CN104343083B - 一种支座及其压力监测结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于支座的压力监测结构，包括：不锈钢膜片，用以嵌装在支座所具有的支座中感应外界荷载；装设在不锈钢膜片上的合金电阻，合金电阻通过分子键与不锈钢膜片连接一体，形成惠斯登电桥类型的用以感应所受到压力的合金薄膜应变单元，其中：外界荷载作用在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支座竖向压力的电压信号。本发明还公开了一种支座。实施本发明的支座及其压力监测结构，可以实时监测支座的受力情况，从而判断支座的健康状况；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

一种支座及其压力监测结构

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支座。

背景技术

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，提供一种支座，可以实时监测支座的受力情况，从而判断支座的健康状况；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底支座板连接一体，形成惠斯登电桥类型的用以感应所受到压力的合金薄膜应变单元，其中：外界荷载作用在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；

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；

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。

优选的，平面滑板和/或球面滑板使用聚四氟乙烯材料制成。

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，在外沿部分与底支座板之间设有用以限制顶支座板和/或底支座板滑动范围的高阻尼橡胶条。

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；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：一种支座，其特征在于，支座包括：顶支座板、钢盆以及可紧固在顶支座板和钢盆之间的橡胶板，钢盆的侧边缘高于橡胶板的顶表面；橡胶板与钢盆的接触处设有密封件；合金电阻通过分子键与钢盆连接一体，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支座竖向压力的电压信号；顶支座板与钢盆的侧边缘之间还设有用以防止灰尘进入钢盆的内腔的防尘圈，橡胶板的顶部覆盖有由低摩擦材料制成的衬板，顶支座板通过衬板将橡胶板抵压在钢盆中。

优选的，衬板包括：不锈钢冷轧钢板、聚四氟乙烯板以及中间钢板，聚四氟乙烯板嵌入中间钢板中。

优选的，顶支座板及钢盆上分别设有用以与构筑物固定安装的套筒，套筒与顶支座板及钢盆的连接处分别设有垫圈；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：一种用于支座的压力监测结构，包括：不锈钢膜片，用以嵌装在支座中感应外界荷载；装设在不锈钢膜片上的合金电阻，合金电阻通过分子键与不锈钢膜片连接一体，形成惠斯登电桥类型的用以感应所受到压力的合金薄膜应变单元，其中：外界荷载作用在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支座竖向压力的电压信号；

所述合金薄膜应变单元的一侧涂设有低摩擦材料或低摩擦涂层，用以与所述支座相接触；

所述低摩擦材料或所述低摩擦涂层包括聚四氟乙烯材料。

本发明所提供的一种支座，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，在支座中设置合金薄膜应变单元，合金薄膜应变单元与整个支座融为一体，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为本发明支座实施例一的装配剖面结构示意图。

图2为本发明支座实施例一中压力监测结构的剖面示意图。

图3为本发明支座实施例二的剖面结构示意图。

图4为本发明支座实施例三的装配剖面结构示意图。

图5为本发明支座实施例四的剖面结构示意图。

图6为本发明支座实施例五的剖面结构示意图。

图7为本发明支座实施例六的剖面结构示意图。

图8为本发明支座实施例七的剖面结构示意图。

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，为本发明支座的实施例一。

本实施例中的支座，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之间的球型刚板11，底支座板22朝向球型刚板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，形成惠斯登电桥类型的用以感应所受到压力的合金薄膜应变单元3。

如图1所示的支座，球型刚板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，与球型刚板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，以使顶支座板21在球型刚板11沿底支座板22的内凹的球型弧面222滑动时保持水平。

可以理解的是，底支座板22和球型刚板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，即在球型刚板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。

球型刚板11的顶面可滑动的适配连接在顶支座板21上。

如图2所示，为本实施例中支座压力监测结构的剖面示意图，底支座板22朝向球型刚板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，形成惠斯登电桥类型的用以感应所受到压力的合金薄膜应变单元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，并与球型刚板11的凸出的球型弧面相接触。

进一步的，球型刚板11的顶侧覆盖有平面滑板41，球型刚板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：在梁体自重荷载作用下，梁体产生挠曲，支座处产生转角，球面滑板42使球型刚板11和底支座板22之间可以产生小幅滑动来释放上部结构挠曲引起的梁端转角。。

具体地，支座的底支座板的内凹的球型弧面222设为曲面，从而使顶支座板21及球型刚板11之间可以有小幅的滑动，释放桥梁上部结构产生挠曲变形引起的梁端弯矩。

进一步的，可以在本实施例中的球型刚板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支座上安装与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，球型刚板11的顶侧覆盖的平面滑板41，其与顶支座板21相接触。温度荷载作用下，顶支座21与球型刚板11之间可以相对滑动，释放温度变形。

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，支座通过球面传力，不会出现力的径缩现象。

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，球型刚板11产生转动，释放上部结构产生的弯矩矩。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。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，保证球型刚板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。

结合参见图4所示，为本发明支座的实施例三。

本实施例中的支座，包括：顶支座板21、钢盆23，钢盆23以及可滑动紧固在顶支座板21和钢盆23之间的橡胶板12，钢盆23的侧边缘高于橡胶板12的顶表面121；橡胶板12与钢盆23的接触处设有密封件13。

钢盆23朝向橡胶板12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，形成用以感应惠斯登电桥的合金薄膜应变单元3。

进一步的，顶支座板21与钢盆23内腔的侧边缘之间设有用以防止灰尘进入钢盆内腔的防尘圈14。

具体地，支座的钢盆内设置橡胶板12，橡胶板12在荷载作用下能产生小幅变形，能够促使顶支座板21在钢盆23内发生小幅的转动位移，释放桥梁上部结构自重荷载作用下产生的梁端弯矩。

如图2所示，钢盆23朝向橡胶板12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，形成惠斯登电桥类型的用以感应所受到压力的合金薄膜应变单元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或钢盆23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位于钢盆23的内表面上，并抵压在橡胶板12上。

进一步的，在本实施例中的橡胶板12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支座上安装与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，本实施例中的顶支座板21及钢盆23上分别设有用以与构筑物固定安装的套筒6。

进一步的，套筒6与顶支座板21及钢盆23的连接处分别设有垫圈7。

本实施例中的支座将承压的橡胶板12嵌入钢盆23中，使橡胶板12处于有侧限的受压状态，在三向受力状态下具有流体的性质，通过钢盆23内胶板12的不均匀压缩，来实现上部结构的转动。

参见图5，为本发明支座的实施例四。

本实施例与上述实施例三的不同之处在于，橡胶板12的顶部覆盖有由低摩擦材料制成的衬板43，顶支座板21通过衬板43将橡胶板12抵压在钢盆23内腔中。

设置球面衬板43的作用是：使橡胶板12和钢盆23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。

参见图6，为本发明支座的实施例五。

本实施例与上述实施例三的不同之处在于，顶支座板21和橡胶板12之间还设有不锈钢冷轧钢板44、聚四氟乙烯板45和中间钢板46，聚四氟乙烯板45嵌入所述中间钢板46中。

本实施例中，聚四氟乙烯板45为低摩擦材料，使橡胶板12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。

也就是说，本实施例中的支座可利用不锈钢冷轧钢板44、聚四氟乙烯板45以及中间钢板46相对摩擦系数小的特点实现水平位移，以提高支座的承载能力。并且由于其自身具有结构紧凑、摩擦系数小、承载力大、重量轻、结构高度小、转动、滑动灵活、成本低等优点，通常适用于大跨度、大吨位、支座反力大的箱梁桥、斜拉桥和悬索桥。

参见图7，为本发明支座的实施例六。

本实施例与上述实施例五的不同之处在于，可以在本实施例中的顶支座板21和中间钢板46的边缘分别设有用以限制顶支座板21和中间钢板46滑动范围的导向装置。导向装置的作用是为了支座在大震作用下，保证不锈钢冷轧钢板44、聚四氟乙烯板45以及中间钢板46不会从钢盆23内滑出。

优选的，顶支座板21两条对边边缘向外伸出并向下延伸有第一导块52，中间钢板46两条对边边缘向外伸出第二导块53，第一导块52和第二导块53在水平方向上相对应其中：导向装置为设置在第一导块52和第二导块53之间的不锈钢条54和导向滑条55。

参见图8，为本发明支座的实施例七。

本实施例与上述实施例六的不同之处在于，防尘圈14内的钢盆23侧边缘上固定设有高阻尼橡胶圈15。其作用与上述实施例四种导向装置的作用大体相同，还可以起到减震缓冲作用，保护支座。

本发明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或钢盆23连接一体，合金薄膜应变单元3监测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至七中的实施方式进行变换或组合。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。

实施本发明的支座及其压力监测结构，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，在支座中设置合金薄膜应变单元，合金薄膜应变单元与整个支座融为一体，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 (8)

1.一种支座，其特征在于，所述支座包括：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底支座板连接一体，形成惠斯登电桥类型的用以感应所受到压力的合金薄膜应变单元，其中：外界荷载作用在所述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；

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；

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。

2.如权利要求1所述的支座，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。

3.如权利要求2所述的支座，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。

4.如权利要求3所述的支座，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；

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。

5.一种支座，其特征在于，所述支座包括：顶支座板、钢盆以及可紧固在所述顶支座板和所述钢盆之间的橡胶板，所述钢盆的侧边缘高于所述橡胶板的顶表面；所述橡胶板与所述钢盆的接触处设有密封件；

所述钢盆朝向所述橡胶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钢盆连接一体，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支座竖向压力的电压信号；

所述顶支座板与所述钢盆的侧边缘之间还设有用以防止灰尘进入所述钢盆的内腔的防尘圈，所述橡胶板的顶部覆盖有由低摩擦材料制成的衬板，所述顶支座板通过所述衬板将所述橡胶板抵压在所述钢盆中。

6.如权利要求5所述的支座，其特征在于，所述衬板包括：不锈钢冷轧钢板、聚四氟乙烯板以及中间钢板，所述聚四氟乙烯板嵌入所述中间钢板中。

7.如权利要求6所述的支座，其特征在于，所述顶支座板及所述钢盆上分别设有用以与构筑物固定安装的套筒，所述套筒与所述顶支座板及所述钢盆的连接处分别设有垫圈；

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。

8.一种用于支座的压力监测结构，其特征在于，包括：

不锈钢膜片，用以嵌装在支座中感应外界荷载；

装设在所述不锈钢膜片上的合金电阻，所述合金电阻通过分子键与所述不锈钢膜片连接一体，形成惠斯登电桥类型的用以感应所受到压力的合金薄膜应变单元，其中：

外界荷载作用在所述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支座竖向压力的电压信号；

所述合金薄膜应变单元的一侧涂设有低摩擦材料或低摩擦涂层，用以与所述支座相接触；

所述低摩擦材料或所述低摩擦涂层包括聚四氟乙烯材料。