顧南榮 吳輝琴 劉顯暉 鄧年春 李偉釗 胡強(qiáng) 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(cè)一般采用定期檢測(cè)或發(fā)生特殊情況時(shí)再進(jìn)行特殊檢測(cè)，這種模式存在局限性。為完善橋梁檢測(cè)系統(tǒng)，研制一種帶有測(cè)力系統(tǒng)的新型球型支座——測(cè)力球型支座，其融合支座監(jiān)測(cè)技術(shù)組合成智能支座系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)受力狀況。該球型支座測(cè)力系統(tǒng)通過(guò)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(duì)該球型支座系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)力試驗(yàn)。數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)力球型支座測(cè)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(cè)，為測(cè)力支座的設(shè)計(jì)以及橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展和完善提供參考。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：U443.362;TP274? ? ? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.02.005

0? ? 引言

近年來(lái)，橋梁垮塌的惡性事故時(shí)有發(fā)生，給人們的生命財(cái)產(chǎn)和安全造成巨大的損失和威脅。因此，對(duì)橋梁健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)非常必要[1]。橋梁健康監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)有偏差，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)的重點(diǎn)[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(guò)監(jiān)測(cè)支座受力狀況來(lái)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(cè)手段[4]。支座測(cè)力系統(tǒng)是橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的一種常見(jiàn)的硬件系統(tǒng)，許多學(xué)者對(duì)支座測(cè)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(cè)力系統(tǒng)的研究對(duì)完善橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要意義，也具有一定的市場(chǎng)前景[5-6]。

關(guān)于支座測(cè)力系統(tǒng)的研究，鐵道部第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院與交通部新津筑路機(jī)械廠通過(guò)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(cè)力系統(tǒng)，研制成球型拉壓（測(cè)力）支座[7];杜利澤[8]設(shè)計(jì)了光纖低相干測(cè)力傳感器，將光纖緊纏繞在支座上，通過(guò)感知變形來(lái)評(píng)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(cè)力模塊制成測(cè)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(guò)在支座上支座板與活塞之間用限位裝置固定一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)的水平測(cè)力元件，以及在活塞與下支座板之間設(shè)置一個(gè)圓餅狀結(jié)構(gòu)的豎向測(cè)力元件，研制成支座多向測(cè)力系統(tǒng)。

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

1）電阻應(yīng)變片的測(cè)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(chǎng)調(diào)試，并且在測(cè)量應(yīng)變時(shí)需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

因此，區(qū)別于目前支座測(cè)力系統(tǒng)的類(lèi)型，本文采用一種新類(lèi)型的傳感器，通過(guò)對(duì)球冠鋼襯板進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并布設(shè)傳感器的方法，研制出一種新型的球型支座測(cè)力系統(tǒng)，組成測(cè)力球型支座，其連接采集系統(tǒng)形成可視化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅對(duì)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(guò)頂升更換球冠鋼襯板可實(shí)現(xiàn)測(cè)力球型支座的后期維護(hù)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(guò)測(cè)力試驗(yàn)證明了其測(cè)力可行性，為測(cè)力支座的研發(fā)和橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展提供參考。

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

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(jìn)行測(cè)力球型支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

紐扣式微型壓力傳感器是一種稱(chēng)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(guò)接收支座局部豎向承載力來(lái)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(cè)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(cè)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)力球型支座所用普通球型支座的支座型號(hào)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(dòng)構(gòu)件[12]。球型支座測(cè)力系統(tǒng)是在普通球型支座基礎(chǔ)上，對(duì)其球冠鋼襯板采用了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)了2種開(kāi)槽方式，布置了4個(gè)傳感器，開(kāi)槽方式1和開(kāi)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(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2分別布置了1#和2#紐扣式微型壓力傳感器，測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)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(shù)脂進(jìn)行填充。將傳感器放入球冠鋼襯板，開(kāi)槽測(cè)點(diǎn)緊貼槽底，然后澆筑環(huán)氧樹(shù)脂膠水進(jìn)行填充，放置24 h以上，待環(huán)氧樹(shù)脂完全固化。傳感器封裝實(shí)物圖分別如圖3所示。

2? ? 測(cè)力球型支座軸壓試驗(yàn)

軸壓試驗(yàn)的目的是為了測(cè)試支座在分級(jí)軸壓荷載作用下，布設(shè)在測(cè)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(yàn)條件

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

2.2? ?試驗(yàn)布置

試驗(yàn)的豎向荷載通過(guò)500 t四柱壓力機(jī)施加，將測(cè)力支座對(duì)中放置于壓力機(jī)承載臺(tái)上，在測(cè)力支座上放置一個(gè)荷重傳感器，由荷重傳感器來(lái)讀取測(cè)力支座所受的試驗(yàn)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(jī)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(cè)力支座，使測(cè)力支座均布受壓[13]。試驗(yàn)加載實(shí)物圖見(jiàn)圖4。

2.3? ?試驗(yàn)方法及步驟

試驗(yàn)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(yàn)方法”進(jìn)行，具體試驗(yàn)步驟如下：

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

正式加載：加載方式采用分級(jí)加載，以設(shè)計(jì)荷載值的0.5%（即10 kN）作為初始荷載，并將試驗(yàn)荷載（試驗(yàn)荷載為設(shè)計(jì)荷載的1.5倍，即3 000 kN）由0開(kāi)始均勻分為10級(jí)進(jìn)行逐級(jí)加載，每級(jí)荷載為300 kN，每級(jí)荷載穩(wěn)壓2 min后記錄每個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，試驗(yàn)進(jìn)行3次。

2.4? ?試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.4.1? ? 紐扣式微型壓力傳感器試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

1#、2#紐扣式微型壓力傳感器通過(guò)連接DH-3816N靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。3次試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和圖5。

從表1試驗(yàn)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(yàn)測(cè)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(cè)量力值隨著豎向荷載的施加，在0～300 kN階段增長(zhǎng)較慢;在300～3 000 kN階段，傳感器測(cè)量力值與試驗(yàn)荷載力值之間的線性度很好。2#傳感器測(cè)量力值在0～600 kN階段增長(zhǎng)不明顯;從豎向標(biāo)準(zhǔn)荷載施加到600 kN開(kāi)始，測(cè)量力值隨荷載的施加呈線性增長(zhǎng)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于支座與壓力機(jī)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(shí)的同時(shí)也分擔(dān)了部分荷載，導(dǎo)致傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)在初始階段增長(zhǎng)不明顯;當(dāng)支座被壓實(shí)后，傳感器測(cè)量力值開(kāi)始呈直線性增長(zhǎng)。此外，還能看出1#傳感器更早進(jìn)入線性增長(zhǎng)階段，且測(cè)量范圍更大，這是由于1#傳感器在澆筑環(huán)氧樹(shù)脂固化后經(jīng)過(guò)壓實(shí)，因此封裝密實(shí)度更好。

2.4.2? ? FlexiforceA201薄膜壓力力敏傳感器試驗(yàn)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(jī)，通過(guò)有線薄膜壓力傳感器系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)采集，數(shù)據(jù)采集頻率為80 Hz，每級(jí)荷載穩(wěn)壓2 min后，記錄儲(chǔ)存1 s內(nèi)采集的數(shù)據(jù)，并求出平均值作為該分級(jí)荷載下的測(cè)量力值。試驗(yàn)進(jìn)行3次，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)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(yàn)測(cè)量力值都呈S型曲線增長(zhǎng)。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(duì)測(cè)量平面的平整度要求極高，需要上下夾具近乎絕對(duì)平行，才能穩(wěn)定、精確地測(cè)量壓力大小[15]。考慮到傳感器封裝方式，直接澆筑環(huán)氧樹(shù)脂作為上夾具，其材料在受壓時(shí)會(huì)有微小變形而導(dǎo)致平整度不夠，使得傳感器感測(cè)區(qū)域受力不均。因此，該種測(cè)力方法還需進(jìn)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(jí)加載方式，分10級(jí)加載至3 000 kN，分析結(jié)果提取對(duì)應(yīng)圖2中測(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)4位置的壓強(qiáng)值，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2的壓強(qiáng)值乘以紐扣式微型壓力傳感器的感應(yīng)面積28.26 mm2，測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4的壓強(qiáng)值乘以薄膜壓力力敏傳感器的感應(yīng)面積314.00 mm2，得到對(duì)應(yīng)各測(cè)點(diǎn)的理論壓力值，模擬分析結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出，各測(cè)點(diǎn)的壓力值隨荷載的增加都呈直線性增長(zhǎng)，因此，紐扣式微型壓力傳感器的測(cè)量值增長(zhǎng)趨勢(shì)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(yàn)數(shù)據(jù)平均值對(duì)比見(jiàn)圖8。

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比分析可以看出，試驗(yàn)所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬分析值在不同荷載下的變化趨勢(shì)一致，只是由于封裝工藝影響以及實(shí)際試驗(yàn)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(shí)過(guò)程中分擔(dān)了部分荷載，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)均比有限元數(shù)值模擬結(jié)果低?？偟膩?lái)說(shuō)，試驗(yàn)值增長(zhǎng)趨勢(shì)較理想、離散性小，表明該測(cè)力支座的測(cè)量數(shù)據(jù)符合支座內(nèi)力分布規(guī)律，通過(guò)擬合重新標(biāo)定傳感器能有效監(jiān)測(cè)橋梁豎向承載力。

4? ? 測(cè)力試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)本文所設(shè)計(jì)的2種測(cè)力傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，選取測(cè)力效果較好的測(cè)力傳感器——紐扣式微型壓力傳感器，作為最終的測(cè)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，組合成測(cè)力球型支座并進(jìn)行測(cè)力試驗(yàn)。

以表1的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)1#和2#紐扣式微型壓力傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。由于在初始加載時(shí)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(shí)過(guò)程中分擔(dān)了部分豎向荷載，導(dǎo)致傳感器測(cè)量力值在初始加載階段增長(zhǎng)不明顯，因此，初始加載階段傳感器的測(cè)力誤差較大?？紤]到實(shí)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(yàn)的平均值進(jìn)行線性擬合，通過(guò)分析得到1#和2#紐扣式微型壓力傳感器測(cè)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(cè)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(biāo)定1#和2#傳感器后進(jìn)行支座測(cè)力試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

從測(cè)力試驗(yàn)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?？傮w來(lái)看，該設(shè)計(jì)的測(cè)力球型支座測(cè)量誤差較小，測(cè)量精度高，且每級(jí)荷載的誤差較為穩(wěn)定，能較為精準(zhǔn)地測(cè)量豎向承載力，滿(mǎn)足部分工程的測(cè)量要求。

5? ? 結(jié)論

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

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

2）通過(guò)有限元模擬結(jié)果與軸壓試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，采用紐扣式微型壓力傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)的測(cè)力球型支座測(cè)量效果更好。其測(cè)量力值隨試驗(yàn)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(shì)相近，且3次試驗(yàn)的變化曲線重合度高、離散性小，表明其測(cè)量性能穩(wěn)定、測(cè)量效果較為優(yōu)異。

3）通過(guò)測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果分析，本文所設(shè)計(jì)的測(cè)力球型支座測(cè)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(cè)量誤差較小，能很好地用于橋梁豎向承載力的監(jiān)測(cè)，滿(mǎn)足部分橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用要求，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。該測(cè)力球型支座的測(cè)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法為測(cè)力支座的研發(fā)和推廣提供一定的參考依據(jù)，對(duì)智能支座系統(tǒng)和橋梁健康監(jiān)測(cè)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）