CN104343082A - 一种球型钢支座 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球型钢支座，包括：顶支座板、底支座板以及可滑动紧固在顶支座板和底支座板之间的球型钢板，底支座板朝向球型钢板的一侧嵌入不锈钢膜片，不锈钢膜片上装设合金电阻，合金电阻通过分子键与不锈钢膜片连接一体，形成用以感应支座竖向压力的惠斯登电桥的合金薄膜应变单元，其中：外界荷载作用在球型钢支座上引起合金薄膜应变单元的形变，合金薄膜应变单元将产生用以监测球型钢支座竖向压力的电压信号。实施本发明的球型钢支座，可以实时监测球型钢支座的受力情况，从而判断球型钢支座的健康状况；具有较好的耐疲劳性能，稳定性高；体积小，对支座的力学性能影响较小。

Description

一种球型钢支座

技术领域

本发明涉及支座领域，具体来说，是涉及一种可以实时监测健康状况具有自诊断功能的球型钢支座。

背景技术

目前普遍应用的支座主要包括盆式橡胶支座、板式橡胶支座和球型钢支座。但各种橡胶材质制成的支座由于竖向承载力较低，耐久性较差，不能单独应用于上部结构很重并对水平位移要求较大的大型构筑物中，例如：大跨度空间结构及大跨度桥，此时，就需用到球型钢支座。

从以往桥梁的破坏情况来看，大部分破坏发生在桥梁的支座处，支座作为主要的传力构件，支座失效将导致整个桥梁的整体倒塌，造成不可估量的严重后果，支座性能的长期稳定性的对于桥梁整体安全性具有重要的意义。

但就目前来说，还没有一种可以监测支座健康状况的设备，或者具有压力监测功能的支座，也曾有人试图采用传感器来检测支座的受力情况，但是一般的传感器无法放到支座中，即使可以放至支座中，也会影响支座的受力，产生不良影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种球型钢支座，可以实时监测球型钢支座的受力情况，从而判断球型钢支座的健康状况；具有较好的耐疲劳性能，稳定性高；体积小，对支座的力学性能影响较小。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种球型钢支座，包括：顶支座板、底支座板以及可滑动紧固在顶支座板和底支座板之间的球型钢板，底支座板朝向球型钢板的一侧嵌入不锈钢膜片，不锈钢膜片上装设合金电阻，合金电阻通过分子键与不锈钢膜片连接一体，形成用以感应支座竖向压力的惠斯登电桥的合金薄膜应变单元，其中：外界荷载作用在球型钢支座上引起合金薄膜应变单元的形变，合金薄膜应变单元将产生用以监测球型钢支座竖向压力的电压信号。

优选的，球型钢板的底部设为凸出的球型弧面，底支座板的顶部为内凹的球型弧面，与球型钢板的球型弧面相匹配。

优选的，球型钢板的顶侧覆盖有平面滑板，球型钢板的底侧覆盖有球面滑板，合金薄膜应变单元设在底支座板和球面滑板之间，并可抵顶在球面滑板上。

优选的，球型钢板的底部覆盖球面滑板，球面滑板设在凸出的球型弧面和内凹的球型弧面之间，合金薄膜应变单元嵌装在底支座板上，与底支座板的内凹的球型弧面保持平齐，并抵顶在球面滑板上。

优选的，平面滑板和球面滑板使用聚四氟乙烯材料制成。

优选的，顶支座板和/或底支座板的边缘分别设有用以限制顶支座板和/或底支座板滑动范围的导向装置。

优选的，顶支座板两条对边边缘向外伸出并向下延伸有外沿部分，导向装置为设置在外沿部分与底支座板之间的高阻尼橡胶条。

优选的，顶支座板及底支座板上分别设有用以与构筑物固定安装的套筒。

优选的，底支座板设有用以供合金薄膜应变单元具有的高温屏蔽极细导线引出的微孔。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案是：一种球型钢支座，球型钢支座包括：顶支座板、底支座板以及可滑动紧固在顶支座板和底支座板之间的球型钢板，底支座板朝向球型钢板的一侧嵌入合金电阻，合金电阻通过分子键与底支座板连接一体，形成用以感应支座竖向压力的惠斯登电桥的合金薄膜应变单元，其中：外界荷载作用在球型钢支座上引起合金薄膜应变单元的形变，合金薄膜应变单元将产生用以监测球型钢支座竖向压力的电压信号；球型钢板的顶侧覆盖有平面滑板，球型钢板的底侧覆盖有球面滑板，合金薄膜应变单元设在底支座板和球面滑板之间，并可抵压在球面滑板上。

优选的，球型钢板的底部设为凸出的球型弧面，底支座板的顶部为内凹的球型弧面，与球型钢板的球型弧面相匹配，球面滑板设在凸出的球型弧面和内凹的球型弧面之间。

优选的，平面滑板和/或球面滑板使用聚四氟乙烯材料制成。

本发明所提供的一种球型钢支座，具有如下有益效果：首先，可以实时监测支座的受力情况，从而判断支座的健康状况。并且可以通过对监测数据的后期处理实现预警功能，即当支座应力超过允许值或刚度突然发生变化时，能够自动报警，避免桥梁等建筑的倒塌，避免惨剧的发生。

其次，在球型钢支座中设置合金薄膜应变单元，合金薄膜应变单元与支座的滑动面间设有由低摩擦材料制成的滑板，且连为一个整体；合金薄膜应变单元与整个球型钢支座融为一体，不影响支座的力学性能，且合金薄膜应变单元体积较小，不影响支座的力学性能。

再次，本发明中的合金薄膜应变单元具有较好疲劳性能，交变应力循环次数可以在5000万次以上，能够长时期在-40 ~150摄氏度的工作温度下稳定工作。本发明的一种球型钢支座，构造简单，成本低，应用广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明球型钢支座实施例一的装配剖面结构示意图。

图2为本发明球型钢支座实施例一中合金薄膜应变单元的剖面示意图。

图3为本发明球型钢支座实施例二的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面参考附图对本发明的优选实施例进行描述。

结合参见图1-图2所示，为本发明球型钢支座的实施例一。

本实施例中的球型钢支座，包括：顶支座板21、底支座板22，底支座板22以及可滑动紧固在顶支座板21和底支座板22之间的球型钢板11，底支座板22朝向球型钢板11的一侧装设压力监测结构。该压力监测结构包括不锈钢膜片31（如图2所示），以及装设在不锈钢膜片31上的合金电阻32，合金电阻32通过分子键与不锈钢膜片31连接一体，形成用以感应支座竖向压力的惠斯登电桥的合金薄膜应变单元3。

如图1所示的球型钢支座，球型钢板11的底部设为凸出的球型弧面（图未示），底支座板22的顶部为内凹的球型弧面222，与球型钢板11的球型弧面相匹配。凸出的球型弧面与内凹的球型弧面222适配连接形成一滑动面，通过滑动面的滑动释放梁端弯矩。 

优选的，球型钢板11的顶面可滑动的适配连接在顶支座板21上。

可以理解的是，底支座板22和球型钢板11分别设置内凹的球型弧面222和凸出的球型弧面的位置可进行互转，即在球型钢板11上设置内凹的球型弧面，而底支座板设置凸出的球型弧面，使两支座能够相适配连接形成滑动面即可，不影响实施。

如图2所示，为本实施例中球型钢支座合金薄膜应变单元的剖面示意图，底支座板22朝向球型钢板11的一侧潜入不锈钢膜片31，不锈钢膜片31上装设合金电阻32，合金电阻32通过分子键与不锈钢膜片31连接一体，形成用以感应支座竖向压力的惠斯登电桥合金薄膜应变单元3，合金薄膜应变单元3的作用是，当外界荷载作用在顶支座板21或底支座板22上引起合金薄膜应变单元3的形变时，合金薄膜应变单元3将产生用以监测球型钢支座竖向压力的电压信号，也就是说，当合金薄膜应变单元3的膜片产生微小的形变时，电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，该信号经过处理，便能够转变为可读形式的压力数据。

具体实施时，该合金薄膜应变单元3包含有薄膜式压力传感器或溅射薄膜压力传感器两种结构中的相应结构件。合金薄膜应变单元3位于底支座板22的弧形表面上，在底支座板上表面设置滑板，从而减小底支座板与球形钢板直接的摩擦系数。滑板与球型钢板11的凸出的球型弧面相接触。滑板优先采用聚四氟乙烯材料制成。

进一步的，球型钢板11的顶侧覆盖有平面滑板41，球型钢板11的底侧覆盖有球面滑板42，合金薄膜应变单元3设在底支座板22和球面滑板42之间，并可抵顶在球面滑板42上。本实施例中的球面滑板42与底支座板22的内凹的球型弧面222具有相同的曲率半径；嵌装在底支座板22上的不锈钢膜片31和合金电阻32与内凹的球型弧面222的弧面保持平齐，并抵顶在球面滑板42上。

进一步的，本实施例中的球面滑板42由低摩擦材料制成，例如聚四氟乙烯（特氟龙）等低摩擦材料。

设置球面滑板42的作用是：使球型钢板11和底支座板22之间可以产生小幅滑动释放梁端弯矩。

进一步的，可以在本实施例中的球型钢板11上设置用以供合金薄膜应变单元3具有的高温屏蔽极细导线33引出的微孔223。

进一步的，可以在本实施例中的球型钢支座上安装与球型钢支座相连接的信号处理设备和数据传输装置（图未示），实施时可将支座的监测数据传输至控制室。具体地，合金薄膜应变单元3产生用以监测球型钢支座竖向压力的电压信号，该信号经过通过高温屏蔽极细导线33传导至支座外的信号处理设备和数据传输装置，转变为可读形式的监测数据传输至控制室，进行数据的后期处理，当支座的压应力值超出允许压应力值或刚度发生突变时发出安全警报。

进一步的，球型钢板11的顶侧覆盖的平面滑板41，其与顶支座板21相接触。在温度荷载作用下，顶支座板21与球型钢板11之间可以相对滑动，释放桥梁上部结构的温度应力。

本实施例中，平面滑板41由聚四氟乙烯（特氟龙）等低摩擦材料，使球型钢板11和顶支座板21之间在温度荷载作用下可以产生小幅滑动，来释放温度荷载。

进一步的，本实施例中的顶支座板21及底支座板22上分别设有用以与构筑物固定安装的套筒6。

本实施例中的球型钢支座可以广泛应用在桥梁中，其具有传力可靠，转动灵活的特点。不但具备盆式橡胶支座承载能力大，容许支座位移大等优势，而且还能较好地适应支座大转角的需要，球型钢支座通过球面传力，不会出现力的径缩现象。

球型钢支座通过球面滑板的滑动来实现支座的转动过程，转动力矩小，而且转动力矩只与支座球面半径及球面滑板的摩擦系数有关，与支座转角大小无关，支座各向转动性能一致；支座不用橡胶承压，不存在橡胶老化对支座转动性能的影响，特别适用于低温地区。

当结构发生转角时，球型钢板11产生转动，释放上部结构产生的转矩。这样既能保证桥梁上、下结构合理相对位移，又使结构保持统一性。球型钢支座适用于大跨度空间结构及大跨度桥，特别适用于宽桥、曲线桥、斜桥。

参见图3，为本发明球型钢支座的实施例二。

本实施例与上述实施例一的不同之处在于，可以在本实施例中的顶支座板21和底支座板22的边缘分别设有用以限制顶支座板21和底支座板22滑动范围的导向装置51。导向装置51的作用是为了支座在大震作用下，保证球型钢板11不会从底支座板22的内凹的球型弧面222内滑出去。

优选的，顶支座板21两条对边边缘向外伸出并向下延伸有外沿部分（图未示），导向装置51为设置在外沿部分与底支座板之间的高阻尼橡胶条。高阻尼橡胶条在地震荷载作用下起到减震作用。

本发明球型钢支座的其他实施方式中，合金薄膜应变单元3可以不含有不锈钢膜片31，合金电阻32通过分子键直接与顶支座板21或底支座板22连接一体，合金薄膜应变单元3监测球型钢支座竖向压力电压信号的实施方式与上述实施方式相同。此外，该种实施方式中除合金薄膜应变单元3结构外的其他结构可按上述实施例一及实施例二中的实施方式进行变换或组合。

本发明球型钢支座的其他实施方式中，合金薄膜应变单元3可以设在滑动连接的顶支座板21和球型钢板11之间，其安装方式与上述安装在底支座板22和球型钢板11之间的实施方式相同。具体实施时，该合金薄膜应变单元3也包含有薄膜式压力传感器或溅射薄膜压力传感器两种结构中的相应结构件。

实施本发明的球型钢支座，首先，可以实时监测支座的受力情况，从而判断支座的健康状况。并且可以通过对监测数据的后期处理实现预警功能，即当支座应力超过允许值或刚度突然发生变化时，能够自动报警，避免桥梁等建筑的倒塌，避免惨剧的发生。

其次，在球型钢支座中设置合金薄膜应变单元，合金薄膜应变单元与支座的滑动面间设有由低摩擦材料制成的滑板，且连为一个整体；合金薄膜应变单元与整个球型钢支座融为一体，不影响支座的力学性能，且合金薄膜应变单元体积较小，不影响支座的力学性能。

再次，本发明中的合金薄膜应变单元具有较好疲劳性能，交变应力循环次数可以在5000万次以上，能够长时期在-40 ~150摄氏度的工作温度下稳定工作。本发明的一种球型钢支座，构造简单，成本低，应用广泛。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (12)

1.一种球型钢支座，其特征在于，所述球型钢支座包括：顶支座板、底支座板以及可滑动紧固在所述顶支座板和所述底支座板之间的球型钢板，所述底支座板朝向所述球型钢板的一侧嵌入不锈钢膜片，所述不锈钢膜片上装设合金电阻，所述合金电阻通过分子键与所述不锈钢膜片连接一体，形成用以感应支座竖向压力的惠斯登电桥的合金薄膜应变单元，其中：

外界荷载作用在所述球型钢支座上引起所述合金薄膜应变单元的形变，所述合金薄膜应变单元将产生用以监测球型钢支座竖向压力的电压信号。

2.如权利要求1所述的球型钢支座，其特征在于，所述球型钢板的底部设为凸出的球型弧面，所述底支座板的顶部为内凹的球型弧面，与所述球型钢板的所述球型弧面相匹配。

3.如权利要求1或2所述的球型钢支座，其特征在于，所述球型钢板的顶侧覆盖有平面滑板，所述球型钢板的底侧覆盖有球面滑板，所述合金薄膜应变单元设在所述底支座板和所述球面滑板之间，并可抵顶在所述球面滑板上。

4.如权利要求2所述的球型钢支座，其特征在于，所述球型钢板的底部覆盖球面滑板，所述球面滑板设在所述凸出的球型弧面和所述内凹的球型弧面之间，所述合金薄膜应变单元嵌装在所述底支座板上，与所述底支座板的所述内凹的球型弧面保持平齐，并抵顶在所述球面滑板上。

5.如权利要求3所述的球型钢支座，其特征在于，所述平面滑板和所述球面滑板使用聚四氟乙烯材料制成。

6.根据权利要求1所述的球型钢支座，其特征在于，所述顶支座板和/或所述底支座板的边缘分别设有用以限制顶支座板和/或所述底支座板滑动范围的导向装置。

7.根据权利要求6所述的球型钢支座，其特征在于，所述顶支座板两条对边边缘向外伸出并向下延伸有外沿部分，所述导向装置为设置在所述外沿部分与所述底支座板之间的高阻尼橡胶条。

8.根据权利要求1所述的球型钢支座，其特征在于，所述顶支座板及所述底支座板上分别设有用以与构筑物固定安装的套筒。

9.根据权利要求1所述的球型钢支座，其特征在于，所述底支座板设有用以供合金薄膜应变单元具有的高温屏蔽极细导线引出的微孔。

10.一种球型钢支座，其特征在于，所述球型钢支座包括：顶支座板、底支座板以及可滑动紧固在所述顶支座板和所述底支座板之间的球型钢板，所述底支座板朝向所述球型钢板的一侧嵌入合金电阻，所述合金电阻通过分子键与所述底支座板连接一体，形成用以感应支座竖向压力的惠斯登电桥的合金薄膜应变单元，其中：

外界荷载作用在所述球型钢支座上引起所述合金薄膜应变单元的形变，所述合金薄膜应变单元将产生用以监测球型钢支座竖向压力的电压信号；

所述球型钢板的顶侧覆盖有平面滑板，所述球型钢板的底侧覆盖有球面滑板，所述合金薄膜应变单元设在所述底支座板和所述球面滑板之间，并可抵压在所述球面滑板上。

11.如权利要求10所述的球型钢支座，其特征在于，所述球型钢板的底部设为凸出的球型弧面，所述底支座板的顶部为内凹的球型弧面，与所述球型钢板的所述球型弧面相匹配，所述球面滑板设在所述凸出的球型弧面和所述内凹的球型弧面之间。

12.如权利要求10所述的球型钢支座，其特征在于，所述平面滑板和/或所述球面滑板使用聚四氟乙烯材料制成。