CN105442437B - 一种工作性能参数可监测和识别的隔震橡胶支座 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工作性能参数可监测和识别的隔震橡胶支座，支座包括铅芯橡胶隔震装置、光纤光栅应变传感器和压力传感器，所述光纤光栅应变传感器竖向安装在铅芯橡胶隔震装置内部，监测水平方向的剪切变形，所述压力传感器设置在铅芯橡胶隔震装置的底部，监测竖向压力变化。本发明能够自动监测支座的相关性能参数，实用性强，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及隔震技术领域，尤其涉及将传感监测技术与隔震技术相结合的技术领域。
背景技术
我国位处环太平洋地震带和欧亚地震带上，是一个地震多发的国家。地震不仅能够造成结构破坏，还会诱发各种其他的次生地质灾害，如泥石流、滑坡，严重地威胁了人类的生命财产安全。尤其桥梁结构的地震破坏所造成的交通中断更是严重地阻碍了灾后的救援工作。近些年来，桥梁结构的隔震、耗能技术得到了快速的发展，工程技术人员从结构设计、减隔震和耗能等方面来减弱桥梁结构的地震响应，增强桥梁结构的抗震能力。
目前，国内外已经提出了多种隔震支座，如叠层橡胶隔震支座、铅芯橡胶隔震支座、高阻尼橡胶支座、摩擦滑移支座等，这些隔震装置在过去的40年中已在工程中得到了实际应用，其中，铅芯橡胶支座是应用比较广泛的一种隔震装置，具有良好的隔震效果。叠层橡胶具有很大的竖向承载能力和竖向刚度，同时在水平方向又具有良好的柔性，铅芯橡胶支座可以通过橡胶和铅芯的良好的水平剪切变形来延长上部结构的自振周期，减轻上部结构的地震反应，起到隔震的效果，而且，在地震作用时，铅芯屈服，产生大变形，还能起到滞回耗能作用，消耗掉了地震传入结构的大部分能量，达到减震的目的。由于隔震技术日益得到重视，越来越多的大型重要桥梁结构已经安装了隔震支座。
为保障桥梁结构的安全性、适用性，已建成的一些重要桥梁结构和基础设施已经采取了一些有效监测手段对结构的健康状态进行评定，桥梁结构的健康监测已经成为桥梁工程领域的前沿研究方向。这其中也包括对一些采用了隔震支座的重要桥梁结构的健康监测。然而，这些隔震支座在实际工作状态下的使用性能尚知之甚少。目前，对隔震支座的性能测试主要还是停留在实验室模型试验的基础上，且现有实测数据有限。由于模型试验工作通常脱离实际工程，因而缺少用于实际工程结构中的隔震支座的力学性能参数实测数据及其在地震中的动力响应数据。因此，需要对隔震支座在实际使用状态下的性能参数进行监测。
光纤光栅传感器是利用在光纤上刻写光栅形成微小的反射镜面，当宽带光进入光纤后，经光栅反射回特定波长的光，通过测量光栅反射波的波长，换算成被测体温度、应变等物理量。其中，埋入式光纤光栅应变计是专门用于混凝土、钢筋混凝土或可塑性材料内部应变测量的一种新型传感器，可用于长期观测其结构应变的变化，以进行状态分析，实现结构损伤示警及故障诊断。它具有测量精度高、测量范围大、长期零点稳定、温度漂移微小、埋入存活率高、动态特性良好等特点，目前主要应用于桥梁、大坝等大型土木工程的安全监测。其准确性和可靠性不断得到实际工程的验证。
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，已广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天等众多行业，采用压力传感器进行测试的相关技术已经较为成熟。其中压阻式压力传感器应用最为广泛，是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量(如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度等)的测量和控制。它具有频率响应高、体积小、耗电少、灵敏度高、精度好、无运动部件(敏感元件与转换元件一体)和较好的线性特性等优点，同时该装置价格极低，易采购，因而在众多工程测试领域都得到了成功的应用和广泛的认可。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种工作性能参数可监测和识别的隔震橡胶支座，可用于检测桥梁隔震支座在运营状态下的工作性能参数，评定隔震支座的隔震性能和承载力，记录其在强震作用下的动态性能变化。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种工作性能参数可监测和识别的隔震橡胶支座，包括铅芯橡胶隔震装置、光纤光栅应变传感器和压力传感器，所述光纤光栅应变传感器竖向安装在铅芯橡胶隔震装置内部，监测水平方向的剪切变形，所述压力传感器设置在铅芯橡胶隔震装置的底部，监测竖向压力变化。
进一步的，所述铅芯橡胶隔震装置包括上顶板、下底板、叠层橡胶、钢板和铅芯，所述钢板和叠层橡胶交替叠层形成隔震层设置在下底板上，在所述隔震层顶部设置上顶板，所述隔震层中间竖向贯穿设置铅芯，通过铅芯连接上顶板和下底板。
进一步的，所述铅芯外筒壁内部安装若干光纤光栅应变传感器；所述隔震层与下底板之间设置若干压力传感器。
进一步的，所述光纤光栅应变传感器包括光纤光栅应变计、锚固垫板、锚固螺栓和光纤导线，所述锚固螺栓通过锚固垫板把光纤光栅应变计锚固在铅芯的外筒壁上，通过光纤导线将支座水平隔震数据传输出去。所述光纤光栅应变计的截面为月牙形,月牙形截面所对应的凹面贴合铅芯外筒壁；且所述光纤光栅应变计的整体形状为中间粗两端窄长。
进一步的，所述压力传感器包括压力传感器锚固螺栓、压力传感器导线和压力传感器主体；所述压力传感器主体通过压力传感器锚固螺栓锚固在下底板上，通过压力传感器导线将支座竖向承载力数据传输出去。
进一步的，所述光纤光栅应变传感器设置了睡眠模式、唤醒模式及相应的应变阈值；对光纤光栅应变传感器所测应变值进行实时跟踪，当测量值小于阈值时，光纤光栅应变传感器处于睡眠模式，允许隔震支座发生适量的微小变形而不记录；当测得的响应值大于设置的阈值时，光纤光栅应变传感器被唤醒；当观测和记录到的水平变形过大时，进行隔震支座的过大的水平剪切变形进行记录和预警。
有益效果：本发明提供了一种工作性能参数可监测和识别的隔震橡胶支座，将传感监测技术与橡胶隔震技术相结合，在橡胶支座生产制作过程中即将其植入进隔震橡胶支座，从而可以在第一时间检测到由超载引起的过大变形，并能够提早向维修人员报告出现的缺陷，避免由于隔震支座的损坏可能给桥梁上部结构造成的损害，还可以记录数据以积累参考资料，使得对已用于实际工程结构当中的隔震橡胶支座的相关力学性能参数进行监测成为可能，有助于加深对实际使用过程中桥梁隔震支座工作性能的深入理解，据此改进现有桥梁隔震设计的方法，并完善桥梁设计规范，因而具有重要的经济、社会效益。
附图说明
图1为该工作性能参数可监测和识别的隔震橡胶支座的剖面图；
图2为图1中A-A处的剖面图；
图3为图2中B-B处的剖面图；
图4为压力传感器的俯视图；
图5为压力传感器的侧视图；
图6为光纤光栅应变传感器的侧视图；
图7为光纤光栅应变传感器的正视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种工作性能参数可监测和识别的隔震橡胶支座，主要包括铅芯橡胶隔震装置、光纤光栅应变传感器3和压力传感器5。如图1、2和3所示，所述光纤光栅应变传感器3竖向安装在铅芯橡胶隔震装置内部，监测水平方向的剪切变形，所述压力传感器5设置在铅芯橡胶隔震装置的底部，监测竖向压力变化。
所述铅芯橡胶隔震装置包括上顶板1、下底板7、叠层橡胶2、钢板4和铅芯6，所述钢板4和叠层橡胶2交替叠层形成隔震层设置在下底板7上，在所述隔震层顶部设置上顶板1，所述隔震层中间竖向贯穿设置铅芯6，通过铅芯6贯穿连接上顶板1和下底板7。所述叠层橡胶2和钢板4具有一定的竖向刚度，提供所需的竖向承载力，利用叠层橡胶2和中部铅芯6的良好的形变能力和较大的阻尼特性，来延长在地震作用下上部结构的振动周期，消耗能量，从而达到隔震的效果。
所述铅芯6外筒壁内部安装若干光纤光栅应变传感器3；所述隔震层与下底板7之间设置若干压力传感器5，具体的如下：
如图6和7所示，所述光纤光栅应变传感器3包括光纤光栅应变计3-1、锚固垫板3-2、锚固螺栓3-3和光纤导线3-4，所述锚固螺栓3-3通过锚固垫板3-2把光纤光栅应变计3-1锚固在铅芯6的外筒壁上，通过光纤导线3-4将支座水平隔震数据传输出去。光纤光栅应变计3-1形变变化引起的光纤光栅中心波长的变化，建立并标定光纤光栅中心波长的变化与隔震支座铅芯6应变之间的关系，即可由光纤光栅波长的变化来推算隔震支座铅芯6的伸长量，并进一步推算出隔震支座在实际状态下发生的水平方向位移，从而观测支座在实际使用状态下的水平方向隔震效果。本发明所采用的光纤光栅应变计3-1的截面为月牙形,月牙形截面所对应的凹面一侧贴合铅芯6外筒壁；且所述光纤光栅应变计3-1的整体形状为中间粗两端窄长。这样的结构配合设计在铅芯6外筒壁，更有利于获得精准的光纤光栅应变计3-1产生形变变化所引起的光纤光栅中心波长的变化。
基本公式：
Δε＝ε1-ε0 (2)
其中，λB为布拉格波长，ΔT为温度变化量，Δε为应变变化量，kT为温度响应敏感度系数，kg为应变响应灵敏度系数。使其中一条光纤光栅不受应力变化影响，以上方程组可得到简化，形成温度补偿。安装前对光纤光栅传感器进行标定，使得ε0＝0，ε1为铅芯的应变，Ｆy为压力传感器测试到的压力，A为支座面积，E为铅芯的弹性模量，l为隔震支座铅芯的竖向长度，ux为水平方向位移。
所述光纤光栅应变传感器3设置了不同的使用模式，包括睡眠模式和唤醒模式。按照规范要求给传感器设置相应的应变阈值，对光纤光栅应变传感器3所测应变值进行实时跟踪，当测量值小于阈值时，传感器处于睡眠模式，允许隔震支座发生适量的微小变形而不记录；当测得的响应值大于设置的阈值时，传感器被唤醒；当观测和记录到的水平变形过大时，则发出预警信号，尤其是对强震作用下隔震支座的过大的水平剪切变形进行记录和预警，从而保护桥梁的上部结构的正常使用，为评定和改进桥梁隔震支座的工作性能积累实测数据资料。
如图4和5所示，所述压力传感器5包括压力传感器锚固螺栓5-1、压力传感器导线5-2和压力传感器主体5-3；所述压力传感器主体5-3通过压力传感器锚固螺栓5-1锚固在下底板7上，通过压力传感器导线5-2将支座竖向承载力数据传输出去；测量隔震支座在实际使用状态下的竖向压力Fy，推算出支座的竖向形变εy，来分析和评价支座的竖向承载力，从而掌握隔震支座在实际使用状态下的竖向承载力、刚度、变形等受力特性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种工作性能参数可监测和识别的隔震橡胶支座，其特征在于：包括铅芯橡胶隔震装置、光纤光栅应变传感器(3)和压力传感器(5)，所述光纤光栅应变传感器(3)竖向安装在铅芯橡胶隔震装置内部，监测水平方向的剪切变形，所述压力传感器(5)设置在铅芯橡胶隔震装置的底部，监测竖向压力变化；
所述铅芯橡胶隔震装置包括上顶板(1)、下底板(7)、叠层橡胶(2)、钢板(4)和铅芯(6)，所述钢板(4)和叠层橡胶(2)交替叠层形成隔震层设置在下底板(7)上，在所述隔震层顶部设置上顶板(1)，所述隔震层中间竖向贯穿设置铅芯(6)，通过铅芯(6)连接上顶板(1)和下底板(7)。
2.根据权利要求1所述一种工作性能参数可监测和识别的隔震橡胶支座，其特征在于：所述铅芯(6)外筒壁上安装若干光纤光栅应变传感器(3)；所述隔震层与下底板(7)之间设置若干压力传感器(5)。
3.根据权利要求2所述一种工作性能参数可监测和识别的隔震橡胶支座，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器(3)包括光纤光栅应变计(3-1)、锚固垫板(3-2)、锚固螺栓(3-3)和光纤导线(3-4)，所述锚固螺栓(3-3)通过锚固垫板(3-2)把光纤光栅应变计(3-1)锚固在铅芯(6)的外筒壁上，通过光纤导线(3-4)将支座水平隔震数据传输出去。
4.根据权利要求2所述一种工作性能参数可监测和识别的隔震橡胶支座，其特征在于：所述光纤光栅应变计3-1的截面为月牙形,月牙形截面所对应的凹面贴合铅芯(6)外筒壁；且所述光纤光栅应变计3-1的整体形状为中间粗两端窄长。
5.根据权利要求2所述一种工作性能参数可监测和识别的隔震橡胶支座，其特征在于：所述压力传感器(5)包括压力传感器锚固螺栓(5-1)、压力传感器导线(5-2)和压力传感器主体(5-3)；所述压力传感器主体(5-3)通过压力传感器锚固螺栓(5-1)锚固在下底板(7)上，通过压力传感器导线(5-2)将支座竖向承载力数据传输出去。
6.根据权利要求2所述一种工作性能参数可监测和识别的隔震橡胶支座，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器(3)设置了睡眠模式、唤醒模式及相应的应变阈值；
对光纤光栅应变传感器(3)所测应变值进行实时跟踪，当测量值小于阈值时，光纤光栅应变传感器(3)处于睡眠模式，允许隔震支座发生适量的微小变形而不记录；
当测得的响应值大于设置的阈值时，光纤光栅应变传感器(3)被唤醒；
当观测和记录到的水平变形过大时，进行隔震支座的过大的水平剪切变形进行记录和预警。
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