球型支座測力系統(tǒng)設(shè)計及測力試驗分析

顧南榮 吳輝琴 劉顯暉 鄧年春 李偉釗 胡強 陳俊先 田岳松

摘? 要：在傳統(tǒng)管理模式中，橋梁結(jié)構(gòu)檢測一般采用定期檢測或發(fā)生特殊情況時再進行特殊檢測，這種模式存在局限性。為完善橋梁檢測系統(tǒng)，研制一種帶有測力系統(tǒng)的新型球型支座——測力球型支座，其融合支座監(jiān)測技術(shù)組合成智能支座系統(tǒng)，可實時監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)受力狀況。該球型支座測力系統(tǒng)通過在球型支座球冠鋼襯板上布設(shè)傳感器的方法，利用ABAQUS有限元軟件模擬分析支座在不同荷載下其局部位置的壓力值變化規(guī)律，并對該球型支座系統(tǒng)進行了測力試驗。數(shù)值模擬與試驗結(jié)果表明，該測力球型支座測力精度高、性能穩(wěn)定和重復(fù)性好，可用于橋梁豎向承載力的監(jiān)測，為測力支座的設(shè)計以及橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展和完善提供參考。

關(guān)鍵詞：測力球形支座;支座測力系統(tǒng);傳感器;有限元分析;橋梁監(jiān)測

中圖分類號：U443.362;TP274? ? ? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.02.005

0? ? 引言

近年來，橋梁垮塌的惡性事故時有發(fā)生，給人們的生命財產(chǎn)和安全造成巨大的損失和威脅。因此，對橋梁健康狀況進行實時監(jiān)測非常必要[1]。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)用于采集橋梁信息數(shù)據(jù)，是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要組成部分，但目前硬件系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時有偏差，導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)不夠完善。硬件系統(tǒng)的研究和發(fā)展是完善橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的重點[2-3]。

橋梁支座是連接橋梁上下部結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，通過監(jiān)測支座受力狀況來分析橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布狀態(tài)是一種很好的橋梁健康監(jiān)測手段[4]。支座測力系統(tǒng)是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中的一種常見的硬件系統(tǒng)，許多學(xué)者對支座測力系統(tǒng)有一定的研究和成果，但存在一些不足，導(dǎo)致能夠?qū)嶋H應(yīng)用的支座系統(tǒng)甚少。支座測力系統(tǒng)的研究對完善橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)具有重要意義，也具有一定的市場前景[5-6]。

關(guān)于支座測力系統(tǒng)的研究，鐵道部第四勘測設(shè)計院與交通部新津筑路機械廠通過在拉壓支座球面螺栓光桿周向均勻布置4組共8片應(yīng)變片的方法組成應(yīng)變測力系統(tǒng)，研制成球型拉壓（測力）支座[7];杜利澤[8]設(shè)計了光纖低相干測力傳感器，將光纖緊纏繞在支座上，通過感知變形來評估支座豎向承載力;劉志東等[9]采用光纖光柵傳感技術(shù)在支座上增加光纖光柵測力模塊制成測力支座系統(tǒng);鄭曉龍等[10-11]采用濺射薄膜傳感器和光纖傳感器，通過在支座上支座板與活塞之間用限位裝置固定一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)的水平測力元件，以及在活塞與下支座板之間設(shè)置一個圓餅狀結(jié)構(gòu)的豎向測力元件，研制成支座多向測力系統(tǒng)。

綜上所述，目前的支座測力系統(tǒng)主要采用光纖光柵傳感系統(tǒng)和應(yīng)變測力系統(tǒng)，其測量精度較高，且具有較高的靈敏度和測量范圍，但也存在一些 不足：

1）電阻應(yīng)變片的測量精度受溫度漂移影響;

2）光纖光柵傳感器和解調(diào)設(shè)備不便于現(xiàn)場調(diào)試，并且在測量應(yīng)變時需要進行溫度補償。

因此，區(qū)別于目前支座測力系統(tǒng)的類型，本文采用一種新類型的傳感器，通過對球冠鋼襯板進行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計并布設(shè)傳感器的方法，研制出一種新型的球型支座測力系統(tǒng)，組成測力球型支座，其連接采集系統(tǒng)形成可視化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。結(jié)構(gòu)設(shè)計僅對球冠鋼襯板作輕微改造，未改變支座整體構(gòu)造和外觀形狀，通過頂升更換球冠鋼襯板可實現(xiàn)測力球型支座的后期維護和更換。本文還利用有限元軟件分析了支座在軸壓荷載下的內(nèi)力變化情況，并通過測力試驗證明了其測力可行性，為測力支座的研發(fā)和橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展提供參考。

1? ? 球型支座測力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1? ?傳感器選取

傳感器的選取主要從量程、精度、重復(fù)性、遲滯性、耐壓性、耐久性以及傳感器體積大小等多方面考慮，選取紐扣式微型壓力傳感器和FlexiforceA201薄膜壓力力敏傳感器進行測力球型支座結(jié)構(gòu)設(shè)計。

紐扣式微型壓力傳感器是一種稱重傳感器，內(nèi)置有微型電阻應(yīng)變片，將電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?，通過接收支座局部豎向承載力來反映支座整體軸壓受力。FlexiforceA201薄膜壓力力敏傳感器是超薄型電阻式壓力傳感器，測力原理是施加在傳感器薄膜區(qū)域的壓力導(dǎo)致膜片產(chǎn)生形變，從而引起電阻值的變化，且壓力越大，電阻越低，以此獲得壓力信息。

1.2? ?支座測力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

測力球型支座所用普通球型支座的支座型號為QZ2.0SX，支座由上支座板、平面聚四氟乙烯滑板、球面聚四氟乙烯滑板、球冠鋼襯板和下支座板以及其他組件構(gòu)成，如圖1所示。

球冠鋼襯板是球型支座的核心，是球型支座主要承壓與轉(zhuǎn)動構(gòu)件[12]。球型支座測力系統(tǒng)是在普通球型支座基礎(chǔ)上，對其球冠鋼襯板采用了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計并布設(shè)了傳感器。球冠鋼襯板改造圖如圖2所示，共設(shè)計了2種開槽方式，布置了4個傳感器，開槽方式1和開槽方式2分別用于布置薄膜壓力力敏傳感器、紐扣式微型壓力傳感器，其中測點1、測點2分別布置了1#和2#紐扣式微型壓力傳感器，測點3、測點4分別布置了1#和2#薄膜壓力力敏傳感器。

傳感器封裝方式采用澆筑環(huán)氧樹脂進行填充。將傳感器放入球冠鋼襯板，開槽測點緊貼槽底，然后澆筑環(huán)氧樹脂膠水進行填充，放置24 h以上，待環(huán)氧樹脂完全固化。傳感器封裝實物圖分別如圖3所示。

2? ? 測力球型支座軸壓試驗

軸壓試驗的目的是為了測試支座在分級軸壓荷載作用下，布設(shè)在測力球型支座上的2種傳感器的線性傳感性能和重復(fù)性。

2.1? ?試驗條件

試驗前將測力球型支座放置于試驗室（室內(nèi)溫度：22～28 ℃），停放24 h以上。試驗時，溫度為26 ℃，濕度為62%，大氣壓力為95 kPa。

2.2? ?試驗布置

試驗的豎向荷載通過500 t四柱壓力機施加，將測力支座對中放置于壓力機承載臺上，在測力支座上放置一個荷重傳感器，由荷重傳感器來讀取測力支座所受的試驗荷載值。荷重傳感器與支座之間墊置一塊厚鋼板作為上承載板，壓力機施加荷載給荷重傳感器再傳遞給上承載板，上承載板以均布力的方式傳遞給測力支座，使測力支座均布受壓[13]。試驗加載實物圖見圖4。

2.3? ?試驗方法及步驟

試驗方法參照《橋梁球型支座》（GB/T 17955—2009 ）[14]“附錄 A ：豎向承載力試驗方法”進行，具體試驗步驟如下：

預(yù)載：將測力球型支座對中放置于壓力機承載板上，傳感器連接采集儀后，壓力機以連續(xù)均勻的速度施加2 000 kN荷載，即測力支座的設(shè)計荷載值。穩(wěn)壓3 min后勻速卸載至0，停載3 min后再進行第二次預(yù)壓試驗，以相同方式反復(fù)進行3次預(yù)壓試驗后開始正式加載。

正式加載：加載方式采用分級加載，以設(shè)計荷載值的0.5%（即10 kN）作為初始荷載，并將試驗荷載（試驗荷載為設(shè)計荷載的1.5倍，即3 000 kN）由0開始均勻分為10級進行逐級加載，每級荷載為300 kN，每級荷載穩(wěn)壓2 min后記錄每個傳感器的測量數(shù)據(jù)，試驗進行3次。

2.4? ?試驗數(shù)據(jù)及分析

2.4.1? ? 紐扣式微型壓力傳感器試驗數(shù)據(jù)及分析

1#、2#紐扣式微型壓力傳感器通過連接DH-3816N靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變測試分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。3次試驗測量數(shù)據(jù)見表1和圖5。

從表1試驗數(shù)據(jù)和圖5可以看出，1#和2#紐扣式微型壓力傳感器的3次試驗測量力值的重復(fù)性都很好，且線性傳感性能優(yōu)異。1#傳感器測量力值隨著豎向荷載的施加，在0～300 kN階段增長較慢;在300～3 000 kN階段，傳感器測量力值與試驗荷載力值之間的線性度很好。2#傳感器測量力值在0～600 kN階段增長不明顯;從豎向標準荷載施加到600 kN開始，測量力值隨荷載的施加呈線性增長。造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于支座與壓力機上下承載板之間以及支座本身各結(jié)構(gòu)之間存在縫隙，在荷載施加的初始階段，各結(jié)構(gòu)逐漸被壓實的同時也分擔(dān)了部分荷載，導(dǎo)致傳感器測量數(shù)據(jù)在初始階段增長不明顯;當(dāng)支座被壓實后，傳感器測量力值開始呈直線性增長。此外，還能看出1#傳感器更早進入線性增長階段，且測量范圍更大，這是由于1#傳感器在澆筑環(huán)氧樹脂固化后經(jīng)過壓實，因此封裝密實度更好。

2.4.2? ? FlexiforceA201薄膜壓力力敏傳感器試驗數(shù)據(jù)及分析

1#和2#FlexiforceA201薄膜壓力力敏傳感器連接放大器加單片機，通過有線薄膜壓力傳感器系統(tǒng)進行自動采集，數(shù)據(jù)采集頻率為80 Hz，每級荷載穩(wěn)壓2 min后，記錄儲存1 s內(nèi)采集的數(shù)據(jù)，并求出平均值作為該分級荷載下的測量力值。試驗進行3次，測量數(shù)據(jù)見表2和圖6。

從表2和圖6可以看出，1#和2#薄膜壓力力敏傳感器的3次試驗測量力值都呈S型曲線增長。與紐扣式微型壓力傳感器比較，在重復(fù)性、線性度及擬合精度方面都有所不及。由于薄膜壓力力敏傳感器的厚度很薄，對測量平面的平整度要求極高，需要上下夾具近乎絕對平行，才能穩(wěn)定、精確地測量壓力大小[15]?？紤]到傳感器封裝方式，直接澆筑環(huán)氧樹脂作為上夾具，其材料在受壓時會有微小變形而導(dǎo)致平整度不夠，使得傳感器感測區(qū)域受力不均。因此，該種測力方法還需進一步改善傳感器的封裝方式。

3? ? 球型支座有限元分析

3.1? ?有限元模型建立

以豎向承載力2 000 kN的球型支座為例，建立ABAQUS有限元數(shù)字化模型，支座材料采用Q235鋼，材料參數(shù)如表3所示。上支座板與平面聚四氟乙烯滑板之間、球面聚四氟乙烯滑板與球冠鋼襯板之間均采用接觸連接。平面聚四氟乙烯滑板與球冠鋼襯板、曲面聚四氟乙烯板與下支座板之間均采用綁定連接。有限元模型如圖7所示。

3.2? ?有限元分析結(jié)果

模擬采用分級加載方式，分10級加載至3 000 kN，分析結(jié)果提取對應(yīng)圖2中測點1—測點4位置的壓強值，測點1、測點2的壓強值乘以紐扣式微型壓力傳感器的感應(yīng)面積28.26 mm2，測點3、測點4的壓強值乘以薄膜壓力力敏傳感器的感應(yīng)面積314.00 mm2，得到對應(yīng)各測點的理論壓力值，模擬分析結(jié)果見表4。由表4可以看出，各測點的壓力值隨荷載的增加都呈直線性增長，因此，紐扣式微型壓力傳感器的測量值增長趨勢更符合理論值。有限元分析結(jié)果與1#和2#紐扣式微型壓力傳感器的3次試驗數(shù)據(jù)平均值對比見圖8。

通過數(shù)值模擬結(jié)果與試驗值對比分析可以看出，試驗所得監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬分析值在不同荷載下的變化趨勢一致，只是由于封裝工藝影響以及實際試驗中支座各部分構(gòu)件并非理想均值材料，構(gòu)件之間被壓實過程中分擔(dān)了部分荷載，導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)均比有限元數(shù)值模擬結(jié)果低?？偟膩碚f，試驗值增長趨勢較理想、離散性小，表明該測力支座的測量數(shù)據(jù)符合支座內(nèi)力分布規(guī)律，通過擬合重新標定傳感器能有效監(jiān)測橋梁豎向承載力。

4? ? 測力試驗

通過對本文所設(shè)計的2種測力傳感器測量數(shù)據(jù)進行比較分析，選取測力效果較好的測力傳感器——紐扣式微型壓力傳感器，作為最終的測力系統(tǒng)設(shè)計，組合成測力球型支座并進行測力試驗。

以表1的試驗結(jié)果對1#和2#紐扣式微型壓力傳感器測量數(shù)據(jù)進行線性擬合。由于在初始加載時支座與上下承載板之間以及支座本身各結(jié)構(gòu)之間在緊密壓實過程中分擔(dān)了部分豎向荷載，導(dǎo)致傳感器測量力值在初始加載階段增長不明顯，因此，初始加載階段傳感器的測力誤差較大?？紤]到實際工程中支座因承受橋梁上部結(jié)構(gòu)的自重而帶有一定的初始荷載，為了使擬合精度更高，以600 kN作為初始荷載取3次試驗的平均值進行線性擬合，通過分析得到1#和2#紐扣式微型壓力傳感器測量力值-豎向荷載擬合曲線，如圖9所示。

由圖9可知，1#和2#紐扣式微型壓力傳感器測量力值-豎向荷載擬合公式分別為：

[y=4.435 54x+255.858 55]，? ? ? ? ? ? （1）

[y=5.995 72x+607.554 07].? ? ? ? ? ? ?（2）

用擬合公式分別重新標定1#和2#傳感器后進行支座測力試驗，測試結(jié)果見表5。

從測力試驗結(jié)果可以看出，1#紐扣式微型壓力傳感器最大誤差為-0.94%FS（full scale，F(xiàn)S），最小誤差為-0.16%FS;而2#紐扣式微型壓力傳感器最大誤差為1.54%FS，最小誤差為0.01%FS。總體來看，該設(shè)計的測力球型支座測量誤差較小，測量精度高，且每級荷載的誤差較為穩(wěn)定，能較為精準地測量豎向承載力，滿足部分工程的測量要求。

5? ? 結(jié)論

本文主要介紹了測力球型支座的設(shè)計方法和測量性能，分析了誤差原因，并得出以下結(jié)論：

1）測力支座的測量精度受傳感器的封裝工藝影響較大，采用FlexiforceA201傳感器測量需要極其平整的測量平面，采用紐扣式微型壓力傳感器測量時，封裝密度越大，測量精度越好。

2）通過有限元模擬結(jié)果與軸壓試驗結(jié)果來看，采用紐扣式微型壓力傳感器進行設(shè)計的測力球型支座測量效果更好。其測量力值隨試驗荷載的線性增大呈線性變化，與數(shù)值分析結(jié)果的增值趨勢相近，且3次試驗的變化曲線重合度高、離散性小，表明其測量性能穩(wěn)定、測量效果較為優(yōu)異。

3）通過測力試驗結(jié)果分析，本文所設(shè)計的測力球型支座測量精度較高、重復(fù)性好、性能穩(wěn)定。1#和2#紐扣式微型壓力傳感器最大誤差僅分別為? ? ? -0.94%FS和1.54%FS，測量誤差較小，能很好地用于橋梁豎向承載力的監(jiān)測，滿足部分橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的使用要求，具有很好的市場應(yīng)用前景。該測力球型支座的測力系統(tǒng)設(shè)計方法為測力支座的研發(fā)和推廣提供一定的參考依據(jù)，對智能支座系統(tǒng)和橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展和完善提供一定參考。

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Design of force-measuring system of spherical bearing and analysis of force measuring test

GU Nanrong1， WU Huiqin1， LIU Xianhui1， DENG Nianchun*2， LI Weizhao1， HU Qiang1，

CHEN Junxian1， TIAN Yuesong1

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University， Nanning 530004， China ）

Abstract： In the traditional management of the bridge structure， regular inspections of the bridge? ? structure are conducted in most cases or special inspections are done when special circumstances occur. In view of the deficiencies of the management， we developed an intelligent force-measuring spherical bearing with monitoring system to monitor the stress status of the bridge structure in real time by? ? ?placing sensors on the spherical backing plate of spherical bearing. Then the ABAQUS finite element software was used to simulate and analyze the pressure variation rule of local positions of the bearing under different loads， and a force measuring test was carried out. Numerical simulation and test results show that the new force-measuring spherical bearing has high force measurement accuracy， stable? ? ?performance and good repeatability， thus can be used to monitor the vertical bearing capacity of bridges. The design may provide reference for the design of force-measuring bearing and the? ? ? ? ? ? ? development of bridge health monitoring system.

Key words： force-mensuring spherical bearing; force-measuring system of bearing; sensor; finite? ? ? ? element analysis; bridge monitoring

（責(zé)任編輯：羅小芬）