摘要 針對大廣高速南康至龍南段擴(kuò)容工程復(fù)雜地質(zhì)條件下橋梁多支點(diǎn)受力監(jiān)控需求，研制了一種新型智能測力支座。介紹了其結(jié)構(gòu)構(gòu)造與測力原理，并采用ABAQUS軟件建立了支座的有限元模型，分析了受力狀態(tài)下各部件的應(yīng)力特性，并對支座的力學(xué)性能及無水平轉(zhuǎn)角與0.02 rad水平轉(zhuǎn)角下的測力性能開展了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：支座各部件的最大等效應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)容許值，強(qiáng)度滿足要求；支座的承載力滿足規(guī)范要求；支座無水平轉(zhuǎn)角與0.02 rad水平轉(zhuǎn)角下的測力性能均滿足設(shè)計(jì)要求，為該項(xiàng)目的應(yīng)用提供了理論及試驗(yàn)依據(jù)。

摘要 測力盆式支座; 性能研究; 數(shù)值模擬; 力學(xué)性能; 測力性能

中圖分類號(hào) U443.36 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0引言

橋梁支座，作為連接橋梁上下部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，其性能好壞將直接影響橋梁的壽命和服役安全［1］。傳統(tǒng)的支座本身不具備測力功能，需要測力時(shí)通常需借助千斤頂、臨時(shí)支撐等輔助設(shè)備，其工藝復(fù)雜、施工難度大、成本高，隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，測力支座的應(yīng)用需求逐步增多。國內(nèi)外學(xué)者對測力支座的性能開展了大量研究，Chang等［2］基于光纖光柵傳感器，開發(fā)了一種測力支座；朱全軍等［3］基于支座反力監(jiān)測提出了一種橋梁動(dòng)態(tài)稱重方法，并通過理論模型、數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究論證了其可行性；裴薈蓉等［4］基于液壓原理對測力支座的穩(wěn)定性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究；鄭曉龍等［5］將濺射薄膜傳感器和光纖傳感器應(yīng)用于支座上，形成新型測力支座，并對其測力特性及工程應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究；吳輝琴等［6］通過在支座內(nèi)部開槽粘貼傳感元件等方式設(shè)計(jì)一種智能盆式橡膠支座，并通過有限元模擬及試驗(yàn)研究驗(yàn)證其性能。目前，對智能測力支座的研究主要集中在測力性能的驗(yàn)證上，普遍需要對現(xiàn)有支座進(jìn)行較大改造，傳感元件的更換問題有待研究，無法滿足現(xiàn)有橋梁對支座力監(jiān)測和實(shí)用的要求。

本文基于大廣高速南康至龍南段擴(kuò)能工程項(xiàng)目復(fù)雜地質(zhì)條件及多點(diǎn)連續(xù)支承橋梁結(jié)構(gòu)對支座的特殊需求，研發(fā)了一種智能測力盆式支座，建立了支座的有限元模型，通過數(shù)值仿真并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方法對支座的力學(xué)性能及測力性能展開了研究。

1支座結(jié)構(gòu)及測力原理

智能測力盆式支座，通過將常規(guī)盆式支座中的中間鋼板進(jìn)行工藝與尺寸改造形成測力體，布設(shè)傳感元件，并結(jié)合相應(yīng)采集、傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測力功能，其典型結(jié)構(gòu)構(gòu)造見圖1，由上支座板、平面不銹鋼板、平面滑板、中間測力體、橡膠板及下支座板等組成，在測力體四周側(cè)壁布設(shè)應(yīng)變傳感器及溫度補(bǔ)償器，并設(shè)有密封防護(hù)措施，傳感器布置見圖2，圖2中溫度補(bǔ)償傳感器未示意。傳感器采用高精度、高靈敏度光纖光柵應(yīng)變傳感器。通過對測體力的應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并基于預(yù)標(biāo)定并擬合的荷載-應(yīng)變關(guān)系式實(shí)現(xiàn)支座豎向力的監(jiān)測。

2支座有限元模型

采用4000SX智能測力盆式支座為原型，采用ABAQUS軟件建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析。為更準(zhǔn)確模擬荷載分布的合理性，在支座上支座板上部和下支座板下部均設(shè)置了半徑略大于支座板對角線長，高度為300 mm的C40混凝土柱［7］。支座各部件均采用C3D8R六面體實(shí)體單元建模，模型單元總計(jì)87 410個(gè)，節(jié)點(diǎn)總計(jì)174 777個(gè)，有限元模型見圖3。模型各部件接觸面間均設(shè)置基于罰函數(shù)模型的接觸對。邊界條件為：下混凝土柱下表面施加全約束，上混凝土柱上表面施加水平x和z方向的位移約束。支座豎向力均勻施加在上混凝土柱上表面。

支座橡膠板為天然橡膠，泊松比為0.499，其屬于超彈性材料，采用Mooney-Rivlin模型模擬其力學(xué)性能［6］，其單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4。

支座其余各部件所用材料力學(xué)參數(shù)見表1。

3有限元結(jié)果分析

智能測力盆式支座在設(shè)計(jì)承載力（4000 kN）作用下各部件應(yīng)力分布狀態(tài)圖，見圖5，由圖5可知：支座上支座板、下支座板的應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在中心區(qū)域附近，而平面滑板由于是鑲嵌在中間測力體凹槽內(nèi)，受到中間測力體的側(cè)向約束，中間測力體及橡膠板側(cè)邊均受到下支座板盆腔的約束，其應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在徑向邊緣處。

支座各部件最大等效應(yīng)力值見表2，各部件最大等效應(yīng)力均未超出設(shè)計(jì)容許值，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4支座力學(xué)性能試驗(yàn)

以4000SX智能測力盆式支座（支座總高150 mm，盆環(huán)直徑500 mm）為研究對象，試驗(yàn)在四川交大工程檢測咨詢有限公司進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備為15 000 kN支座動(dòng)靜態(tài)壓剪試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)方法按照J(rèn)T/T 391-2019《公路橋梁盆式支座》附錄A［8］的規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)簡要計(jì)算可知，支座豎向壓縮變形與支座總高的百分比為0.55%，盆環(huán)徑向變形與盆環(huán)外徑的千分比為0.03‰，均滿足規(guī)范“在豎向設(shè)計(jì)荷載作用下，支座的豎向壓縮變形不應(yīng)大于支座總高度的2%，盆環(huán)徑向變形不應(yīng)大于盆環(huán)外徑的0.5‰”的要求，因此，支座豎向承載力滿足要求。

5支座測力性能試驗(yàn)

為考察支座測力性能的可靠性，以4000SX智能測力盆式支座為研究對象，支座完成組裝后，在工廠內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)下進(jìn)行豎向荷載-傳感器應(yīng)變曲線標(biāo)定并進(jìn)行公式擬合后進(jìn)行測力性能試驗(yàn)，本支座豎向荷載-傳感器應(yīng)變關(guān)系式為：y=0.0057x2+33.179x-902.48（y表示支座豎向荷載，x表示支座測力體傳感器應(yīng)變平均值）。

為充分考慮支座在使用過程中水平轉(zhuǎn)角對測力性能的影響，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)無水平轉(zhuǎn)角與0.02 rad水平轉(zhuǎn)角2種工況。支座0.02 rad水平轉(zhuǎn)角通過在上支座板與試驗(yàn)機(jī)頂板之間設(shè)置楔形鋼板的方式實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)荷載為設(shè)計(jì)荷載的1.2倍，即1.2P，以 1%試驗(yàn)荷載為起點(diǎn)，連續(xù)加載至試驗(yàn)荷載，加載速度不大于 5 kN/s，穩(wěn)壓3 min后卸除，重復(fù)3次。分別記錄0.2P、0.4P、0.6P、0.8P、1.0P、1.2P豎向荷載時(shí)對應(yīng)的傳感器應(yīng)變值，結(jié)果見圖8、圖9。并通過豎向荷載-傳感器應(yīng)變關(guān)系式得出實(shí)測值，數(shù)據(jù)及分析結(jié)果見表3。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，支座在無水平轉(zhuǎn)角下的示值誤差為1.59%，重復(fù)誤差為0.165%FS（FS表示設(shè)計(jì)滿量程）；在0.02 rad水平轉(zhuǎn)角下的示值誤差為2.98%，重復(fù)誤差為0.845%FS。滿足設(shè)計(jì)“支座測力誤差不大于5%，重復(fù)性誤差≤3%FS”的要求，因此，支座的測力性能滿足要求。

6結(jié)論

基于大廣高速南康至龍南段擴(kuò)能工程項(xiàng)目需求研制了一種智能測力盆式支座。并通過有限元數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究的方法對其力學(xué)性能及測力性能進(jìn)行了研究。得出結(jié)論：

（1）支座各部件的最大等效應(yīng)力值均小于材料設(shè)計(jì)容許值，滿足使用要求。

（2）通過力學(xué)性能試驗(yàn)研究，支座豎向壓縮變形與支座總高的百分比為0.55%，盆環(huán)徑向變形與盆環(huán)外徑的千分比為0.03‰，豎向承載力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（3）通過無水平轉(zhuǎn)角及0.02rad水平轉(zhuǎn)角2種工況的測力性能試驗(yàn)可知，支座在無水平轉(zhuǎn)角下的示值誤差為1.59%，重復(fù)誤差為0.165%FS，在0.02rad水平轉(zhuǎn)角下的示值誤差為2.98%，重復(fù)誤差為0.845%FS。支座正常及發(fā)生水平轉(zhuǎn)角狀態(tài)下的測力性能均能滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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