CN111794088A - 一种智能摩擦摆隔震支座 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种智能摩擦摆隔震支座，其包括上座板、球摆、下座板、弹性体，上座板顶端用于与主桥连接，并承载主桥；球摆的顶端与上座板可滑动连接，底端可在下座板上摆动；弹性体连接于下座板的底端，并用于连接于桥墩上；应变传感器设于弹性体上，并用于测量弹性体的应变；角速度测量仪设于球摆上，并用于测量球摆的转动角速率

位移测量装置设于上座板或球摆上，并用于测量上座板或球摆的水平位移D；控制器与应变传感器、角速度测量仪和位移测量装置均相连，并用于根据弹性体的应变，计算得到隔震支座所承受的竖向荷载W；以及根据W、

以及D，基于预设的计算公式计算该支座的水平受力F，实现了摩擦摆隔震支座工作性能实时监测。

Description

一种智能摩擦摆隔震支座

技术领域

本申请涉及桥梁支座领域，特别涉及一种智能摩擦摆隔震支座。

背景技术

随着经济的发展、交通量的増大，桥梁支座的损伤、破坏己经成为我国现役桥梁的主要病害之一。目前隔震支座在桥梁领域得到广泛应用，而隔震支座中的摩擦摆隔震支座由于其隔震效果显著、承受载荷大、技术较为成熟，因此已在全球多个国家的实际桥梁工程中得到了大量的应用。摩擦摆隔震支座作为桥梁结构上部结构和下部结构直接的主要传力构件，其损伤、破坏将加速桥梁寿命的衰减，直接对桥梁结构的整体安全性造成威胁。鉴于摩擦摆隔震支座一般处于恶劣、隐蔽的工程环境中，人工检测方法的局限性导致很多病害不能被及时发现和处理。研发智能隔震支座，实现对重要桥梁承载能力的实时评估与风险预测，保障桥梁的安全和正常运营，己成为关乎国计民生的重要课题。

相关技术中，申请号为CN201010554176.3的中国专利，公开了一种竖向智能测力支座，通过在下摆外圆柱面设置若干电阻应变元件，测得支座的竖向荷载，但是由于下摆的横截面积大，应变元件测量得到的应变小，测量精度低，导致测量得到的支座的竖向荷载的精度低。申请号为CN201020646318.4的中国专利，公开了一种带有三维测力装置的可转动型曲面钢支座，通过在水平、垂直方向上分设测力装置来测量支座的三维受力情况，但是由于接触面不可能完全光滑，测得的支座水平受力实际上是没有包含接触面之间的静摩擦力的，且竖向承载力包括了结构恒载、二期荷载及活载，实际上桥梁结构承受的活载远小于结构的恒载及二期荷载，这样为了测量支座的实际承载力状况，竖向测力的量程较大，这必然会降低测量的精度，支座测量的竖向荷载不能精确地反映桥梁结构承受的活载变化情况；申请号为CN201821039461.X的中国专利，公开了一种智能球形测力支座，采用了多向力传感器测量隔震支座的三维受力情况，但是目前市面上多向力传感器的测力范围有限(一般<3000kN)，测量得到的隔震支座的水平受力的范围有限，这就限定了该发明专利仅适用中小跨度的桥梁，但不能满足大中跨度的桥梁的需求。

发明内容

本申请实施例提供一种智能摩擦摆隔震支座，解决了相关技术中测量隔震支座的水平方向受力范围小，不适用大中跨度桥梁的问题。

第一方面，提供了一种智能摩擦摆隔震支座，其包括：

上座板，其顶端用于与主桥连接，并承载所述主桥；所述上座板的底端开设有一夹持空间；

球摆，其卡设于所述夹持空间内，所述球摆的顶端与所述上座板可滑动连接，底端朝下凸设形成第一凸球面；

下座板，其顶端朝下凹设形成与所述第一凸球面相适配的第一凹球面，以使所述球摆可在所述下座板上摆动；

弹性体，其连接于所述下座板的底端，并用于连接于桥墩上；

应变传感器，其设于所述弹性体上，并用于测量所述弹性体的应变；

角速度测量仪，其设于所述球摆上，并用于测量所述球摆的转动角速率

位移测量装置，其设于所述上座板或所述球摆上，并用于测量所述上座板或所述球摆的水平位移D；

控制器，其与所述应变传感器、角速度测量仪和位移测量装置均相连，并用于根据所述弹性体的应变，计算得到隔震支座所承受的竖向荷载W；以及根据W、

以及D，基于预设的计算公式计算该支座的水平受力F。

一些实施例中，所述预设的计算公式如下：

式中：R为所述第一凹球面的曲率半径，μ为所述球摆与所述下座板之间的摩擦系数，sgn()为符号函数。

一些实施例中，所述弹性体包括空心筒体和加劲肋，所述空心筒体连接于所述下座板的底端；所述加劲肋连接于所述空心筒体的内壁上，以支撑所述空心筒体。

一些实施例中，所述空心筒体上开设有贯穿该空心筒体的螺纹孔，所述下座板的底端上预埋有螺栓，所述下座板通过所述螺栓与所述空心筒体相连，所述螺栓贯穿于所述螺纹孔内，以使所述空心筒体与所述桥墩连接。

一些实施例中，所述应变传感器为矩形，所述空心筒体的外壁上开设有与所述应变传感器相适配的矩形截面。

一些实施例中，所述应变传感器包括第一应变传感器和第二应变传感器，所述第一应变传感器的量程大于所述第二应变传感器的量程，所述第一应变传感器用于测量主桥的恒载及二期荷载W₁；所述第二应变传感器用于测量主桥的活载W₂，其中，W＝W₁+W₂。

一些实施例中，所述位移测量装置包括：

位移传感器，其设于所述上座板或所述球摆上；

信号反射屏，其朝向所述位移传感器，并用于反射所述位移传感器发射的信号；所述位移传感器用于接收所述信号反射屏反射的信号，并获取信号反射的时长；所述控制器与所述位移传感器相连，其用于接收所述位移传感器获取的时长，并计算得到所述上座板或所述球摆的水平位移。

一些实施例中，所述控制器还用于将支座水平位移D、W₂和F发送至云端，以实时监测摩擦摆隔震支座的工作状态。

一些实施例中，所述球摆包括：

上衬板，其顶端与所述上座板的底端可滑动连接，底端朝下凸设形成第二凸球面；

衬板座，其底端为所述第一凸球面，顶端朝下凹设形成与所述第二凸球面相适配的第二凹球面，以使所述上衬板可在所述衬板座上绕自身轴线旋转；且所述衬板座卡设于所述夹持空间内。

一些实施例中，所述下座板两侧朝上延伸形成限位挡板，所述限位挡板用于限制所述球摆的摆动角度。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：解决了相关技术中测量隔震支座的水平方向受力范围小，不适用大中跨度桥梁的问题。

本申请实施例提供了一种智能摩擦摆隔震支座，将智能摩擦摆隔震支座设置在主桥和桥墩之间，主桥压持在上座板上，弹性体与桥墩连接。当遇到地震时，桥墩将振动能量传递到隔振支座，通过球摆在下座板的摆动延长主梁振动周期、通过球摆与上座板以及球摆与下座板之间的滑动界面摩擦消耗地震能量实现隔振功能。应变传感器用于测量弹性体的应变，角速度测量仪用于测量球摆的转动角速率

位移测量装置用于测量上座板或球摆的水平位移D；控制器与应变传感器、角速度测量仪和位移测量装置均相连，并用于计算得到隔震支座所承受的竖向荷载W和水平受力F。由于本申请实施例的水平受力F由W、

以及D经过计算间接得到，应变传感器、角速度测量仪和位移测量装置的测量量程大，测量精度高，因此计算得到的水平受力F的范围大，适用于大中跨度桥梁，且实现了摩擦摆隔震支座工作性能实时监测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的智能摩擦摆隔震支座的使用状态示意图；

图2为本申请实施例提供的智能摩擦摆隔震支座的结构示意图；

图3为弹性体的结构示意图；

图4为下座板的曲率半径的示意图。

图中：1、上座板；10、夹持空间；2、球摆；20、第一凸球面；21、上衬板；210、第二凸球面；22、衬板座；220、第二凹球面；3、下座板；30、第一凹球面；31、限位挡板；4、弹性体；40、空心筒体；41、加劲肋；42、螺纹孔；5、应变传感器；6、角速度测量仪；7、位移测量装置；70、位移传感器；71、信号反射屏；8、控制器；9、螺栓。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1和图2所示，本申请实施例提供了一种智能摩擦摆隔震支座，该隔震支座支撑于主桥和桥墩之间，以对主桥隔振。其包括上座板1、球摆2、下座板3，上座板1顶端用于与主桥连接，并承载主桥；上座板1的底端开设有一夹持空间10，球摆2卡设于夹持空间10内，球摆2的顶端与上座板1可滑动连接，底端朝下凸设形成第一凸球面20；下座板3顶端朝下凹设形成与第一凸球面20相适配的第一凹球面30，以使球摆2可在下座板3上摆动，且第一凸球面20与第一凹球面30曲率半径一致。当遇到地震时，桥墩将振动能量传递到隔振支座，球摆2在下座板3上摆动，并带动上座板1一起移动，通过球摆2在下座板3上的摆动延长主梁振动周期、通过球摆2与上座板1以及球摆2与下座板3之间的滑动界面摩擦消耗地震能量实现隔振功能。

本申请的隔震支座还包括弹性体4、应变传感器5、角速度测量仪6、位移测量装置7和控制器8，弹性体4连接于下座板3的底端，并用于连接于桥墩上。其中弹性体4材质为40Cr，应变传感器5进行封装，防止腐蚀损坏，应变传感器5设于弹性体4上，并用于测量弹性体4的应变；角速度测量仪6设于球摆2上，并用于测量球摆2的转动角速率

为适量，带正负号。位移测量装置7设于上座板1或球摆2上，上座板1或球摆2均产生水平移动，因此位移测量装置7位于上座板1或球摆2上均可以测量得到隔震支座的水平位移。位移测量装置7用于测量上座板1或球摆2的水平位移D；控制器8与应变传感器5、角速度测量仪6和位移测量装置7均相连，并用于根据弹性体4的应变，计算得到隔震支座所承受的竖向荷载W；以及根据W、

以及D，基于预设的计算公式计算该支座的水平受力F。

本申请实施例的水平受力F由W、

以及D经过计算间接得到，应变传感器5、角速度测量仪6和位移测量装置7的测量量程大，测量精度高，因此计算得到的水平受力F的范围大，适用于大中跨度桥梁。因此本申请实施例的隔震支座除了具有传统摩擦摆隔震支座隔震、减震功能外，还可以实时监测到支座的水平位移、转动角速率、竖向承载力大小及分布，水平受力情况等信息，特别适用于大中跨度的桥梁摩擦摆隔震支座的实时监测，且实现了摩擦摆隔震支座工作性能实时监测。

本申请的实施例的智能摩擦摆隔震支座的使用原理为：

将智能摩擦摆隔震支座设置在主桥和桥墩之间，主桥压持在上座板1上，弹性体4与桥墩连接。当遇到地震时，桥墩将振动能量传递到隔振支座，通过球摆2在下座板3上的摆动延长主梁振动周期、通过球摆2与上座板1以及球摆2与下座板3之间的滑动界面摩擦消耗地震能量实现隔振功能。应变传感器5用于测量弹性体4的应变，角速度测量仪6用于测量球摆2的转动角速率

位移测量装置7用于测量上座板1或球摆2的水平位移D；控制器8与应变传感器5、角速度测量仪6和位移测量装置7均相连，并用于计算得到隔震支座所承受的竖向荷载W和水平受力F。

参见图4所示，优选的，预设的计算公式如下：

式中：R为第一凹球面30的曲率半径，μ为球摆2与下座板3之间的摩擦系数，sgn()为符号函数。sgn()是提取矢量

的正负号。控制器8还用于将W和F发送至云端，方便用户进行管理和处理。

参见图3所示，进一步的，弹性体4包括空心筒体40和加劲肋41，空心筒体40连接于下座板3的底端，并用于连接于桥墩上；加劲肋41连接于空心筒体40的内壁上，以支撑空心筒体40；应变传感器5设于空心筒体40上，并用于测量弹性体4的应变。空心筒体40为近似薄壁镂空圆柱体，在圆柱体内部设置正交的两条加劲肋41，大大减少弹性体4的横截面积，这样使得应变传感器5测得的应变增大，有利于调高应变测量精度，另一方面加劲肋41满足了弹性体4作为承力构件又要有足够的刚度的要求。由于弹性体4的截面积大大减少，这样使得应变传感器5测得的应变增大，有利于调高应变测量精度，测量得到的支座的竖向荷载的精度也高。

更进一步的，空心筒体40上开设有贯穿该空心筒体40的螺纹孔42，下座板3的底端上预埋有螺栓9，下座板3通过螺栓9与空心筒体40相连，螺栓9贯穿于螺纹孔42内，以使空心筒体40与桥墩连接。螺栓9的一端预埋在下座板3内，另一端穿过空心筒体40上的螺纹孔42，并伸出螺纹孔42外，伸出螺纹孔42外的螺栓用于固定在桥墩上。

参见图3所示，进一步的，应变传感器5封装后外壳为矩形，封装后的应变传感器5更耐久。空心筒体40的外壁上开设有与应变传感器5相适配的矩形截面，以使应变传感器5能更贴合空心筒体40的外壁，并贴紧在空心筒体40的外壁上。本申请实施例在空心筒体40的外壁上均匀布置四个应变传感器5，可以得到竖向荷载W的分布情况。

更进一步的，应变传感器5包括第一应变传感器和第二应变传感器，第一应变传感器的量程大于第二应变传感器的量程，第一应变传感器用于测量主桥的恒载及二期荷载W₁；第二应变传感器用于测量主桥的活载W₂，其中，W＝W₁+W₂。在施工期间采用大量程的第一应变传感器，这样可以测得主梁恒载及二期荷载，在运营期，撤下大量程的第一应变计，再安装小量程的第二应变计，测得运营期间主梁受到的活载大小，隔振支座实际承受的竖向荷载W为W＝W₁+W₂。因此本申请实施例的隔振支座不但可以测量施工期间桥梁恒载+二期荷载，还可以测得运营期间主梁受到的活载大小，荷载测量精度得到提高。

优选的，位移测量装置7包括位移传感器70和信号反射屏71，位移传感器70为激光位移传感器或超声位移传感器，位移传感器70设于上座板1或球摆2上；信号反射屏71朝向位移传感器70，并用于反射位移传感器70发射的信号；位移传感器70用于接收信号反射屏71反射的信号，并获取信号反射的时长；控制器8与位移传感器70相连，其用于接收位移传感器70获取的时长，并计算得到上座板1或球摆2的水平位移。由于位移传感器70发射的信号的波长一定且已知，因此可以根据位移传感器70发射的信号的反射时长，获取上座板1或球摆2的水平位移。

进一步的，球摆2包括上衬板21和衬板座22，上衬板21顶端与上座板1的底端可滑动连接，底端朝下凸设形成第二凸球面210；衬板座22底端为第一凸球面20，顶端朝下凹设形成与第二凸球面210相适配的第二凹球面220，以使上衬板21可在衬板座22上绕自身轴线旋转；且衬板座22卡设于夹持空间10内。第二凸球面210与第二凹球面220的曲率半径相等，衬板座22在下座板3上摆动过程中，上衬板21发生旋转且跟随衬板座22一起水平移动。

可选的，下座板3两侧朝上延伸形成限位挡板31，限位挡板31用于限制球摆2的摆动角度。球摆2只能在两个限位挡板31之间摆动。

本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种智能摩擦摆隔震支座，其特征在于，其包括：

上座板(1)，其顶端用于与主桥连接，并承载所述主桥；所述上座板(1)的底端开设有一夹持空间(10)；

球摆(2)，其卡设于所述夹持空间(10)内，所述球摆(2)的顶端与所述上座板(1)可滑动连接，底端朝下凸设形成第一凸球面(20)；

下座板(3)，其顶端朝下凹设形成与所述第一凸球面(20)相适配的第一凹球面(30)，以使所述球摆(2)可在所述下座板(3)上摆动；

弹性体(4)，其连接于所述下座板(3)的底端，并用于连接于桥墩上；

应变传感器(5)，其设于所述弹性体(4)上，并用于测量所述弹性体(4)的应变；

角速度测量仪(6)，其设于所述球摆(2)上，并用于测量所述球摆(2)的转动角速率

位移测量装置(7)，其设于所述上座板(1)或所述球摆(2)上，并用于测量所述上座板(1)或所述球摆(2)的水平位移D；

控制器(8)，其与所述应变传感器(5)、角速度测量仪(6)和位移测量装置(7)均相连，并用于根据所述弹性体(4)的应变，计算得到隔震支座所承受的竖向荷载W；以及根据W、

以及D，基于预设的计算公式计算该支座的水平受力F。

2.如权利要求1所述的智能摩擦摆隔震支座，其特征在于，所述预设的计算公式如下：

式中：R为所述第一凹球面(30)的曲率半径，μ为所述球摆(2)与所述下座板(3)之间的摩擦系数，sgn()为符号函数。

3.如权利要求1所述的智能摩擦摆隔震支座，其特征在于，所述弹性体(4)包括空心筒体(40)和加劲肋(41)，所述空心筒体(40)连接于所述下座板(3)的底端；所述加劲肋(41)连接于所述空心筒体(40)的内壁上，以支撑所述空心筒体(40)。

4.如权利要求3所述的智能摩擦摆隔震支座，其特征在于，所述空心筒体(40)上开设有贯穿该空心筒体(40)的螺纹孔(42)，所述下座板(3)的底端上预埋有螺栓(9)，所述下座板(3)通过所述螺栓(9)与所述空心筒体(40)相连，所述螺栓(9)贯穿于所述螺纹孔(42)内，以使所述空心筒体(40)与所述桥墩连接。

5.如权利要求3所述的智能摩擦摆隔震支座，其特征在于，所述应变传感器(5)为矩形，所述空心筒体(40)的外壁上开设有与所述应变传感器(5)相适配的矩形截面。

6.如权利要求1所述的智能摩擦摆隔震支座，其特征在于，所述应变传感器(5)包括第一应变传感器和第二应变传感器，所述第一应变传感器的量程大于所述第二应变传感器的量程，所述第一应变传感器用于测量主桥的恒载及二期荷载W₁；所述第二应变传感器用于测量主桥的活载W₂，其中，W＝W₁+W₂。

7.如权利要求1所述的智能摩擦摆隔震支座，其特征在于，所述位移测量装置(7)包括：

位移传感器(70)，其设于所述上座板(1)或所述球摆(2)上；

信号反射屏(71)，其朝向所述位移传感器(70)，并用于反射所述位移传感器(70)发射的信号；所述位移传感器(70)用于接收所述信号反射屏(71)反射的信号，并获取信号反射的时长；所述控制器(8)与所述位移传感器(70)相连，其用于接收所述位移传感器(70)获取的时长，并计算得到所述上座板(1)或所述球摆(2)的水平位移。

8.如权利要求1所述的智能摩擦摆隔震支座，其特征在于，所述控制器(8)还用于将支座水平位移D、W₂和F发送至云端，以实时监测摩擦摆隔震支座的工作状态。

9.如权利要求1所述的智能摩擦摆隔震支座，其特征在于，所述球摆(2)包括：

上衬板(21)，其顶端与所述上座板(1)的底端可滑动连接，底端朝下凸设形成第二凸球面(210)；

衬板座(22)，其底端为所述第一凸球面(20)，顶端朝下凹设形成与所述第二凸球面(210)相适配的第二凹球面(220)，以使所述上衬板(21)可在所述衬板座(22)上绕自身轴线旋转；且所述衬板座(22)卡设于所述夹持空间(10)内。

10.如权利要求1所述的智能摩擦摆隔震支座，其特征在于，所述下座板(3)两侧朝上延伸形成限位挡板(31)，所述限位挡板(31)用于限制所述球摆(2)的摆动角度。

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