橋梁智能測力盆式支座及性能分析

摘要 針對大廣高速南康至龍南段擴容工程復雜地質條件下橋梁多支點受力監控需求，研制了一種新型智能測力支座。介紹了其結構構造與測力原理，并采用ABAQUS軟件建立了支座的有限元模型，分析了受力狀態下各部件的應力特性，并對支座的力學性能及無水平轉角與0.02 rad水平轉角下的測力性能開展了試驗研究。研究結果表明：支座各部件的最大等效應力均小于設計容許值，強度滿足要求；支座的承載力滿足規范要求；支座無水平轉角與0.02 rad水平轉角下的測力性能均滿足設計要求，為該項目的應用提供了理論及試驗依據。

摘要 測力盆式支座; 性能研究; 數值模擬; 力學性能; 測力性能

中圖分類號 U443.36 文獻標志碼 A

0引言

橋梁支座，作為連接橋梁上下部結構的關鍵構件，其性能好壞將直接影響橋梁的壽命和服役安全［1］。傳統的支座本身不具備測力功能，需要測力時通常需借助千斤頂、臨時支撐等輔助設備，其工藝復雜、施工難度大、成本高，隨著技術的發展與進步，測力支座的應用需求逐步增多。國內外學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，開發了一種測力支座；朱全軍等［3］基于支座反力監測提出了一種橋梁動態稱重方法，并通過理論模型、數值模擬及試驗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定性能進行了試驗研究；鄭曉龍等［5］將濺射薄膜傳感器和光纖傳感器應用于支座上，形成新型測力支座，并對其測力特性及工程應用進行了相關研究；吳輝琴等［6］通過在支座內部開槽粘貼傳感元件等方式設計一種智能盆式橡膠支座，并通過有限元模擬及試驗研究驗證其性能。目前，對智能測力支座的研究主要集中在測力性能的驗證上，普遍需要對現有支座進行較大改造，傳感元件的更換問題有待研究，無法滿足現有橋梁對支座力監測和實用的要求。

本文基于大廣高速南康至龍南段擴能工程項目復雜地質條件及多點連續支承橋梁結構對支座的特殊需求，研發了一種智能測力盆式支座，建立了支座的有限元模型，通過數值仿真并結合試驗驗證的方法對支座的力學性能及測力性能展開了研究。

1支座結構及測力原理

智能測力盆式支座，通過將常規盆式支座中的中間鋼板進行工藝與尺寸改造形成測力體，布設傳感元件，并結合相應采集、傳輸系統，實現測力功能，其典型結構構造見圖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，在測力體四周側壁布設應變傳感器及溫度補償器，并設有密封防護措施，傳感器布置見圖2，圖2中溫度補償傳感器未示意。傳感器采用高精度、高靈敏度光纖光柵應變傳感器。通過對測體力的應變進行實時采集，并基于預標定并擬合的荷載-應變關系式實現支座豎向力的監測。

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行數值分析。為更準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六面體實體單元建模，模型單元總計87 410個，節點總計174 777個，有限元模型見圖3。模型各部件接觸面間均設置基于罰函數模型的接觸對。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模型模擬其力學性能［6］，其單軸拉伸應力-應變曲線見圖4。

支座其余各部件所用材料力學參數見表1。

3有限元結果分析

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

支座各部件最大等效應力值見表2，各部件最大等效應力均未超出設計容許值，符合相關標準要求。

4支座力學性能試驗

以4000SX智能測力盆式支座（支座總高150 mm，盆環直徑500 mm）為研究對象，試驗在四川交大工程檢測咨詢有限公司進行，試驗設備為15 000 kN支座動靜態壓剪試驗機。試驗方法按照JT/T 391-2019《公路橋梁盆式支座》附錄A［8］的規定進行，試驗結果如圖6、圖7所示。由試驗數據經簡要計算可知，支座豎向壓縮變形與支座總高的百分比為0.55%，盆環徑向變形與盆環外徑的千分比為0.03‰，均滿足規范“在豎向設計荷載作用下，支座的豎向壓縮變形不應大于支座總高度的2%，盆環徑向變形不應大于盆環外徑的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

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，在工廠內部標準試驗機下進行豎向荷載-傳感器應變曲線標定并進行公式擬合后進行測力性能試驗，本支座豎向荷載-傳感器應變關系式為：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變平均值）。

為充分考慮支座在使用過程中水平轉角對測力性能的影響，本試驗設計無水平轉角與0.02 rad水平轉角2種工況。支座0.02 rad水平轉角通過在上支座板與試驗機頂板之間設置楔形鋼板的方式實現。試驗荷載為設計荷載的1.2倍，即1.2P，以 1%試驗荷載為起點，連續加載至試驗荷載，加載速度不大于 5 kN/s，穩壓3 min后卸除，重復3次。分別記錄0.2P、0.4P、0.6P、0.8P、1.0P、1.2P豎向荷載時對應的傳感器應變值，結果見圖8、圖9。并通過豎向荷載-傳感器應變關系式得出實測值，數據及分析結果見表3。

由試驗結果可知，支座在無水平轉角下的示值誤差為1.59%，重復誤差為0.165%FS（FS表示設計滿量程）；在0.02 rad水平轉角下的示值誤差為2.98%，重復誤差為0.845%FS。滿足設計“支座測力誤差不大于5%，重復性誤差≤3%FS”的要求，因此，支座的測力性能滿足要求。

6結論

基于大廣高速南康至龍南段擴能工程項目需求研制了一種智能測力盆式支座。并通過有限元數值模擬及試驗研究的方法對其力學性能及測力性能進行了研究。得出結論：

（1）支座各部件的最大等效應力值均小于材料設計容許值，滿足使用要求。

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

（3）通過無水平轉角及0.02rad水平轉角2種工況的測力性能試驗可知，支座在無水平轉角下的示值誤差為1.59%，重復誤差為0.165%FS，在0.02rad水平轉角下的示值誤差為2.98%，重復誤差為0.845%FS。支座正常及發生水平轉角狀態下的測力性能均能滿足設計要求。

參考文獻

［1］莊軍生. 橋梁支座［M］.4版. 北京： 中國鐵道出版社，2015.

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

［3］朱全軍，肖強，鄧露. 基于支座反力的橋梁動態稱重方法［J］. 中外公路，2019（39）.

［4］裴薈蓉，李金保，田建德，等. 液壓式調高測力盆式橡膠支座調高性能試驗［J］. 公路，2008（10）.

［5］鄭曉龍，陳列，顏永逸，等. 橋梁測力支座監測系統設計與工程應用［J］. 高速鐵路技術，2021（12）.

［6］吳輝琴，陳俊先，李偉釗，等. 智能盆式橡膠支座設計及性能研究［J］. 廣西科技大學學報，2022（33）.

［7］李冰，王少華，嚴情木. 基于ABAQUS非線性接觸分析的球型支座轉動性能及結構分析［J］. 鐵道建筑，2012（11）.

［8］馮苠，譚昌富，李文杰，等. 公路橋梁盆式支座：JT/T 391-2019［S］. 北京：人民交通出版社，2019.