CN112146803A - 一种高精度竖向测力横向活动和固定球型支座的测力方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度竖向测力横向活动和固定球型支座的测力方法，设有用于竖向测力的横向活动或固定球型支座，上座板和中座板之间纵向限位横向移动或纵向限位横向限位，在上座板的纵桥向放置有测量支座纵桥向转动的转角传感器，中座板和下座板之间转动设置，下座板和底座板之间纵向限位横向限位，在底座板的中心开设有安装腔，安装腔内竖直设置有测力传感器测力传感器的测力受力点与支座的中心线重合；通过横向活动或固定球型支座局部受力的测量、整体静态标定、运动状态的标定及相互关系，综合确定支座在某一实际状态下的受力。同时，结构设计和测力方法保证了支座测力的高精度，解决支座运动状态带来的测力偏差难题，为桥梁或建筑物提供可靠的监测技术。

Description

一种高精度竖向测力横向活动和固定球型支座的测力方法

技术领域

本发明涉及桥梁结构或建筑技术领域，具体说的是一种高精度竖向测力横向活动和固定球型支座的测力方法。

背景技术

健康监测对桥梁及建筑物的安全运营发挥着日益重要的作用。测力支座可实现支座承受竖向荷载的测量，是重要的测量载体。目前的测力支座尤其是球型支座中，测力的方法主要有两大类，一种整体测力方法，如《一种竖向智能测力支座》等；一种是局部或分力测力方法，如《一种竖向测力型桥梁支座》、《一种自调高多向智能测力支座》。

对于横桥向活动和固定支座而言，由于桥梁结构、荷载、温度等因素影响，支座在正常工况下产生往复的水平滑动较小或者无位移，但支座纵桥向的竖向转动一直存在。在桥梁正式服役期内，支座上部结构的荷载逐步进入稳定期，支座承受的支反力保持不变。但从目前通用的测力支座结构和试验发现，随着支座转动状态发生持续改变，支座实测力值也发生变化，与实际支座上部结构的真实荷载往往会出现不小的偏差；当支座转动量过大时，这种偏差也显著增加，导致测力结果失真。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种高精度竖向测力横向活动和固定球型支座的测力方法，通过横向活动或固定球型支座局部受力的测量、整体静态标定、运动状态的标定及相互关系，综合确定支座在某一实际状态下的受力。同时，结构设计和测力方法保证了支座测力的高精度，解决支座运动状态带来的测力偏差难题，为桥梁或建筑物提供可靠的监测技术。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种高精度竖向测力横向活动和固定球型支座的测力方法，设有用于竖向测力的横向活动或固定球型支座，包括从上至下依次设置的上座板、中座板、下座板和底座板，上座板和中座板之间纵向限位横向移动或纵向限位横向限位，在上座板的纵桥向放置有测量支座纵桥向转动的转角传感器，中座板和下座板之间转动设置，下座板和底座板之间纵向限位横向限位，在底座板的中心开设有安装腔，安装腔内竖直设置有测力传感器测力传感器的测力受力点与支座的中心线重合；

利用上述横向活动或固定球型支座进行测力的方法，包括以下步骤：

步骤一、组装核对：将支座组装完毕，并置于试验机上，支座中心与试验机中心位置对准，最大试验荷载为设计承载力的n倍，n的值为1～1.5，试验机对支座加载至设计承载力的1％后，核对测力传感器受力，确认无误后进行预压；

步骤二、预压：将支座以连续均匀的速度加载至设计承载力，反复3次；

步骤三、正式加载：将最大试验荷载均匀分为10n级，试验时以设计承载力的1％作为初始荷载，然后逐级加载，每级荷载稳压2分钟后记录试验机荷载和测力传感器荷载，直至到最大试验荷载，稳压3分钟后卸载，加载过程连续进行m次,m≥3；

步骤四、绘图：取步骤三中每一级m传感器读数的算术平均值F₁，绘制传感器荷载—试验机荷载曲线，并做拟合计算，确定试验机荷载F与传感器荷载F₁的关系式F(F₁,0)，表示0转角下的标定关系；

步骤五、支座设计承载力W下的转角影响测试：支座上部放置楔形板，楔形板的倾斜角度与支座设计转角θ保持一致；对支座以连续均匀的速度加载至设计承载W力并保压3分钟确定传感器荷载F₂(W,θ)；

步骤六、综合确定荷载：支座在实际使用中，实时获取测力传感器测量的力值F₃、转角传感器测量的竖向转角θ₁的读数，通过以下公式完成支座荷载的计算，综合确定支座整体竖向受力F_a：

其中，F(W,0)为步骤四中，试验机荷载为设计荷载W时的传感器荷载。

下座板和底座板之间设有隔离垫，在支座不受到加载力时，测力传感器的测力点与隔离垫不受力接触。

隔离垫为摩擦副，摩擦副包括相配合的上滑板和下滑板，上滑板设置在下座板的底面上，下滑板由中心滑板和中心滑板外侧的环形滑板组成，环形滑板设置在底座板的上表面上，中心滑板设置在测力传感器的测力点顶部。

本发明有益效果是：

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1)测力传感器放置并固定在支座底座板中心位置，支座竖向力中的一部分传递到测力传感器，完成中心非金属滑板承受的竖向压力测定，然后通过竖向标定确定测力传感器受力与支座整体竖向受力关系，这样通过传感器的受力获知支座的整体竖向受力。

2)利用圣维南原理，荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关。因此，上述发明将测力传感器设置在支座本体的中心靠底部位置，即底座板中心内腔位置，测力传感器的顶部下座板和下部底座板始终处于固定状态，且远离支座的平面滑动和竖向转动位置，因此支座运动状态的改变，离上部结构载荷作用区稍远的测力传感器只同整体荷载即支座上部结构荷载相关，显著减少支座运动状态的改变导致的测力偏差的影响，可将综合测力偏差由原来的10％F.S以上降低到3％F.S。

3)通过设置在上座板的位移和转角传感器，实测出纵桥向转角(桥梁的横桥向转角较小可忽略)，通过先期标定确定纵桥向转角引发的支座测力偏差，在综合测量支座竖向荷载时将此偏差去除，获得高精度的支座上部结构荷载，又将综合测力偏差由3％F.S再降到1％F.S，彻底解决支座的运动状态引发的测力偏差难题。

4)测力传感器顶部与中心滑板始终保持固定，避免了测力传感器磨损，保证测力稳定。

5)支座具备正常使用功能，即支座竖向承载、滑动方向滑移、限位方向限位和竖向转动功能。

附图说明

图1是本发明实施例1结构示意图；

图2是本发明实施例1结构的A-A剖视图；

图3是本发明实施例2结构示意图；

图4是本发明实施例2结构的A-A剖视图；

图中：1、底座板，2、固定平面摩擦副，2-1、固定平面不锈钢滑板，2-2、固定中心非金属滑板，2-3、固定环形非金属滑板，3、下座板，4、下球面转动摩擦副，5、中座板，6、上平面滑动摩擦副，7、上座板，8、转角传感器，9、测力传感器。

具体实施方式

一种高精度竖向测力横向活动和固定球型支座的测力方法，设有用于竖向测力的横向活动或固定球型支座，横向活动或固定球型支座即具有横向移动与转动的支座或横向纵向全部限位只具有转动的支座。

横向活动或固定球型支座包括从上至下依次设置的上座板7、中座板5、下座板3和底座板1，上座板7和中座板5之间纵向限位横向移动或纵向限位横向限位，纵向限位横向移动指的是在纵桥向上座板7与中座板5之间不能移动，而在横桥向上座板7可在中座板5上水平移动，纵向限位横向限位指的是不论在横桥向还是纵桥向上座板7均不能在中座板5上移动，实现限位的方法可通过在两侧加入限位板实现，在上座板7的纵桥向放置有测量支座纵桥向转动的转角传感器8，转角传感器8安装的位置能感应到中座板5与下座板3之间的转动即可，最优安装在上座板的外壁上，便于观测和更换，中座板5和下座板3之间转动设置，中座板的顶面为平面下表面为球面或曲面，而下座板的顶面为相配合的球面或曲面下表面为平面，下座板3和底座板1之间纵向限位横向限位，在底座板1的中心开设有安装腔，安装腔内竖直设置有测力传感器9，测力传感器9的测力受力点与支座的中心线重合。

利用上述横向活动或固定球型支座进行测力的方法，包括以下步骤：

步骤一、组装核对：将支座组装完毕，并置于试验机上，支座中心与试验机中心位置对准，最大试验荷载为设计承载力的n倍，n的值为1～1.5(设设计承载力为1000吨，n取1.5，即最大试验荷载为1500吨，)，试验机对支座加载至设计承载力的1％后，核对测力传感器受力，确认无误后进行预压；

步骤二、预压：将支座以连续均匀的速度加载至设计承载力，反复3次；

步骤三、正式加载：将最大试验荷载均匀分为10n级(最大试验荷载为1500吨时，分为100吨、200吨……1500吨)，试验时以设计承载力的1％作为初始荷载，然后逐级加载，每级荷载稳压2分钟后记录试验机荷载和测力传感器荷载，直至到最大试验荷载，稳压3分钟后卸载，加载过程连续进行3次；

步骤四、绘图：取步骤三中每一级3次传感器读数的算术平均值F₁(在100吨、200吨……时的三次测力传感器荷载平均值)，绘制传感器荷载—试验机荷载曲线，并做拟合计算，确定试验机荷载F与传感器荷载F₁的关系式F(F₁,0)，表示0转角下的标定关系；

步骤五、支座设计承载力W下的转角影响测试：支座上部放置楔形板，楔形板的倾斜角度与支座设计转角θ保持一致；对支座以连续均匀的速度加载至设计承载W力并保压3分钟确定传感器荷载F₂(W,θ)；

步骤六、综合确定荷载：支座在实际使用中，实时获取测力传感器测量的力值F₃、转角传感器测量的竖向转角θ₁的读数，通过以下公式完成支座荷载的计算，综合确定支座整体竖向受力F_a：

其中，F(W,0)为步骤四中，试验机荷载为设计荷载W时的传感器荷载。

下座板3和底座板1之间设有隔离垫，在支座不受到加载力时，测力传感器9的测力点与隔离垫不受力接触。防止测力传感器的测力点与上方的下座板金属底面直接接触，影响测量结果。

隔离垫为摩擦副，摩擦副包括相配合的上滑板和下滑板，上滑板设置在下座板3的底面上，下滑板由中心滑板和中心滑板外侧的环形滑板组成，环形滑板设置在底座板1的上表面上，中心滑板设置在测力传感器9的测力点顶部。中心滑板与环形滑板之间设有间隙，防止测力时测力传感器超过扬程。上滑板可采用金属材质制作，下滑板可采用非金属材质制作。

实施例1

给出高精度竖向测力横向活动球型支座，如图1、2所示。其主要由底座板1，固定平面摩擦副2，下座板3，下球面转动摩擦副4，中座板5，上平面滑动摩擦副6，上座板7，转角传感器8，测力传感器9等部件组成。上平面摩擦副6和下球面转动摩擦副4共同组成支座的竖向承压摩擦副，具备竖向承载、横桥向滑动、竖向转动功能，每个摩擦副均包括非金属滑板和不锈钢滑板。固定平面摩擦副2由贴覆在下座板3底部的固定平面不锈钢滑板2-1和处于同一平面分别镶嵌在测力传感器9上的固定中心非金属滑板2-2与镶嵌在底座板1上的固定环形非金属滑板2-3共同组成。

支座底座板1中心位置掏出一个圆柱形体内腔，测力传感器9放置在此内腔即底座板1的中心位置。在测力传感器9顶部镶嵌固定中心非金属滑板2-2，固定中心非金属滑板2-2与固定环形非金属滑板2-3处于同一平面且共同承担支座的竖向荷载，支座竖向荷载中的一部分通过固定中心非金属滑板2-2传递到测力传感器9，完成固定中心非金属滑板2-2所承受的竖向压力测定。通过竖向标定试验，确定固定中心非金属滑板2-2所受力(即测力传感器9测定力值)与支座整体竖向受力关系，最终通过测力传感器9的受力反推获知支座的整体竖向受力情况，从而使支座具备竖向测力功能。

利用圣维南原理，荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关。测力传感器9设置并固定在底座板1中心内腔位置，测力传感器9的顶部固定平面摩擦副2、下座板3和底座板1始终处于固定状态，避免了滑动或转动带来的非金属滑板磨损问题，且远离支座的平面滑动和竖向转动位置，因此支座运动状态的改变，离上部结构载荷作用区稍远的测力传感器9只同整体荷载即支座上部结构荷载相关，显著减少支座运动状态的改变导致的测力偏差的影响，可将综合测力偏差由原来的10％F.S以上降低到3％F.S。

通过设置在上座板7的转角传感器8，实测出纵桥向转角(桥梁的横桥向位移及转角较小，可忽略)，通过先期标定确定纵桥向转角引发的支座测力偏差，在综合测量支座竖向荷载时将此偏差去除，获得高精度的支座上部结构荷载，又将综合测力偏差由3％F.S再降到1％F.S，彻底解决支座的运动状态引发的测力偏差难题。

本实施例的高精度竖向测力横向活动球型支座在正常情况下，可实现竖向承载、横桥向滑移、纵桥向限位和支座竖向转动功能，同时在支座整个运行过程中始终具备竖向测力功能。

实施例2

给出高精度竖向测力固定球型支座，如图3、4所示。其主要由底座板1，固定平面摩擦副2，下座板3，下球面转动摩擦副4，中座板5，上平面滑动摩擦副6，上座板7，转角传感器8，测力传感器9等部件组成。上平面摩擦副6和下球面转动摩擦副4共同组成支座的竖向承压摩擦副，具备竖向承载、纵横桥向限位、竖向转动功能，每个摩擦副均包括非金属滑板和不锈钢滑板。固定平面摩擦副2由贴覆在下座板3底部的固定平面不锈钢滑板2-1和处于同一平面分别镶嵌在测力传感器9上的固定中心非金属滑板2-2与镶嵌在底座板1上的固定环形非金属滑板2-3共同组成。

支座底座板1中心位置掏出一个圆柱形体内腔，测力传感器9放置在此内腔即底座板1的中心位置。在测力传感器9顶部镶嵌固定中心非金属滑板2-2，固定中心非金属滑板2-2与固定环形非金属滑板2-3处于同一平面且共同承担支座的竖向荷载，支座竖向荷载中的一部分通过固定中心非金属滑板2-2传递到测力传感器9，完成固定中心非金属滑板2-2所承受的竖向压力测定。通过竖向标定试验，确定固定中心非金属滑板2-2所受力(即测力传感器9测定力值)与支座整体竖向受力关系，最终通过测力传感器9的受力反推获知支座的整体竖向受力情况，从而使支座具备竖向测力功能。

利用圣维南原理，荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关。测力传感器9设置并固定在底座板1中心内腔位置，测力传感器9的顶部固定平面摩擦副2、下座板3和底座板1始终处于固定状态，避免了转动带来的非金属滑板磨损问题，且远离支座的运动位置，因此支座运动状态的改变，离上部结构载荷作用区稍远的测力传感器9只同整体荷载即支座上部结构荷载相关，显著减少支座运动状态的改变导致的测力偏差的影响，可将综合测力偏差由原来的10％F.S以上降低到3％F.S。

通过设置在上座板7的转角传感器8，实测出纵桥向转角(桥梁的横桥向转角较小，可忽略)，通过先期标定确定纵桥向转角引发的支座测力偏差，在综合测量支座竖向荷载时将此偏差去除，获得高精度的支座上部结构荷载，又将综合测力偏差由3％F.S再降到1％F.S，彻底解决支座的运动状态引发的测力偏差难题。

本实施例的高精度竖向测力固定球型支座在正常情况下，可实现竖向承载、纵横桥向限位和支座竖向转动功能，同时在支座整个运行过程中始终具备竖向测力功能。

Claims (3)

1.一种高精度竖向测力横向活动和固定球型支座的测力方法，设有用于竖向测力的横向活动或固定球型支座，其特征在于：包括从上至下依次设置的上座板（7）、中座板（5）、下座板（3）和底座板（1），上座板（7）和中座板（5）之间纵向限位横向移动或纵向限位横向限位，在上座板（7）的纵桥向放置有测量支座纵桥向转动的转角传感器（8），中座板（5）和下座板（3）之间转动设置，下座板（3）和底座板（1）之间纵向限位横向限位，在底座板（1）的中心开设有安装腔，安装腔内竖直设置有测力传感器（9），测力传感器（9）的测力受力点与支座的中心线重合；

利用上述横向活动或固定球型支座进行测力的方法，包括以下步骤：

步骤一、组装核对：将支座组装完毕，并置于试验机上，支座中心与试验机中心位置对准，最大试验荷载为设计承载力的n倍，n的值为1~1.5，试验机对支座加载至设计承载力的1%后，核对测力传感器受力，确认无误后进行预压；

步骤二、预压：将支座以连续均匀的速度加载至设计承载力，反复3次；

步骤三、正式加载：将最大试验荷载均匀分为10n级，试验时以设计承载力的1%作为初始荷载，然后逐级加载，每级荷载稳压2分钟后记录试验机荷载和测力传感器荷载，直至到最大试验荷载，稳压3分钟后卸载，加载过程连续进行m次,m≥3；

步骤四、绘图：取步骤三中每一级m次传感器读数的算术平均值

，绘制传感器荷载—试验机荷载曲线，并做拟合计算，确定试验机荷载

与传感器荷载

的关系式

，表示0转角下的标定关系；

步骤五、支座设计承载力

下的转角影响测试：支座上部放置楔形板，楔形板的倾斜角度与支座设计转角

保持一致；对支座以连续均匀的速度加载至设计承载

力并保压3分钟确定传感器荷载

；

步骤六、综合确定荷载：支座在实际使用中，实时获取测力传感器测量的力值

、转角传感器测量的竖向转角

的读数，通过以下公式完成支座荷载的计算，综合确定支座整体竖向受力

：

其中，

为步骤四中，试验机荷载为设计荷载

时的传感器荷载。

2.如权利要求1所述的一种高精度竖向测力横向活动和固定球型支座的测力方法，其特征在于：下座板（3）和底座板（1）之间设有隔离垫，在支座不受到加载力时，测力传感器（9）的测力点与隔离垫不受力接触。

3.如权利要求2所述的一种高精度竖向测力横向活动和固定球型支座的测力方法，其特征在于：隔离垫为摩擦副，摩擦副包括相配合的上滑板和下滑板，上滑板设置在下座板（3）的底面上，下滑板由中心滑板和中心滑板外侧的环形滑板组成，环形滑板设置在底座板（1）的上表面上，中心滑板设置在测力传感器（9）的测力点顶部。

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