)對橋梁運營狀態(tài)實時監(jiān)測很有必要.

本文針對梁橋結(jié)構(gòu)中常用的板式、盆式和球型橡膠支座的健康監(jiān)控問題，設(shè)計并研制相應(yīng)的新型智能化支座，開展支座力學(xué)性能試驗研究，觀測支座受力狀態(tài)下對支座的智能化進(jìn)行評估，以此評判支座智能的合理性.以板式橡膠支座為研究對象，開展智能支座裝置的研制.

國內(nèi)外關(guān)于橡膠支座智能化研制和力學(xué)性能監(jiān)測方面的研究較少，更多的是對橡膠支座性能的研究[9-11].目前橋梁支座的監(jiān)測主要通過傳統(tǒng)的手工和目測的方法進(jìn)行，由于墩臺較高，而且梁、板與墩臺之間的凈空很小，檢測工作不僅非常不便，而且具有一定的危險性.最主要的是這種檢測方法無法確定支座的實際工作性能，也無法監(jiān)測支座的受力情況及橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況[12-14].為解決現(xiàn)有橋梁檢測技術(shù)在橡膠支座監(jiān)測的局限性，擬在橡膠支座內(nèi)部設(shè)置支座力學(xué)性能測試裝置，形成智能板式橡膠支座，開展軸心受壓試驗，研究智能支座的可行性和優(yōu)化問題.

1? ? 板式橡膠支座智能化設(shè)計

1.1? ?普通板式橡膠支座的構(gòu)造

本文所研究的普通板式支座原型來自本項目合作企業(yè)生產(chǎn)的GBZYH300×65（NR）型號橋梁圓形滑板橡膠支座，支座設(shè)計依據(jù)《公路橋梁板式橡膠支座》（JT/T 4—2019）[15]標(biāo)準(zhǔn).橡膠為天然橡膠，用IRHD國際橡膠硬度計實測硬度為62.支座構(gòu)造由上頂鋼板、聚四氟乙烯板、內(nèi)部承壓橡膠板、中間鋼襯板、下底鋼板組成，支座內(nèi)部的承壓橡膠板與中間鋼襯板經(jīng)高溫高壓硫化成整體.上頂鋼板、下底鋼板均為厚15 mm、邊長400 mm的Q235方形鋼板，中間圓形橡膠支座直徑為300 mm、高63 mm.具體構(gòu)造見圖1.

1.2? ?智能板式橡膠支座的設(shè)計

根據(jù)支座的力學(xué)行為監(jiān)控要求，本設(shè)計擬采用橡膠支座內(nèi)部設(shè)置應(yīng)變測試傳導(dǎo)裝置，支座上頂鋼板設(shè)置位移傳輸裝置的方式來解決支座力學(xué)行為智能監(jiān)控問題;測試裝置的布置是否合理可以通過模擬受壓試驗，測試支座的實際受力性能來驗證，即通過采集上頂鋼板豎向變形數(shù)據(jù)、測試支座應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)等研究橡膠支座智能化設(shè)計的合理性.

1）傳感器的優(yōu)選.常用的變形、應(yīng)力應(yīng)變測試的傳感器種類繁多，包括光纖光柵、電阻應(yīng)變片等.光纖光柵傳感器可以實現(xiàn)對溫度、應(yīng)變等物理量的直接測量，但光纖光柵波長同時對溫度、應(yīng)變敏感，若溫度與應(yīng)變同時引起光纖光柵耦合波長移動，則通過測量光纖光柵耦合波長移動就無法對溫度與應(yīng)變加以區(qū)分，所以未選用光纖光柵傳感器測試橡膠支座的力學(xué)效應(yīng)，而選用簡單而又適用的電阻應(yīng)變片傳感器.

2） 傳感器的布置.硫化后的支座內(nèi)部無法直接粘貼應(yīng)變片觀察支座內(nèi)部受力狀況，為此設(shè)計一測試鋼板，先將應(yīng)變片固定在測試鋼板上，設(shè)法在支座制作時就安放在支座中部，實現(xiàn)使用實時測試功能.考慮測試結(jié)果的靈敏性和美觀性，測試鋼板材料采用O6Cr17Ni12MO2不銹鋼，直徑為290 mm，厚度為3 mm，位置鑲嵌在橡膠支座中間高度層，見圖2.

3）測點布置.測試鋼板上應(yīng)變片的位置是確定測試效果的關(guān)鍵點.設(shè)計在測試鋼板上開槽，將應(yīng)變片粘貼在凹槽內(nèi)，并采用封膠保護應(yīng)變片，應(yīng)變片的數(shù)量、位置要綜合考慮支座直徑、測點深度等因素.測試鋼板中心O和邊緣處受多種因素干擾，不能很好地反映支座實際受力狀態(tài).同時，為消除測試誤差盡可能保持?jǐn)?shù)據(jù)客觀性應(yīng)對稱布置.因此，選擇8個應(yīng)變片（環(huán)向和徑向各4個）對稱布置居中（凹槽內(nèi)半徑145 mm，外半徑165 mm）的環(huán)向圓凹槽內(nèi)，測點編號見圖3.徑向應(yīng)變片沿逆時針方向編號為1、2、3、4，環(huán)向應(yīng)變片沿逆時針方向編號為A、B、C、D，它們分別采集測試鋼板沿徑向應(yīng)變和沿環(huán)向的應(yīng)變數(shù)據(jù).為測試豎向壓縮變形，在鋼頂板上對稱布置4個百分表（據(jù)鋼板邊緣? ? ? ? ? ?30 mm），沿順時針方向編號為甲、乙、丙、丁，位置見圖4.

1.3? ?智能板式橡膠支座工作原理

板式橡膠支座憑借橡膠的超彈性性能來實現(xiàn)梁的豎向變形，以橡膠塊的剪切變形來保證梁的水平位移，但它無法實時反饋支座的受力工作性能.智能板式橡膠支座通過電阻應(yīng)變片、位移傳感器等敏感元件在支座中的合理布設(shè)，來測量支座應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)，以此反映橋梁工作狀態(tài).

2? ? 智能板式橡膠支座抗壓試驗設(shè)計

橋梁支座的主要功能是將橋梁結(jié)構(gòu)的線荷載集中傳遞到下部結(jié)構(gòu)，因此，其正常工作是以傳遞壓力、釋放彎矩和剪力為主.為此設(shè)計橡膠支座的軸心受壓試驗，測試支座的豎向變形、支座內(nèi)部的應(yīng)變，研究支座智能化的方案可行性和優(yōu)越性.

2.1? ?軸心受壓試驗設(shè)計

依據(jù)國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁板式橡膠支座》（JT/T 4—2019），設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)件開展支座軸心受壓試驗，通過試驗觀測支座變形、測試鋼板應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，研究分析支座智能化方案的可行性.軸心受壓試驗所需儀器包括5 000 kN微機控制四柱壓力試驗機（圖5）、DH3816N靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試分析系統(tǒng)、百分表等.施加豎向荷載前應(yīng)連接應(yīng)變片與靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，安裝采集軟件并調(diào)試，同時安裝智能板式橡膠支座、壓力傳感器，應(yīng)保證鋼板中心線、支座中心線以及壓力傳感器中心線對齊，校對4只對稱安置在承載板四角的百分表（圖5）.

2.2? ?加載制度

加載程序包括預(yù)壓、正式加載、卸載3個過程，實驗加載和卸載的速率均為0.3～0.5 kN/s，加載等級為100 kN/級，支座設(shè)計的最大荷載為? ? ?660 kN.具體加載操作如下：

1）預(yù)壓? 將壓力以規(guī)定速率連續(xù)增加壓力至設(shè)計值660 kN，持續(xù)荷載2 min，然后卸載至0，持續(xù)荷載5 min，記錄初始值;

2）正式加載? 將壓力按規(guī)定速率以標(biāo)準(zhǔn)值? ? 100 kN分級加載，每級持續(xù)荷載2 min后，采集支座豎向變形值、鋼板應(yīng)變值，最終加載至600 kN;

3）卸載? 將壓力按規(guī)定速率分級卸載，每級荷載為100 kN，持續(xù)荷載2 min，采集支座豎向變形值、鋼板應(yīng)變值.

每次循環(huán)加載、卸載后，停留10 min，再進(jìn)行下一輪加載循環(huán)，共加載6次.

3? ? 受壓試驗觀測與分析

3.1? ?試驗現(xiàn)象

1）外觀：隨著荷載逐級增加，能輕微聽到橡膠支座中間鋼襯板被擠壓變形的聲音，荷載增至? 350 kN左右，支座外層橡膠出現(xiàn)數(shù)條輕微環(huán)狀凸起（圖6），荷載增加至600 kN環(huán)狀凸起明顯;在卸載階段，隨著荷載減小環(huán)狀凸起逐漸消失，卸載至220 kN左右環(huán)狀凸起完全消失.從整體上來看，支座本體無鼓包現(xiàn)象，形態(tài)保持完好.

2）豎向位移：通過百分表觀測支座豎向變形，得到6組（為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，重復(fù)進(jìn)行6次試驗）變形觀測值，綜合分析6次試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1.

3）鋼板的應(yīng)力應(yīng)變：通過靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試分析系統(tǒng)測出6組（為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，重復(fù)進(jìn)行6次試驗）應(yīng)變數(shù)據(jù)，綜合分析6次試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2.

3.2? ?試驗結(jié)果分析

3.2.1? 變形觀測分析

將4個百分表6次測得各級荷載作用下的支座豎向壓縮變形值取平均值，作為4點在各級荷載作用下的變形代表值;再將4點在各級荷載作用下的甲、乙、丙、丁4點變形代表值取平均值，得到支座在各級荷載作用下的豎向變形代表值.上述計算結(jié)果見表1.根據(jù)表1數(shù)據(jù)做出支座甲、乙、丙、丁4點變形隨荷載變化關(guān)系圖（圖7（a））和支座整體的荷載-變形關(guān)系曲線圖（圖7（b））.

由圖7可知，各點及支座整體的荷載-變形關(guān)系均呈線性，但在第一級荷載結(jié)束時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，且在第一級荷載（加載值在0～100 kN）下直線較陡.分析認(rèn)為主要是因為加載前試件各部分之間接觸尚不密貼，受力擠壓后，測出的變形變大引起的.此外，軸壓試驗卸載完成后存在極小的殘余變形，殘余變形均值為-0.150 mm，符合橡膠材料超彈性性能.

通過試驗發(fā)現(xiàn)百分表能測量支座豎向變形，進(jìn)而反映支座及橋梁工作狀態(tài).智能板式橡膠支座可以采用小型化智能位移傳感器代替百分表測量支座豎向變形，實現(xiàn)支座智能化要求.

3.2.2? ? 應(yīng)變分析

通過智能支座測試鋼板自設(shè)的8個應(yīng)變傳感器6次試驗，測試鋼板在各級荷載作用下的應(yīng)變值，取平均，得到支座環(huán)向和徑向在各級荷載作用下的應(yīng)變代表值，結(jié)果見表2.根據(jù)表2數(shù)據(jù)做出支座徑向測點1、2、3、4和環(huán)向測點A、B、C、D的荷載-應(yīng)變關(guān)系圖，見圖8;根據(jù)表2數(shù)據(jù)做出支座整體的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線，見圖9.

根據(jù)表2數(shù)據(jù)和圖8分析結(jié)果可知，徑向應(yīng)變隨荷載增大基本呈曲線變化，而環(huán)向應(yīng)變隨荷載增大呈線性變化.在軸壓加載方式下，力由鋼板圓心向邊緣以環(huán)狀輻射形式擴展，同一半徑處鋼板受力、變形一致.所以，環(huán)向荷載-應(yīng)變曲線符合板式橡膠支座性能的要求，能反映支座及橋梁的工作狀態(tài).

分別觀察荷載-平均徑向應(yīng)變曲線、荷載-平均環(huán)向應(yīng)變曲線、荷載-平均豎向變形曲線.荷載-平均環(huán)向應(yīng)變函數(shù)相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.999時，呈明顯線性相關(guān)趨勢.通過監(jiān)測鋼板環(huán)向應(yīng)變能夠較好地反映荷載，即梁橋豎向反力的變化情況，從而判斷支座及橋梁的工作狀態(tài).

4? ? ?結(jié)論

1）智能板式橡膠支座是在普通板式橡膠支座的基礎(chǔ)上布設(shè)智能傳感器，用于監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)工作狀況的新型支座.該智能化設(shè)計能滿足監(jiān)控支座及橋梁工作狀態(tài)的要求.可以進(jìn)行綜合測試，嘗試進(jìn)行支座硫化研究，將測試鋼板內(nèi)置于支座本體內(nèi)，采用小型的位移傳感器代替位移計用于支座產(chǎn)品，以更好地實現(xiàn)支座產(chǎn)品智能化.

2）支座豎向壓縮變形隨荷載增減呈線性變化，測試鋼板環(huán)向荷載-應(yīng)變關(guān)系呈線性規(guī)律.以上規(guī)律說明該智能支座性能良好.通過支座豎向變形、測試鋼板環(huán)向應(yīng)變來反映橋梁在荷載作用下的工作狀態(tài)，保障橋梁安全.

3）智能支座仍有廣闊的發(fā)展方向和巨大的發(fā)展?jié)摿?在智能板式橡膠支座方向，可以增加測力傳感器、傾角傳感器等，以實現(xiàn)板式橡膠支座更多智能化要求.此外，還可以對球型支座、盆式支座開展智能化研究.

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Research on intelligentization of plate rubber bearing

TIAN Yuesong， WU Huiqin*， HU Qiang， LI Weizhao， LIU Xianhui， CHEN Junxian，

GU Nanrong，? ZHAO Hui

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract：The health monitoring of ordinary rubber bearings usually uses regular manual inspection methods， which requires a lot of manpower and material resources， and the durability of the support maintenance cannot be achieved. For this reason， we design an intelligent bearing to realize real-time monitoring of the working status of the bridge bearing. The intelligent? plate rubber bearing designed in this paper is a new type of bearing that is used to monitor the working condition of the bridge structure by laying intelligent sensors on the basis of the ordinary plate rubber bearing. In order to confirm the? effectiveness of the smart sensor's evaluation of the working state of the support， the smart support is used to simulate the actual stress state， and the normal axial compression test is carried out to detect the internal steel plate stress， strain data， and top steel plate deformation data of the support. The results show that the force characteristics of the support are consistent with the? actual force status of the? support， which shows that the intelligent support can provide a good feedback on the real-time working status of the support， realizing the health monitoring of the bridge structure from one side， meeting the design requirements for intelligentization of the support.

Key words：plate bearing; intelligent design; axial compression test; steel plate stress and strain; steel plate deformation; real-time monitoring

（責(zé)任編輯：羅小芬）