可調高拉壓智能支座設計與應用

丁玉平，李 攀，韓 鵬

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司,上海市200092）

成果應用

可調高拉壓智能支座設計與應用

丁玉平，李 攀，韓 鵬

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司,上海市200092）

獨柱墩橋梁傾覆過程與支座受力狀況緊密相關,因而研究能感知受力狀況的支座顯得尤為重要。設計了一種可調高拉壓智能支座,通過在支座本體中安裝壓電陶瓷,可判斷支座拉壓狀況以及是否出現脫空和變位；同時在支座底部設計調高組件,可調節支座安裝高度。所設計的智能支座,能有效監控獨柱墩傾覆風險,具有施工方便、適用范圍廣和成本低等優點。

智能支座；獨柱墩；抗傾覆；可調高

0 引言

當前,我國城市立交、高速匝道等曲線橋梁多采用獨柱現澆連續箱梁結構形式,該種橋梁的下部結構形式具有減少占地、增加視野和橋梁美觀的優點。但目前我國載重車輛存在的超載現象,導致該種結構形式的橋梁在使用過程中發生了多起傾覆事故,逐漸引起相關人員的反思。究其原因,獨墩柱橫橋向采用單支點支撐,在超載車輛偏載作用下,結構的橫向抗傾覆性較差,尤其是獨柱匝道箱梁橋的橋面狹窄,自重小,車輛荷載在荷載組合中所占的比重大；而且,現行的公路橋梁規范對于橫向傾覆穩定性沒有相關的規定,處于空白狀態,設計時往往會忽略偏心偶然超載作用下的橋梁橫向穩定計算分析,使得在偶然作用下的結構使用存在隱患[1,2]。

獨柱墩傾覆是逐漸出現的,在橋梁傾覆之前,會發生支座受力變化,產生支座偏壓甚至脫空。對于單支座,支座脫空后會導致支座轉角變形過大,進而引起梁體滑移現象；對于多支座,脫空的支座失去對結構的支撐作用,只剩下其余的支座對結構產生約束,導致支座反力的重分布,進而出現支座承載力超限引起支座破壞,梁體發生滑移。因此,結構傾覆與支座受力狀況緊密相關,研究能感知受力狀況的支座顯得尤為重要。

1 拉壓智能支座原理

在眾多智能材料中,壓電材料以其特有的驅動和傳感功能成為近年來在土木工程界廣泛研究和應用的智能材料之一。因其在傳感方面具有響應快,頻響范圍寬,易剪裁,價格低廉等特點而在結構健康監測方面存在著巨大的應用潛力[3]。

當某些電介質晶體在外力作用下發生變形時,在其某些表面上出現異號極化電荷。這種沒有電場的作用,只是由于應變或應力,在晶體內產生電極化的現象稱為正壓電效應或壓電效應。

原始的壓電材料體內具有一種無序排列的電疇結構,由于此時電疇內的自發極化方向是任意的,這時壓電陶瓷在宏觀上不表現壓電性[4]。但是當壓電材料受到某個特定方向的外力時,其內部電疇呈有序同向狀態,在特定表面出現束縛電荷,對外顯示出極性。極化后的壓電陶瓷從外界吸附電荷來維持體內的電量平衡。當受到外力或外加電場的作用時,體內的極化強度發生改變,并伴隨著充放電現象和變形,表現出壓電陶瓷的正逆壓電效應。壓電元件的壓電效應及逆壓電效應使其具有了驅動、傳感雙重功能,利用這一特性可實現結構的實時、在線監測。

2 可調高拉壓智能支座設計

設計在支座內部安裝壓電陶瓷,并電性連接控制器,該壓電陶瓷在自由狀態下不顯電性,在壓縮狀態下放電,拉伸狀態下充電,壓電陶瓷利用壓電效應產生電信號,并將電信號傳輸給控制器,控制器根據壓電陶瓷產生的電信號,判斷智能型支座是否出現脫空和變位,如圖1所示。

圖1 壓電陶瓷的壓電效應

另外,為擴大該智能支座的應用范圍和廣泛適用性,在支座底部設計調高組件,以利于支座在不同支座安裝高度時均能應用。調高組件設置在支座下方并與支座機械連接。可通過調高組件調節支座高度,同時給支座施加預壓力,保證智能型支座與上下構件緊密貼合,如圖2所示。

圖2 智能支座調高組件

所設計的智能型支座,能實現支座高度可調和支座拉壓狀態監控,能有效監控獨柱墩傾覆隱患,具有施工方便、適用范圍廣和成本低等優勢。

3 實施案例

某高架E匝道共設10孔,跨徑組合為18.2 m+ 21.0 m+21.0 m+21.0 m+18.0 m+20.0 m+25.0 m+ 25.0 m+25.0 m+20.47 m,橋梁總長度為214.67 m,位于R=73.0 m的圓曲線上,最大橫坡為5%,最大縱坡為5.6%,如圖3所示。橋梁上部結構采用連續箱梁結構,每5跨度連續,除伸縮縫處的E5墩為雙柱式橋墩外,其他橋墩均為獨柱式橋墩。該橋梁建成后,其E4獨柱頂部發生破裂現象,需對全橋獨柱墩進行加固。

設計采用在獨柱墩上加裝鋼蓋梁,同時新增兩個可調高拉壓智能支座,如圖4所示。由于橋梁縱向存在縱坡,各墩的梁底與鋼蓋梁高差不同,采用可調高支座,利于統一上下鋼墊板規格,還可調節智能支座的初始應力狀態。

圖4 鋼蓋梁示意圖

圖3 某高架E匝道總體布置圖(單位:mm)

將智能型支座放置在鋼牛腿上,橋梁原支座與兩側的智能型支座構成“蹺蹺板”結構。假設智能型支座的初始高度為20 cm,調節智能型支座的高度,使其上表面與橋梁梁底緊密貼合,下表面與鋼牛腿緊密貼合,此時智能型支座的高度壓縮為15 cm,智能型支座的高度維持15 cm時,智能型支座處于穩定狀態,不顯電性不產生電信號,如果在超載車輛偏載作用下,橋梁梁體發生傾斜,根據蹺蹺板原理,橋梁支座一側的智能型支座壓力增大,高度壓縮變小,壓縮過程中放電產生正電荷信號；橋梁支座另一側的智能型支座壓力變小,拉伸過程中充電產生負電荷信號。從而判斷出支座的受力及變位狀況。

[1]劉鵬.彎梁橋的評價與加固方法研究[D].西安:長安大學,2007.

[2]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[3]Winston H A,Sun F,Annigeri B S.Structural health monitoring with piezoelectric active sensors[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2001,123:353-358.

[4]王昌明,孔德仁,何云峰.傳感與測試技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

U443.36

B

1009-7716（2017）07-0271-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.082

2017-00-00

丁玉平（1963-）,男,上海人,工程師,從事橋梁設計工作。