丁玉平，李 攀，韓 鵬

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司,上海市200092）

成果應(yīng)用

可調(diào)高拉壓智能支座設(shè)計(jì)與應(yīng)用

丁玉平，李 攀，韓 鵬

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司,上海市200092）

獨(dú)柱墩橋梁傾覆過(guò)程與支座受力狀況緊密相關(guān),因而研究能感知受力狀況的支座顯得尤為重要。設(shè)計(jì)了一種可調(diào)高拉壓智能支座,通過(guò)在支座本體中安裝壓電陶瓷,可判斷支座拉壓狀況以及是否出現(xiàn)脫空和變位；同時(shí)在支座底部設(shè)計(jì)調(diào)高組件,可調(diào)節(jié)支座安裝高度。所設(shè)計(jì)的智能支座,能有效監(jiān)控獨(dú)柱墩傾覆風(fēng)險(xiǎn),具有施工方便、適用范圍廣和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

智能支座；獨(dú)柱墩；抗傾覆；可調(diào)高

0 引言

當(dāng)前,我國(guó)城市立交、高速匝道等曲線橋梁多采用獨(dú)柱現(xiàn)澆連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)形式,該種橋梁的下部結(jié)構(gòu)形式具有減少占地、增加視野和橋梁美觀的優(yōu)點(diǎn)。但目前我國(guó)載重車輛存在的超載現(xiàn)象,導(dǎo)致該種結(jié)構(gòu)形式的橋梁在使用過(guò)程中發(fā)生了多起傾覆事故,逐漸引起相關(guān)人員的反思。究其原因,獨(dú)墩柱橫橋向采用單支點(diǎn)支撐,在超載車輛偏載作用下,結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆性較差,尤其是獨(dú)柱匝道箱梁橋的橋面狹窄,自重小,車輛荷載在荷載組合中所占的比重大；而且,現(xiàn)行的公路橋梁規(guī)范對(duì)于橫向傾覆穩(wěn)定性沒有相關(guān)的規(guī)定,處于空白狀態(tài),設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)忽略偏心偶然超載作用下的橋梁橫向穩(wěn)定計(jì)算分析,使得在偶然作用下的結(jié)構(gòu)使用存在隱患[1,2]。

獨(dú)柱墩傾覆是逐漸出現(xiàn)的,在橋梁傾覆之前,會(huì)發(fā)生支座受力變化,產(chǎn)生支座偏壓甚至脫空。對(duì)于單支座,支座脫空后會(huì)導(dǎo)致支座轉(zhuǎn)角變形過(guò)大,進(jìn)而引起梁體滑移現(xiàn)象；對(duì)于多支座,脫空的支座失去對(duì)結(jié)構(gòu)的支撐作用,只剩下其余的支座對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生約束,導(dǎo)致支座反力的重分布,進(jìn)而出現(xiàn)支座承載力超限引起支座破壞,梁體發(fā)生滑移。因此,結(jié)構(gòu)傾覆與支座受力狀況緊密相關(guān),研究能感知受力狀況的支座顯得尤為重要。

1 拉壓智能支座原理

在眾多智能材料中,壓電材料以其特有的驅(qū)動(dòng)和傳感功能成為近年來(lái)在土木工程界廣泛研究和應(yīng)用的智能材料之一。因其在傳感方面具有響應(yīng)快,頻響范圍寬,易剪裁,價(jià)格低廉等特點(diǎn)而在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面存在著巨大的應(yīng)用潛力[3]。

當(dāng)某些電介質(zhì)晶體在外力作用下發(fā)生變形時(shí),在其某些表面上出現(xiàn)異號(hào)極化電荷。這種沒有電場(chǎng)的作用,只是由于應(yīng)變或應(yīng)力,在晶體內(nèi)產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)或壓電效應(yīng)。

原始的壓電材料體內(nèi)具有一種無(wú)序排列的電疇結(jié)構(gòu),由于此時(shí)電疇內(nèi)的自發(fā)極化方向是任意的,這時(shí)壓電陶瓷在宏觀上不表現(xiàn)壓電性[4]。但是當(dāng)壓電材料受到某個(gè)特定方向的外力時(shí),其內(nèi)部電疇呈有序同向狀態(tài),在特定表面出現(xiàn)束縛電荷,對(duì)外顯示出極性。極化后的壓電陶瓷從外界吸附電荷來(lái)維持體內(nèi)的電量平衡。當(dāng)受到外力或外加電場(chǎng)的作用時(shí),體內(nèi)的極化強(qiáng)度發(fā)生改變,并伴隨著充放電現(xiàn)象和變形,表現(xiàn)出壓電陶瓷的正逆壓電效應(yīng)。壓電元件的壓電效應(yīng)及逆壓電效應(yīng)使其具有了驅(qū)動(dòng)、傳感雙重功能,利用這一特性可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測(cè)。

2 可調(diào)高拉壓智能支座設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)在支座內(nèi)部安裝壓電陶瓷,并電性連接控制器,該壓電陶瓷在自由狀態(tài)下不顯電性,在壓縮狀態(tài)下放電,拉伸狀態(tài)下充電,壓電陶瓷利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生電信號(hào),并將電信號(hào)傳輸給控制器,控制器根據(jù)壓電陶瓷產(chǎn)生的電信號(hào),判斷智能型支座是否出現(xiàn)脫空和變位,如圖1所示。

圖1 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

另外,為擴(kuò)大該智能支座的應(yīng)用范圍和廣泛適用性,在支座底部設(shè)計(jì)調(diào)高組件,以利于支座在不同支座安裝高度時(shí)均能應(yīng)用。調(diào)高組件設(shè)置在支座下方并與支座機(jī)械連接。可通過(guò)調(diào)高組件調(diào)節(jié)支座高度,同時(shí)給支座施加預(yù)壓力,保證智能型支座與上下構(gòu)件緊密貼合,如圖2所示。

圖2 智能支座調(diào)高組件

所設(shè)計(jì)的智能型支座,能實(shí)現(xiàn)支座高度可調(diào)和支座拉壓狀態(tài)監(jiān)控,能有效監(jiān)控獨(dú)柱墩傾覆隱患,具有施工方便、適用范圍廣和成本低等優(yōu)勢(shì)。

3 實(shí)施案例

某高架E匝道共設(shè)10孔,跨徑組合為18.2 m+ 21.0 m+21.0 m+21.0 m+18.0 m+20.0 m+25.0 m+ 25.0 m+25.0 m+20.47 m,橋梁總長(zhǎng)度為214.67 m,位于R=73.0 m的圓曲線上,最大橫坡為5%,最大縱坡為5.6%,如圖3所示。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu),每5跨度連續(xù),除伸縮縫處的E5墩為雙柱式橋墩外,其他橋墩均為獨(dú)柱式橋墩。該橋梁建成后,其E4獨(dú)柱頂部發(fā)生破裂現(xiàn)象,需對(duì)全橋獨(dú)柱墩進(jìn)行加固。

設(shè)計(jì)采用在獨(dú)柱墩上加裝鋼蓋梁,同時(shí)新增兩個(gè)可調(diào)高拉壓智能支座,如圖4所示。由于橋梁縱向存在縱坡,各墩的梁底與鋼蓋梁高差不同,采用可調(diào)高支座,利于統(tǒng)一上下鋼墊板規(guī)格,還可調(diào)節(jié)智能支座的初始應(yīng)力狀態(tài)。

圖4 鋼蓋梁示意圖

圖3 某高架E匝道總體布置圖(單位:mm)

將智能型支座放置在鋼牛腿上,橋梁原支座與兩側(cè)的智能型支座構(gòu)成“蹺蹺板”結(jié)構(gòu)。假設(shè)智能型支座的初始高度為20 cm,調(diào)節(jié)智能型支座的高度,使其上表面與橋梁梁底緊密貼合,下表面與鋼牛腿緊密貼合,此時(shí)智能型支座的高度壓縮為15 cm,智能型支座的高度維持15 cm時(shí),智能型支座處于穩(wěn)定狀態(tài),不顯電性不產(chǎn)生電信號(hào),如果在超載車輛偏載作用下,橋梁梁體發(fā)生傾斜,根據(jù)蹺蹺板原理,橋梁支座一側(cè)的智能型支座壓力增大,高度壓縮變小,壓縮過(guò)程中放電產(chǎn)生正電荷信號(hào)；橋梁支座另一側(cè)的智能型支座壓力變小,拉伸過(guò)程中充電產(chǎn)生負(fù)電荷信號(hào)。從而判斷出支座的受力及變位狀況。

[1]劉鵬.彎梁橋的評(píng)價(jià)與加固方法研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2007.

[2]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]Winston H A,Sun F,Annigeri B S.Structural health monitoring with piezoelectric active sensors[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2001,123:353-358.

[4]王昌明,孔德仁,何云峰.傳感與測(cè)試技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

U443.36

B

1009-7716（2017）07-0271-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.082

2017-00-00

丁玉平（1963-）,男,上海人,工程師,從事橋梁設(shè)計(jì)工作。