橋梁測力支座監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用

鄭曉龍 陳 列 顏永逸 徐昕宇 陳星宇

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

近年來，國內(nèi)外橋梁時(shí)有垮塌或局部破壞的惡性事故發(fā)生，有些發(fā)生在橋梁施工期間，有些出現(xiàn)在橋梁運(yùn)營若干年后，給生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。造成橋梁破壞的因素多種多樣，主要是由于外界因素使橋梁承受的荷載變化并積累到一定程度，超過結(jié)構(gòu)承受能力造成的。橋梁結(jié)構(gòu)在使用期間，要求一直保持良好的工作狀態(tài)，如高速鐵路橋梁，雖然橋梁結(jié)構(gòu)超過設(shè)計(jì)允許的微小變形不致造成結(jié)構(gòu)破壞，但卻會降低時(shí)速350 km列車運(yùn)行的安全性[1]。目前，中鐵二院等單位研發(fā)的基于電阻應(yīng)變片感應(yīng)的測力支座監(jiān)測系統(tǒng)，由于應(yīng)變片易受到溫漂的影響，測量精度也隨之受到影響。

本文研究的橋梁支座監(jiān)測系統(tǒng)采用濺射薄膜傳感器和光纖傳感器，將高性能傳感器技術(shù)應(yīng)用于橋梁球型鋼支座，大幅降低溫漂的影響；采用成熟的數(shù)據(jù)采集技術(shù)并借助現(xiàn)代通信技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸；針對支座系統(tǒng)的測力結(jié)果研發(fā)專用的監(jiān)測平臺，使支座監(jiān)測系統(tǒng)具有自動數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、預(yù)警和專家評估等功能。該系統(tǒng)也可作為橋梁健康監(jiān)測的重要組成部分[2]。

圖1 多向測力支座結(jié)構(gòu)示意圖

1 支座測力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測力球型鋼支座主要部件由上下錨碇鋼棒、上支座板、水平測力環(huán)、球冠襯板、活塞、豎向測力彈性體、下支座板等組成，如圖1所示。其中水平測力環(huán)放置在上支座板與活塞間，為圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，安裝有4個(gè)測量水平力用傳感器，如圖2所示。上支座板將水平力傳遞給水平測力環(huán)，由測力環(huán)上的傳感器反映水平力的變化。豎向測力彈性體放置在活塞與下支座板間，為帶4個(gè)凸臺的圓餅狀結(jié)構(gòu)，安裝有4個(gè)測量豎向力的傳感器，如圖3所示?；钊麑⒇Q向力傳遞至豎向測力彈性體，彈性體上的傳感器反映豎向力的變化。水平和豎向測力元件相互獨(dú)立，互不干擾。

圖2 水平測力環(huán)及傳感器位置示意圖

圖3 豎向測力彈性體及傳感器位置示意圖

2 支座有限元分析

以豎向承載力3 000 kN的球型支座為例，水平設(shè)計(jì)承載力取豎向力的15%即450 kN。采用有限元分析軟件ANSYS建立模型，支座材料采用Q345鋼，測力元件采用具有良好低溫沖擊韌性的40Cr，其材料特性如表1所示。支座球冠襯板和活塞采用SOLID92四面體單元，其余部分采用SOLID185六面體單元，測力元件與支座本體按非線性接觸考慮，接觸單元采用CONTA174和TARGE170。有限元模型如圖4所示[3]。

表1 40Cr材料特性表

圖4 支座有限元模型圖

針對支座受豎向力作用情況，研究豎向測力彈性體的凸臺高度和凸臺受力面角度變化時(shí)凸臺受力情況。凸臺高度范圍0～10 mm，受力面角度范圍30°～70°，計(jì)算結(jié)果顯示，凸臺高度變化引起的主應(yīng)力最大值變化范圍為90.0～90.7 MPa，凸臺受力面角度變化引起的主應(yīng)力最大值變化范圍為76.9～143.3 MPa?？紤]到40Cr材料的應(yīng)力敏感區(qū)間、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和加工難易程度，選取凸臺高度5 mm、受力面角度55°。

針對支座受水平力作用情況，研究水平測力環(huán)厚度和環(huán)上凹槽深度及寬度，測力環(huán)厚度范圍10～50 mm；凹槽深度范圍0～10 mm；凹槽弧度范圍為0°～80°。計(jì)算結(jié)果顯示，測力環(huán)厚度直接決定了受力面積大小，主應(yīng)力最大值變化范圍為37.8～59.3 MPa；凹槽深度的變化引起的主應(yīng)力最大值變化范圍為16.4～60.4 MPa，凹槽寬度的變化引起的主應(yīng)力最大值變化范圍為16.4～57.0 MPa。為保證測力環(huán)的安全性、應(yīng)力敏感區(qū)間，選取測力環(huán)厚度35 mm，凹槽深度2 mm，凹槽弧度30°。

3 支座測力試驗(yàn)

為了驗(yàn)證支座的豎向和水平測力效果和精度，采用光纖傳感器作為感應(yīng)原件，在株洲電機(jī)機(jī)車研究所新材料監(jiān)測中心進(jìn)行了試驗(yàn)[4-5]。

支座的豎向力測試，試驗(yàn)的要求和過程參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17955-2009《橋梁球型支座》，試驗(yàn)荷載取 3 000 kN。實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)輸入如圖5所示。測試的結(jié)果如表2所示，從表2可以看出測量誤差小于4%FS。

圖5 試驗(yàn)室數(shù)據(jù)傳輸示意圖

表2 豎向力測試結(jié)果表

支座的水平力測試，實(shí)驗(yàn)水平荷載取 1 500 kN，測試的結(jié)果如表3所示。從表3可以看出測量誤差小于6%FS。

表3 水平力測試結(jié)果表

豎向和水平力測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)荷載的誤差通過程序軟件進(jìn)行修正補(bǔ)償，補(bǔ)償后誤差控制在1%FS以內(nèi)。

4 信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

通過安裝于支座測力元件(彈性體、測力環(huán))上的光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)對支座應(yīng)力的自動測量，通過光纖光柵傳感器感測彈性體或測力環(huán)上4個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力承載情況，轉(zhuǎn)換為光信號輸出，最后通過有線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸至后臺監(jiān)測中心。當(dāng)橋梁處于無有線網(wǎng)絡(luò)支持的地區(qū)，則采用無線傳輸方式[6-7]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、光伏供電子系統(tǒng)、監(jiān)測中心及終端(包括數(shù)據(jù)庫與專家評估系統(tǒng))。根據(jù)功能不同又可分為監(jiān)測單元、監(jiān)測中心和監(jiān)測終端3個(gè)子系統(tǒng)。監(jiān)測單元子系統(tǒng)由傳感器、光纖解調(diào)儀、無線傳輸設(shè)備(含數(shù)據(jù)采集板和GPRS模塊)和光伏供電設(shè)備組成，負(fù)責(zé)收集支座所測得的數(shù)據(jù)，監(jiān)測并控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)測中心由應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和交換機(jī)組成，負(fù)責(zé)匯集和處理采集到的信息，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)測終端。監(jiān)測終端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、顯示和處理。橋梁支座的監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 橋梁支座監(jiān)測系統(tǒng)全圖

5 工程應(yīng)用

測力支座監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于滬昆客運(yùn)專線北盤江大橋[8]。北盤江大橋是目前世界上跨度最大的鐵路勁性骨架鋼筋混凝土拱橋，橋長445 m，矢高100 m，矢跨比1/4.45，拱上梁沿中心對稱各1聯(lián)4 m×42 m混凝土連續(xù)梁，如圖8所示。

圖8 北盤江大橋總體布置圖(cm)

北盤江大橋拱上混凝土連續(xù)梁為多次超靜定體系，受力狀態(tài)復(fù)雜，安裝測力支座實(shí)測支座反力，通過后臺程序計(jì)算出連續(xù)梁各截面內(nèi)力、分析收縮徐變、溫度變化等產(chǎn)生的附加反力和附加彎矩，監(jiān)測連續(xù)梁橋是否處于正常的工作狀態(tài)。當(dāng)列車通過時(shí)，還能對列車引起的主梁豎向力、水平搖擺力以及超載、偏載效應(yīng)等做到長期準(zhǔn)確監(jiān)測。

針對北盤江大橋拱上梁受力特點(diǎn)，在拱上連續(xù)梁上安裝了2個(gè)測力支座，采用太陽能電池板和蓄電池箱，實(shí)現(xiàn)了在客戶端監(jiān)測與評估軟件上實(shí)時(shí)顯示設(shè)定時(shí)間內(nèi)支座的受力數(shù)值和曲線，并進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警。

滬昆客運(yùn)專線已于2016年底開通運(yùn)營，測力支座監(jiān)測系統(tǒng)已正常使用3年多。作為北盤江大橋的配套設(shè)施，測力支座監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，表明大橋梁部受力狀態(tài)良好，為大橋的安全運(yùn)營提供了數(shù)據(jù)支撐。

6 結(jié)論

通過對橋梁測力支座監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、有限元分析、試驗(yàn)測試和工程應(yīng)用，可得出以下結(jié)論：

(1)支座本體未改變球型鋼支座的受力和傳力特性，試驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)表明其重復(fù)性好、性能穩(wěn)定。

(2)選用的傳感器及配套的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)性能良好，工藝成熟，輸出信號穩(wěn)定準(zhǔn)確，經(jīng)工程應(yīng)用得到了驗(yàn)證。

(3)由于受到傳感器壽命的限制，支座監(jiān)測系統(tǒng)的有效使用時(shí)間距離橋梁的服役年限還有較大差距，還有待于耐久性和穩(wěn)定性更好的傳感器及配套設(shè)備成功研發(fā)后，對該系統(tǒng)進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。

(4)支座監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)成果可監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的施工和運(yùn)營狀態(tài)，納入橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，推動橋梁工程的智能化發(fā)展，亦可為新制式軌道交通橋梁支座監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定參考。