智能盆式橡膠支座設(shè)計及性能研究

吳輝琴 陳俊先 李偉釗 胡強 劉顯暉 田岳松 顧南榮

摘? 要：目前橋梁橡膠支座的健康監(jiān)控通常采用定時手工和目測檢測方法。針對手工和目測方法存在操作不便、危險性較高、無法完全確定支座可靠性等問題，設(shè)計一種安全可靠且經(jīng)濟的智能盆式支座。智能盆式支座的設(shè)計方法：在普通盆式支座的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)改造，并在內(nèi)部布設(shè)傳感器，連接應(yīng)力-應(yīng)變采集系統(tǒng)，組成可視化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)支座整體受壓變形和內(nèi)部應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)實時采集及其可視化監(jiān)控，從而保障橋梁結(jié)構(gòu)安全。采用支座實體試驗和有限元分析計算方法對同一盆式橡膠支座的受力進行對比分析和相互驗證。結(jié)果表明，智能盆式支座的力學性能與普通盆式橡膠支座原型的力學性能基本相似，由此驗證了橡膠支座智能化設(shè)計的可靠性，為該類支座產(chǎn)業(yè)化設(shè)計和推廣應(yīng)用提供理論和試驗依據(jù)。

關(guān)鍵詞：盆式橡膠支座;傳感器;智能化;有限元分析;軸壓試驗

中圖分類號：TB115.1;U443.361? ? ? ? DOI： 10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.01.003

0? ? 引言

支座作為重要的連接構(gòu)件，將橋梁上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形可靠地傳遞給下部橋墩，并協(xié)調(diào)兩者變形，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全[1]。橡膠支座是公路和鐵路橋梁最常用的支座型式，支座分為兩種型式：板式和盆式[2-4]。隨著交通流量日益增大，橋梁支座出現(xiàn)了不同程度的損傷。而支座的健康狀態(tài)數(shù)據(jù)多通過定時人工檢測和目測獲取，這對公路、鐵路等室外作業(yè)的橋梁來說，很多病害不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，支座服役存在安全隱患[5-8]。為此，研發(fā)具有自動反饋受力效應(yīng)的智能橡膠支座極為重要。

目前國內(nèi)外關(guān)于智能橡膠支座的研制和力學性能數(shù)據(jù)自動采集及可視化研究較少。一些學者和機構(gòu)對支座受力過程中某一力學性能數(shù)據(jù)采集進行探索，如韓國釜山國立大學Chang等[9]基于光纖光柵技術(shù)開發(fā)了一款測量支座垂直位移和負載的傳感器，但它對支座結(jié)構(gòu)影響很大，無法確定數(shù)據(jù)的可靠性。韓國建國大學Ha等[10]在支座內(nèi)放入壓電材料，通過測試能量數(shù)據(jù)實現(xiàn)負載測量、車流量和支座受力監(jiān)測，但無法深入分析支座內(nèi)應(yīng)力分布情況。Kim等[11]在板支座橡膠層預埋PVDF聚合物感測片，實時監(jiān)測支座受力變化，評估橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)特性，但只限于監(jiān)測豎向壓力，而且PVDF聚合物會影響支座的整體性。國內(nèi)早期的智能測力支座主要是在支座內(nèi)部設(shè)有油腔，利用油壓的大小估計受力值[12-13]，但受力值的測量波動較大，準確率較低。劉強[14]采用薄膜壓力傳感器采集盆式橡膠支座所受到的壓力，將傳感器放置在橡膠板與中間鋼板的交界面，容易導致傳感器損壞，不利于長期使用且成本較高。綜上所述，目前國內(nèi)外在支座中布設(shè)傳感器的監(jiān)測方法主要存在兩個問題：1）布置傳感器對支座結(jié)構(gòu)改變較大，使得支座的力學結(jié)構(gòu)性能及安全性受到了一定影響，長期服役過程中存在一定的安全隱患;2）智能支座的制作成本較高或技術(shù)實現(xiàn)難度較大。因此，目前市場上尚未出現(xiàn)成熟的智能支座產(chǎn)品。

本文基于智能支座的研究現(xiàn)狀，針對橡膠支座健康監(jiān)測問題，設(shè)計并制作一種安全、受力性能良好且經(jīng)濟的智能盆式支座，對其開展受力理論分析和試驗研究，觀測支座內(nèi)部應(yīng)力-應(yīng)變分布規(guī)律，分析其豎向位移及主要部件的應(yīng)變變化;通過實體受壓試驗，探究智能支座測力可行性，對比有限元模型分析結(jié)果，證實智能盆式支座采集數(shù)據(jù)的有 效性。

1? ? 智能盆式支座研制

智能橡膠支座是在普通橡膠支座的基礎(chǔ)上，增加了測量支座受力和變形的功能，實現(xiàn)對橋梁支座整體受力狀態(tài)和支座內(nèi)部工作狀態(tài)的實時監(jiān)測與安全性評估。

1.1? ?設(shè)計目標

通過普通盆式橡膠支座的內(nèi)部構(gòu)造改造（開槽粘貼傳感元件），置入力學性能測試傳感器，連接應(yīng)力-應(yīng)變采集系統(tǒng)，并組成可視化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)支座受力性能數(shù)據(jù)的實時采集及其可視化監(jiān)控，從而達到預警作用，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全。

1.2? ?智能支座設(shè)計

采用合作企業(yè)生產(chǎn)的GPZ（Ⅱ）-2-SX盆式橡膠支座為原型，其主體部分與《公路橋梁盆式支座》（JT/T 391—2019）[15]中雙向活動支座相同，6層構(gòu)造見圖1。支座智能設(shè)計內(nèi)容包括傳感器選擇、傳感元件布設(shè)和保護、支座力學性能數(shù)據(jù)采集和傳導、數(shù)據(jù)交換及展示。針對支座智能測試需求，選擇光纖光柵、電阻應(yīng)變片等多種傳感元件分別進行試驗，根據(jù)智能化數(shù)據(jù)的準確性、支座改造成本及后期產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)可行性等方面來優(yōu)選傳感器，將傳感元件埋設(shè)在中間鋼板層，鋼板開槽和傳感元件的布置見圖2，孔1布置2個電阻應(yīng)變片式傳感器及2個電阻式壓力傳感器，孔2布置4個壓電式薄膜壓力傳感器。

2? ? 智能盆式支座的力學性能有限元分析

利用有限元方法對結(jié)構(gòu)性能進行仿真分析具有很多優(yōu)勢。選擇ABAQUS有限元軟件，針對智能盆式支座的具體參數(shù)和受力情況建模，模擬分析支座在常規(guī)受壓狀況下的豎向位移及支座內(nèi)部各部件的應(yīng)力-應(yīng)變分布規(guī)律，對比支座實體試驗結(jié)果，證實智能支座的可靠性。

2.1? ?材料參數(shù)

選取GPZ（Ⅱ）-2-SX雙向活動盆式橡膠支座為智能支座原模型，其豎向設(shè)計承載力為2 000 kN，材料參數(shù)見表1。依據(jù)支座主體尺寸及材料參數(shù)建立ABAQUS有限元模型。橡膠屬超彈性材料[16]，其單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3，采用橡膠多項式模型中的Mooney-Rivlin模型模擬橡膠力學性能[17-18]。

2.2? ?網(wǎng)格劃分

各部件網(wǎng)格采用六面體劃分，底盆、橡膠板、中間鋼板、聚四氟乙烯板、不銹鋼滑板以及頂板的近似全局尺寸分別為5 mm、5 mm、2 mm、5 mm、5 mm、5 mm。而橡膠板采用六面體雜交單元，并在分析步中開啟幾何非線性進行分析計算[19-20]，支座各部件網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

2.3? ?荷載設(shè)計與加載制度

依據(jù)《公路橋梁盆式支座》（JT/T 391—2019）對支座豎向承載力試驗方法的規(guī)定，檢驗荷載取1.5倍豎向設(shè)計承載力，采用分級加載方式，將檢驗荷載均分為10級，每級遞升300 kN，逐級加載? ? ? ?支座。

2.4? ?有限元計算結(jié)果與分析

圖5為智能支座在檢驗荷載3 000 kN作用下支座各部件的應(yīng)力分布狀態(tài)圖。由圖可知：1）底盆、不銹鋼滑板以及頂板的應(yīng)力最大值均在支座中心區(qū)域附近，其值分別為51.18 MPa、134.18 MPa、125.68 MPa，均小于部件的極限應(yīng)力，說明智能支座的結(jié)構(gòu)改造沒有影響結(jié)構(gòu)安全性。2）橡膠板的應(yīng)力最大值在板的中間靠外側(cè)及底部，其值為? ?13.98 MPa。因為盆式支座承受壓力時，橡膠板處于三向圍壓狀態(tài)，而橡膠板是超彈性材料，受到軸心壓力時，其壓力傳遞趨勢為中心向外側(cè)擠壓以及向底盆方向擠壓，傳至盆環(huán)及底盆時變形無法傳遞，因此，區(qū)域的應(yīng)力最大。3）中間鋼板應(yīng)力最大區(qū)域在板中間，最大應(yīng)力值集中于孔1棱角處，應(yīng)力值為189.16 MPa，而鋼板中心部分的應(yīng)力值為63.16 MPa，究其原因，孔1的棱角處在支座承受較大壓力時產(chǎn)生應(yīng)力集中。4）聚四氟乙烯板的應(yīng)力分布主要在中間部分，最大應(yīng)力區(qū)域所對應(yīng)的位置與中間鋼板的開孔位置相對應(yīng)，應(yīng)力最大值為16.15 MPa。由此可見，支座受壓時，中間鋼板的開孔會使覆蓋在其上部的聚四氟乙烯板產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使聚四氟乙烯板局部應(yīng)力變大，但其最大應(yīng)力仍未超過部件極限應(yīng)力，有較大的安全富余。

圖6為支座的豎向變形圖。由圖可知，支座的各部件均產(chǎn)生一定的豎向位移，其整體值為2.175 mm。對照普通盆式支座有限元模擬結(jié)果，智能盆式支座豎向位移值與之相近，表明智能盆式支座與普通盆式支座的豎向剛度基本相同。

圖7為中間鋼板測點處應(yīng)變的模擬值。由圖可知，測點發(fā)生的應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，且應(yīng)變-荷載關(guān)系呈線性變化。

表2為各支座部件的應(yīng)力最大值。由表可知，各部件的模擬最大應(yīng)力均未超過部件極限應(yīng)力，且有足夠的安全富余，說明智能盆式支座在理論分析層面的力學性能與普通盆式支座相似且安全可靠。

3? ? 基于智能盆式支座軸壓試驗研究的力學性能

依據(jù)規(guī)范設(shè)計智能盆式支座軸壓試驗，研究其豎向受壓整體位移的變化規(guī)律及支座內(nèi)部應(yīng)力-應(yīng)變的變化規(guī)律，探究支座整體受力狀態(tài)或內(nèi)部工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)一致性。

3.1? ?試件制作

根據(jù)《公路橋梁盆式支座》（JT/T 391—2019）[15]規(guī)定設(shè)計智能盆式橡膠支座軸壓試驗。支座的原型GPZ（Ⅱ）-2-SX盆式橡膠支座與有限元分析支座相同，通過整體壓縮測試和支座內(nèi)部測點受力特性觀測，研究智能盆式支座的受壓規(guī)律及傳感器傳導數(shù)據(jù)的可靠性。

3.2? ? 加載裝置與加載制度

加載裝置及支座加載實況見圖8，加載設(shè)備為500 t四柱壓力機。頂板上設(shè)置400 mm×400 mm加載板，其上對稱安裝4支位移計（編號為1、2、3、4）如圖9所示，測試支座整體豎向壓縮變形，測力傳感器、位移計在試驗前均已標定。

盆式橡膠支座的軸壓試驗的檢驗荷載取豎向設(shè)計承載力（2 000 kN）的1.5倍，采用逐級加載方式，分10級加載，每級荷載300 kN，加載制度如下：

1）預加載? ? ?加載前對支座應(yīng)預壓，預壓荷載為2 000 kN，預壓次數(shù)為3次。

2）加載? ? ?以支座豎向設(shè)計承載力的1%（20 kN）作為初始壓力，然后逐級加載。每級持續(xù)荷載 2 min后讀取電阻應(yīng)變片和位移計數(shù)據(jù)，加載至? ? 3 000 kN時，持續(xù)荷載3 min后卸載至初始壓力，一個加載過程完畢，支座加載試驗重復3次。

3）數(shù)據(jù)處理? ? ?對3次試驗結(jié)果所測出的電阻應(yīng)變片數(shù)據(jù)進行擬合，并將擬合后的公式輸入采集系統(tǒng)，隨后再進行1次加載過程，得到的支座受力值與測力傳感器上的標準力值進行對比。

3.3? ?支座實體軸壓試驗結(jié)果

圖10為支座荷載-豎向位移曲線圖。由圖可知，智能盆式橡膠支座的豎向位移加載初期變化較大，第一級荷載施加完畢，支座的豎向位移就達到最大值的75%，原因是支座組成部件間有空隙、橡膠板超彈性材料受壓初期壓縮變形變化較大[21]。第二級荷載后，空隙被擠壓密實，豎向位移與荷載呈線性分布。連續(xù)3組受壓試驗支座產(chǎn)生的最大位移分別為2.459 mm、2.244 mm及2.229 mm，數(shù)據(jù)接近，表明力學性能較為穩(wěn)定。

圖11為支座內(nèi)部測點處的荷載-應(yīng)變曲線圖。由圖可知，支座是均勻受壓的，荷載-應(yīng)變關(guān)系呈線性，因為各部件間的空隙使得支座初始加載內(nèi)部應(yīng)變較大，加載至300 kN時應(yīng)變回到0附近，而后荷載-應(yīng)變關(guān)系遵循線性關(guān)系。3組連續(xù)試驗得到的支座內(nèi)部應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線重合度較高，這說明電阻應(yīng)變片式傳感器的性能穩(wěn)定，測試結(jié)果不易受干擾。

表3為智能盆式支座的測力數(shù)據(jù)與標準力值的數(shù)據(jù)對比。由表可知，[|（P1?P）/P|]、[|（P2?P）/P]|分別表示測點1、測點2處傳感器所測的力值與標準力值的誤差，除了測點2在第一級荷載300 kN的測力值與標準值相差較大（誤差達到35.31%）外（部件間空隙引起），其余級荷載測試值的誤差均不超過16.25%，并且90%以上測力值的誤差在10%以內(nèi)?？梢娭悄芘枋较鹉z支座的測力效果較為穩(wěn)定，測力數(shù)據(jù)與實際受力相吻合。

4? ? 試驗數(shù)據(jù)與有限元計算數(shù)據(jù)對比分析

4.1? ?智能盆式橡膠支座內(nèi)部應(yīng)變數(shù)據(jù)的比較

把支座內(nèi)部測點有限元模擬計算的應(yīng)變值與支座實體3次受壓試驗測出的應(yīng)變平均值繪制在圖12中，對比分析得出：

1） 模擬值與試驗值總體趨勢相同，兩種方式得到的應(yīng)變與荷載關(guān)系均呈線性分布，最大應(yīng)變模擬值是-128.280，測點1及測點2試驗值分別為? ? ? ? -116.318、-144.792，試驗值與模擬值誤差為9.3%和12.9%，驗證了ABAQUS的分析合理性。

2）ABAQUS的應(yīng)變模擬值在20 kN時未出現(xiàn)試驗值中的突變，整個曲線基本呈線性分布。因為有限元模擬無法輸入支座內(nèi)部各部件之間的空隙的影響，同時有限元是按理想均質(zhì)材料模擬，而實際試驗時各部件之間存在空隙，支座內(nèi)部各部件也并非理想均值材料，加載對數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的干擾，從而發(fā)生應(yīng)力值突變這一現(xiàn)象。

4.2? ?智能盆式支座豎向位移數(shù)據(jù)的對比

支座豎向位移的試驗值與模擬值對比見表4，U為實際軸壓試驗下的支座豎向位移值，[U']為有限元模擬下的支座豎向位移值。由表可見，實際試驗下的3組豎向位移值非常接近，且3組試驗值與模擬值誤差分別是13%、3%、2%?？梢姡珹BAQUS所建立的盆式支座模型在整體剛度上與實際試驗的支座剛度基本吻合，說明該有限元分析是合理的。

因此，有限元分析軟件所獲得的支座內(nèi)部力學性能數(shù)據(jù)包括各部件的應(yīng)力變化趨勢和具體的應(yīng)力值等都是適用的，同時從這些模擬數(shù)據(jù)也證實了智能支座測試數(shù)據(jù)的可靠性。

5? ? 結(jié)論

本文針對橋梁支座的監(jiān)測開展盆式橡膠支座的智能化設(shè)計和有限元分析，并模擬實際受力開展支座軸心受壓試驗研究，得到以下結(jié)論：

1）從支座的有限元模擬結(jié)果來看，其在1.5倍的設(shè)計荷載下，各部件應(yīng)力狀態(tài)均滿足要求且有足夠的安全富余，表明智能盆式支座在理論設(shè)計上滿足實際工程安全可靠的要求。

2）從支座的軸壓試驗結(jié)果來看，隨著荷載的線性增大，智能支座所測數(shù)據(jù)呈線性變化，并且各組試驗變化曲線重合度很高，表明智能支座的監(jiān)測性能穩(wěn)定。同時，在智能支座的測力試驗中，除了在300 kN荷載下，由于支座各部件接觸時存在空隙的原因?qū)е抡`差較大的情況外，其余荷載下的測力結(jié)果都非常接近標準力值，這表明智能支座的測力效果較為優(yōu)異。

3）通過結(jié)合有限元分析和支座實體受力模擬試驗，分析研究所研制的新型智能盆式支座的力學性能，結(jié)果表明，有限元分析結(jié)果和智能支座實體試驗的結(jié)果吻合度比較高，兩者相互驗證，證實所研制智能盆式橡膠支座智能化設(shè)計的可行性和適用性，為后續(xù)智能盆式橡膠支座的產(chǎn)業(yè)化設(shè)計和推廣應(yīng)用提供了理論指導和試驗依據(jù)。

參考文獻

[1]? ? ?周明華，葛寶翔.公路橋梁橡膠支座的使用壽命與應(yīng)用對策[J].土木工程學報，2005（6）：92-96.

[2]? ? ?汪洋，曹加良，施衛(wèi)星.盆式橡膠支座基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震模擬振動臺試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，43（7）：9-13.

[3]? ? ?吳所謂，王帥，荀家正，等.減震型雙向滑移盆式支座結(jié)構(gòu)有限元分析[J].公路，2020，65（11）：98-103.

[4]? ? ?賈毅，趙人達，廖平，等.滑動支座摩擦效應(yīng)對連續(xù)梁橋地震響應(yīng)影響[J].同濟大學學報（自然科學版），2018，46（5）：580-587.

[5]? ? ?李東昇，李國清，和江，等.客貨共線鐵路連續(xù)梁支座病害整治技術(shù)[J].鐵道建筑，2020，60（12）：26-29.

[6]? ? ?閆宇智，戰(zhàn)家旺，張楠，等.基于車激響應(yīng)的橋梁支座脫空病害識別方法研究[J].橋梁建設(shè)，2020，50（2）：19-24.

[7]? ? ?石秋君.既有鐵路橋梁支座病害分析及改造方法[J].鐵道建筑，2017，57（10）：12-14，25.

[8]? ? ?田世清，王俊新，石慶凡.連續(xù)梁橋交接墩嚴重偏移病害原因研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2016，35（3）：17-21.

[9]? ? ?CHANG S J，KIM N S. Development of smart seismic bridge bearing using fiber optic Bragg-grating sensors[C]//Proceedings of the Sensors and Smart Structures Technologies for Civil， Mechanical，and Aerospace Systems， 2013（8692）：869228.

[10]? ?HA D H，KIM D，CHOO J F，et al. Energy harvesting and monitoring using bridge bearing with built-in piezoelectric material[C]//Proceedings of the 7th International Conference on Networked Computing（INC2011），2011，129-132.

[11]? ?KIM J，PARK Y，CHOI I，et al. Development of smart elastomeric bearing equipped with PVDF polymer film for monitoring vertical load through the support[J].Verein Deutscher Ingenieure-Berichte，2002，16（5）：135-140.

[12]? ?賈勤波，王存江，張興彥.測力式支座的應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù)，1997（4）：53.

[13]? ?裴薈蓉，李金保，田建德，等.液壓式調(diào)高測力盆式橡膠支座調(diào)高性能試驗[J].公路，2008（10）：50-53.

[14]? ?劉強. 橋梁智能支座受力監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].濟南：山東大學，2016.

[15]? ?中國公路學會橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會.公路橋梁盆式支座：JT/T 391—2019[S].北京：人民交通出版社，2019.

[16]? ?肖銳，向玉海，鐘旦明，等.考慮纏結(jié)效應(yīng)的超彈性本構(gòu)模型[J].力學學報，2021，53（4）：1028-1037.

[17]? ?楊然. 隔震橡膠支座大剪切變形試驗?zāi)M與剛度影響分析[D].太原：太原理工大學，2018.

[18]? ?羅文波，姜俠，胡小玲，等.減振橡膠疲勞黏滯生熱的仿真分析[J].振動與沖擊，2021，40（12）：210-218.

[19]? ?桂金洋，張鵬，鄧宇，等.預應(yīng)力部分外包組合梁有限元模擬分析[J].廣西科技大學學報，2020，31（3）：67-74.

[20]? ?胡強，陳勁飆.帶鋼桁架連梁的剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能有限元分析[J].廣西科技大學學報，2017，28（4）：37-41.

[21]? ?尚守平，雷振海.鉸軸式鋼支座有限元分析及試驗研究[J].廣西大學學報（自然科學版），2014，39（1）：137-145.

Design and performance of an intelligent basin rubber bearing

WU Huiqin， CHEN Junxian， LI Weizhao， HU Qiang， LIU Xianhui， TIAN Yuesong， GU Nanrong

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： An intelligent basin rubber bearing is designed aimed at the inconvenient operation， high risks， and inability to determine the reliability of the bearing by manual and visual inspection methods in the current health monitoring of the bridge rubber bearing. The mechanical sensors were arranged in the conventional rubber bearing; the stress and strain acquisition system was connected; a visual? ? monitoring network was formed to implement the real-time collection of bearing strain data and visual monitoring. Then， the physical experiment method and finite element analysis method were used to compare， analyze， and calculate the force of the same rubber bearing. It is found that the mechanical properties of intelligent basin rubber bearing are basically similar to those of ordinary basin rubber? ?bearing prototype. The research verifies the reliability of the design， thus providing a theoretical and? ?experimental basis for industrial design and application of this intelligent basin rubber bearing.

Key words： basin rubber bearing; sensor; intelligentization; finite element analysis; axial compression test

（責任編輯：羅小芬）