桥梁智能测力盆式支座及性能分析.pdf

铁路与公路四川建筑第43卷第4期桥梁智能测力盆式支座及性能分析邓万军1，王剑明2,4，刘源保，邓宇4，丁兴平4（1.江西省交通投资集团有限责任公司项目建设管理公司，江西赣州3416 0 0；2.西南交通大学，四川成都6 10 0 31；3.江西省交通投资集团有限责任公司赣州管理中心，江西赣州3416 0 0；4.成都济通路桥科技有限公司，四川成都6 11430）【摘要】针对大广高速南康至龙南段扩容工程复杂地质条件下桥梁多支点受力监控需求，研制了一种新型智能测力支座。介绍了其结构构造与测力原理，并采用ABAQUS软件建立了支座的有限元模型，分析了受力状态下各部件的应力特性，并对支座的力学性能及无水平转角与0.0 2 rad水平转角下的测力性能开展了试验研究。研究结果表明：支座各部件的最大等效应力均小于设计容许值，强度满足要求；支座的承载力满足规范要求；支座无水平转角与0.0 2 rad水平转角下的测力性能均满足设计要求，为该项目的应用提供了理论及试验依据。【关键词】测力盆式支座；性能研究；数值模拟；力学性能；测力性能【中图分类号】U443.360引言桥梁支座，作为连接桥梁上下部结构的关键构件，其性能好坏将直接影响桥梁的寿命和服役安全 。传统的支座本身不具备测力功能，需要测力时通常需借助千斤顶、临时支撑等辅助设备，其工艺复杂、施工难度大、成本高，随着技术的发展与进步，测力支座的应用需求逐步增多。国内外学者对测力支座的性能开展了大量研究,Chang等 2 基于光纤光栅传感器，开发了一种测力支座；朱全军等 3 基于支座反力监测提出了一种桥梁动态称重方法，并通过理论模型、数值模拟及试验研究论证了其可行性；裴荟蓉等 4基于液压原理对测力支座的稳定性能进行了试验研究;郑晓龙等 5 将溅射薄膜传感器和光纤传感器应用于支座上，形成新型测力支座，并对其测力特性及工程应用进行了相关研究；吴辉琴等 6 通过在支座内部开槽粘贴传感元件等方式设计一种智能盆式橡胶支座，并通过有限元模拟及试验研究验证其性能。目前,对智能测力支座的研究主要集中在测力性能的验证上，普遍需要对现有支座进行较大改造，传感元件的更换问题有待研究，无法满足现有桥梁对支座力监测和实用的要求。本文基于大广高速南康至龙南段扩能工程项目复杂地质条件及多点连续支承桥梁结构对支座的特殊需求，研发了一种智能测力盆式支座,建立了支座的有限元模型,通过数值仿真并结合试验验证的方法对支座的力学性能及测力性能展开了研究。1支座结构及测力原理智能测力盆式支座，通过将常规盆式支座中的中间钢板进行工艺与尺寸改造形成测力体，布设传感元件，并结合相应采集、传输系统，实现测力功能，其典型结构构造见图1,由上支座板、平面不锈钢板、平面滑板、中间测力体、橡胶板及下支座板等组成，在测力体四周侧壁布设应变传感器及温度100【文献标志码】A补偿器，并设有密封防护措施，传感器布置见图2，图2 中温度补偿传感器未示意。传感器采用高精度、高灵敏度光纤光栅应变传感器。通过对测体力的应变进行实时采集，并基于预标定并拟合的荷载应变关系式实现支座竖向力的监测。口23L4L61上支座板；2 平面不锈钢板；3平面滑板；4中间测力体；5橡胶密封件；6 橡胶板；7 下支座板；8 铺固件图1智能测力支座结构2支座有限元模型采用40 0 0 SX智能测力盆式支座为原型，采用ABAQUS软件建立有限元模型进行数值分析。为更准确模拟荷载分布的合理性，在支座上支座板上部和下支座板下部均设置了半径略大于支座板对角线长，高度为30 0 mm的C40混凝土柱 7 。支座各部件均采用C3D8R六面体实体单元建模，模定稿日期 2 0 2 2-0 9-30【基金项目江西省交通厅科技项目（项目编号：2 0 2 0 C0002)；四川省科技厅研发项目（项目编号：2 0 CXCPO149）【作者简介邓万军（198 3一），男，本科，工程师，主要从事高速公路建设管理工作。【通信作者王剑明（198 7 一），男，博士，高级工程师，主要从事桥梁技术研究工作。7i邓万军，王剑明，刘源保，等：桥梁智能测力盆式支座及性能分析传感器1传感器4传感器3图2 测力体传感器布置型单元总计8 7 410 个，节点总计17 47 7 7 个，有限元模型见图3。模型各部件接触面间均设置基于罚函数模型的接触对。边界条件为：下混凝土柱下表面施加全约束，上混凝土柱上表面施加水平和z方向的位移约束。支座竖向力均匀施加在上混凝土柱上表面。表1各部件材料力学参数弹性模量/部件材料上支座板传感器2中间测力体下支座板平面不锈钢板06Cr18Nil1Ti改性超高分平面滑板子量聚乙烯混凝土柱C40上支座板密度/泊松比MPa(kg/mm3)Q355B2.05 10 51.90 1059003.25 10 4平面滑0.37.85 10 60.37.93 10 60.49.8 10-70.22.5 10-6中间测力体橡胶板图5支座各部件应力分布表2 支座各部件最大等效应力值部件最大等效应力上支座板118.1平面滑板25.2中间测力体48.3图3智能测力支座有限元模型橡胶板支座橡胶板为天然橡胶，泊松比为0.499,其属于超弹性材料,采用Mooney-Rivlin模型模拟其力学性能 6 ,其单轴拉伸应力一应变曲线见图4。2520F15105F0图4橡胶板单轴拉伸应力一应变曲线支座其余各部件所用材料力学参数见表1。3有限元结果分析智能测力盆式支座在设计承载力（40 0 0 kN)作用下各部件应力分布状态图，见图5，由图5可知：支座上支座板、下支座板的应力最大值均出现在中心区域附近，而平面滑板由于是镶嵌在中间测力体凹槽内，受到中间测力体的侧向约束，中间测力体及橡胶板侧边均受到下支座板盆腔的约束，其应力最大值均出现在径向边缘处。支座各部件最大等效应力值见表2，各部件最大等效应下支座板20.5下支座板94.1力均未超出设计容许值，符合相关标准要求。4支座力学性能试验以40 0 0 SX智能测力盆式支座（支座总高150 mm,盆环直径50 0 mm)为研究对象，试验在四川交大工程检测咨询有限公司进行，试验设备为150 0 0 kN支座动静态压剪试验机。试验方法按照JT/T391-2019公路桥梁盆式支座附录A【8 的规定进行，试验结果如图6、图7 所示。由试验数据经简要计算可知，支座竖向压缩变形与支座总高的百分比为24名义应变单位：MPa设计容许应力3554535530355680.55%，盆环径向变形与盆环外径的千分比为0.0 3%，均满足规范“在竖向设计荷载作用下，支座的竖向压缩变形不应大于支座总高度的2%，盆环径向变形不应大于盆环外径的0.5%”的要求，因此，支座竖向承载力满足要求。5支座测力性能试验为考察支座测力性能的可靠性，以40 0 0 SX智能测力盆式支座为研究对象，支座完成组装后，在工厂内部标准试验机下进行竖向荷载传感器应变曲线标定并进行公式拟合后进行测力性能试验，本支座竖向荷载传感器应变关系式为：y=0.0057x+33.179x-902.48（y 表示支座竖向荷载，x表示支座测力体传感器应变平均值）。为充分考虑支座在使用过程中水平转角对测力性能的101铁路与公路7000第一次6000第次第三次500040003000200010000.0图6支座竖向荷载一压缩变形曲线7000第一次6000第二次第三次5000400030002000100000.0图7 支座竖向荷载盆环径向变形曲线影响，本试验设计无水平转角与0.0 2 rad水平转角2 种工况。支座0.0 2 rad水平转角通过在上支座板与试验机顶板之间设置楔形钢板的方式实现。试验荷载为设计荷载的1.2倍，即1.2 P，以1%试验荷载为起点，连续加载至试验荷载，加载速度不大于5kN/s,稳压3min后卸除，重复3次。分别记录0.2 P、0.4P.0.6 P、0.8 P、1.0 P、1.2 P竖向荷载时对应的传感器应变值，结果见图8、图9。并通过竖向荷载-传感器应变关系式得出实测值，数据及分析结果见表3。6000第一次5000十第二次第三次4000300020001000002040 60 80100120 140 160180应变图：无水平转角下支座竖向荷载一应变曲线6000第十一次5000第二次第三次40003000200010000020406080100120140160180200应变图90.0 2 rad水平转角下支座竖向荷载应变曲线由试验结果可知，支座在无水平转角下的示值误差为1.59%，重复误差为0.16 5%FS（FS 表示设计满量程）；在四川建筑第43卷第4期0.02rad水平转角下的示值误差为2.9 8%，重复误差为0.845%FS。满足设计“支座测力误差不大于5%，重复性误差3%FS的要求,因此，支座的测力性能满足要求。表3数据及分析结果标准荷无水平转角载/kN实测值/kN示值误差/%实测值/kN示值误差/%0.20.4压缩变形/mm0.0050.010盆环径向变形/mm0.02rad水平转角0.60.80.0150.0201.00.0251.20.030800160024003200400048006结论基于大广高速南康至龙南段扩能工程项目需求研制了一种智能测力盆式支座。并通过有限元数值模拟及试验研究的方法对其力学性能及测力性能进行了研究。得出结论：（1)支座各部件的最大等效应力值均小于材料设计容许值，满足使用要求。(2)通过力学性能试验研究，支座竖向压缩变形与支座总高的百分比为0.55%，盆环径向变形与盆环外径的千分比为0.0 3%,竖向承载力满足现行规范要求。(3)通过无水平转角及0.0 2 rad水平转角2 种工况的测力性能试验可知，支座在无水平转角下的示值误差为1.59%，重复误差为0.16 5%FS，在0.0 2 rad水平转角下的示值误差为2.98%，重复误差为0.8 45%FS。支座正常及发生水平转角状态下的测力性能均能满足设计要求。1庄军生桥梁支座 M.4版北京：中国铁道出版社,2 0 15.2CHANG S J,KIM N S.Development of smart seismic bridge bear-ing using fiber potic bragg-grating sensors C.Proceedings ofthe Sensors and Smart Structures Technologies for Civil,Mechani-cal,and Aerospace Systems,2013(8692):869228.3朱全军，肖强，邓露基于支座反力的桥梁动态称重方法 J.中外公路,2 0 19(39).4裴荟蓉，李金保，田建德，等液压式调高测力盆式橡胶支座调高性能试验 J公路，2 0 0 8(10).5郑晓龙，陈列，颜永逸，等桥梁测力支座监测系统设计与工程应用 J.高速铁路技术,2 0 2 1(12)。6吴辉琴，陈俊先，李伟钊，等智能盆式橡胶支座设计及性能研究 J广西科技大学学报,2 0 2 2（33.7李冰，王少华，严情木基于ABAQUS非线性接触分析的球型支座转动性能及结构分析 J.铁道建筑,2 0 12(11).8冯芪,谭昌富，李文杰，等。公路桥梁盆式支座：JT/T391-2019S.北京：人民交通出版社，2 0 19.802.901581.332438.723174.373998.084804.26-0.361.18-1.590.810.050.09参考文献820.801642.002473.763238.824074.564898.00-2.53-2.56-2.98-1.20-1.83-2.00102