CN112195763B - 一种桥梁支座及一种桥梁支座的智能监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁支座，所述桥梁支座包括：由橡胶材料制成的支座主体和嵌入所述支座主体内的金属单元，所述金属单元包括：沿所述支座主体的受压方向依次平行且间隔设置的第一金属片、第二金属片和第三金属片，在所述桥梁支座未受剪切力时，所述第一金属片和所述第三金属片的形状相同且二者在所述支座主体的底面的投影形状完全重合，所述第二金属片正对所述第一金属片设置。本发明还公开了一种桥梁支座的智能监测方法，应用于如上所述的桥梁支座。本发明旨在解决现有技术中对桥梁支座进行变形检测时，需要设置额外传感器，且难以实现远程实时监控的技术问题。

Description

一种桥梁支座及一种桥梁支座的智能监测方法

技术领域

本发明属于桥梁技术领域，尤其涉及一种桥梁支座及一种桥梁支座的智能监测方法。

背景技术

目前桥梁橡胶支座已经广泛运用在公路桥梁建设中，但随着桥梁服役时间增长，桥梁橡胶支座开始逐步进入老化期，为降低支座损坏对桥梁结构健康的造成的影响，桥梁定期检修过程中，需要通过人工对支座状况进行检测，及时上报桥梁支座基本情况，如果桥梁支座出现压缩变形过大、故障、剪切变形严重等问题，需要及时上报，进行更换。由于桥梁支座一般安放在桥墩与梁板之间，人工目检不便。

现有技术中，要借助专用的桥梁检测设备(如桥检车)对桥梁支座的变形情况进行检测，现有技术的不足在于，该种检测方法检测效率低下，且无法实现远程实时监控。

现有技术中，为实现对桥梁支座变形的在线监测，需在桥梁支座中内置复杂电路结构，还需内置或外置额外的传感器，提高了制作成本，存在内置传感器在承受高压状态下被损坏的风险，影响桥梁支座的整体力学性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于此，本发明提出了一种桥梁支座及一种桥梁支座的智能监测方法，该桥梁支座旨在解决现有技术中的桥梁支座受力性能不佳且制作难度大的技术问题。该桥梁支座的智能监测方法旨在解决现有技术中的检测方法效率低且无法实现远程实时监控的技术问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出了一种桥梁支座，所述桥梁支座包括：由橡胶材料制成的支座主体和嵌入所述支座主体内的金属单元，所述金属单元包括：沿所述支座主体的受压方向依次平行且间隔设置的第一金属片、第二金属片和第三金属片，在所述桥梁支座未受剪切力时，所述第一金属片和所述第三金属片的形状相同且二者在所述支座主体的底面的投影形状完全重合，所述第二金属片正对所述第一金属片设置，且所述第二金属片在所述支座主体的底面的投影面积大于或小于所述第一金属片在所述支座主体的底面的投影面积，所述支座主体的受压方向与所述支座主体的底面垂直，所述支座主体的底面与所述第一金属片平行，所述第一金属片和所述第二金属片形成第一平行板电容器，所述第一金属片和所述第三金属片形成第二平行板电容器，所述第二金属片和所述第三金属片形成第三平行板电容器。

优选的，所述第一金属片、所述第二金属片及所述第三金属片均为钢材或均为钛合金材料制成。

优选的，所述支座主体为长方体时，所述第一金属片、第二金属片和第三金属片三者均为长方形片状；或所述支座主体为圆柱体时，所述第一金属片、第二金属片和第三金属片三者均为圆形片状或均为椭圆形片状；或所述支座主体为椭圆体，所述第一金属片、第二金属片和第三金属片三者均为圆形片状或均为椭圆形片状。

优选的，所述第二金属片与所述第一金属片之间的距离等于所述第二金属片与所述第三金属片之间的距离。

优选的，所述金属单元还包括与所述第三金属片平行且间隔设置的第四金属片，所述第四金属片和所述第二金属片的形状相同，且在所述桥梁支座未受剪切力时，所述第四金属片和所述第二金属片分别在所述支座主体的底面的投影形状完全重合；所述第四金属片设于所述第三金属片的远离所述第二金属片的一侧，或所述第四金属片设于所述第三金属片和第二金属片之间。

优选的，所述第四金属片为钢材或为钛合金材料制成。

本发明还提供了一种桥梁支座的智能监测方法，应用于如上所述的桥梁支座，包括如下步骤：

步骤1，检测C1，利用导线连接所述第一金属片和所述第二金属片，并连接电容测试电路，在所述桥梁支座处于受力状态时，通过电容测试电路对所述第一平行板电容器的电容C1进行检测，获取C1值，

步骤2，受压变形预警，设置第一平行板电容器的电容值设定值C1max，当C1＞C1max时，进行受压变形预警。

优选的，步骤2中，C1max＝εS/4πk*d1min，其中：ε为材料介电常数，π为圆周率，k为静电力常数，S为所述第一金属片和所述第二金属片分别在所述支座主体的底面的投影的重合部分的面积，当S1＞S2时，S＝S2，当S1＜S2时，S＝S1，其中：S1为所述第一金属片在所述支座主体的底面的投影面积，S2为所述第二金属片在所述支座主体的底面的投影面积，d1min为所述第一金属片和所述第二金属片之间的距离的最小值，该值为预先根据所述桥梁支座的力学情况设定。

优选的，步骤2中还包括：剪切变形预警，具体为：

将所述第一金属片和所述第三金属片分别在所述支座主体的底面的投影的重合部分的面积的变化量设为ΔB；

将所述第一金属片和所述第三金属片分别在所述支座主体的底面的投影的重合部分的面积的变化量的最大值设为ΔBmax，该值为预先根据所述桥梁支座的力学情况设定；

当ΔB＞ΔBmax时，进行剪切变形预警。

优选的，通过如下方法计算ΔB的值：ΔB＝B0-B1＝4πk(D1C0-D2C2)/ε，其中：ε为材料介电常数，π为圆周率，k为静电力常数，D1为所述桥梁支座未发生剪切变形状态下，所述第一金属板和所述第三金属板之间的距离，C0为所述桥梁支座未发生剪切变形状态下，所述第一金属板和所述第三金属板之间的电容，该值通过导线连接所述第一金属片和所述第三金属片，并连接电容测试电路后测量得到；D2为所述桥梁支座发生剪切变形状态下，所述第一金属板和所述第三金属板之间的距离，C2为所述桥梁支座发生剪切变形状态下，所述第一金属板和所述第三金属板之间的电容，该值通过导线连接所述第一金属片和所述第三金属片，并连接电容测试电路后测量得到。

(三)有益效果

本发明与现有技术对比，本发明一种桥梁支座及一种桥梁支座的智能监测方法的有益效果主要包括：

本发明一种桥梁支座，通过对桥梁支座的结构进行改进，在橡胶支座主体内嵌入金属片，采用不同面积的内嵌金属片交替等距放置，内嵌金属片与橡胶材料之间构成平行板电容器，不改变桥梁橡胶支座主体性能前提下，通过测量内嵌金属片间电容变化，获取桥梁支座变形量，无需内置复杂电路结构，避免了内置或外置额外的传感器，便可实现对桥梁支座变形的在线监测，降低了制作成本，同时也避免了内置传感器在承受高压状态下被损坏的风险。

本发明一种桥梁支座的智能监测方法，通过测量桥梁支座在不同变形条件下，测量内嵌金属片间电容变化，获取电容变化量与桥梁支座压缩变形、剪切变形的对应关系，从而可以实现通过对桥梁橡胶支座主体内嵌金属片间电容变化，获得桥梁支座实际变形数据，实现远程实时监控。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施方式的一种桥梁支座的主视图；

图2为本发明实施方式的一种桥梁支座的立体图一(圆形)；

图3为本发明实施方式的一种桥梁支座的立体图二(方形)。

附图标记说明：

1-第一金属片、2-第二金属片、3-第三金属片、4-第四金属片、5-支座主体。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，也可以是“传动连接”，即通过带传动、齿轮传动或链轮传动等各种合适的方式进行动力连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参考附图1-3，一种桥梁支座，包括：由橡胶材料制成的支座主体5和嵌入支座主体5内的金属单元，金属单元包括：沿支座主体5的受压方向依次平行且间隔设置的第一金属片1、第二金属片2和第三金属片3，在桥梁支座未受剪切力时，第一金属片1和第三金属片3的形状相同且二者在支座主体5的底面的投影形状完全重合，第二金属片2正对第一金属片1设置，且第二金属片2在支座主体5的底面的投影面积大于或小于第一金属片1在支座主体5的底面的投影面积，支座主体5的受压方向与支座主体5的底面垂直，支座主体5的底面与第一金属片1平行，第一金属片1和第二金属片2形成第一平行板电容器，第一金属片1和第三金属片3形成第二平行板电容器，第二金属片2和第三金属片3形成第三平行板电容器。

实施时，在支座主体5的高度方向(即支座主体5的受压方向)上，第一金属片1、第二金属片2和第三金属片3的中心对齐，比如，当第一金属片1、第二金属片2和第三金属片3三者均为圆片状时，三者的轴线重合，当第一金属片1、第二金属片2和第三金属片3三者均为矩形片状时，三者的对角线的交点对齐。

本发明一种桥梁支座，通过对桥梁支座的结构进行改进，在橡胶支座主体5内嵌入金属片，采用不同面积的内嵌金属片交替等距放置，内嵌金属片与橡胶材料之间构成平行板电容器，可通过测量相邻金属片间(大面积金属片与小面积金属片)电容的变化，间接反应桥梁支座压缩变形；通过测量相邻大面积金属片间的电容变化，从而间接反应桥梁支座的剪切变形。在不同变形条件，通过测量内嵌金属片间电容变化，获取电容变化量与桥梁支座压缩变形、剪切变形的对应关系，从而可以实现通过对桥梁橡胶支座主体5内嵌金属片间电容变化，获得桥梁支座实际变形数据。

本发明一种桥梁支座，包括支座主体5，支座主体5的结构，兼容现有桥梁支座生产制作工艺，利于加工成型。在不改变桥梁橡胶支座主体5性能前提下，通过测量内嵌金属片间电容变化，获取桥梁支座变形量，无需内置复杂电路结构，无需内置或外置额外的传感器，便可实现对桥梁支座变形的在线监测，降低了制作成本，同时也避免了内置传感器在高压状态下发生损坏的风险。

根据本发明的具体实施方式，第一金属片1、第二金属片2及第三金属片3均为钢材或均为钛合金材料制成。需要说明的是，第一金属片1、第二金属片2及第三金属片3还可为其它能制作电容器且强度较高的材料。优选为钢材，其强度高，价格低，综合性能好。

根据本发明的具体实施方式，支座主体5为长方体时，第一金属片1、第二金属片2和第三金属片3三者均为长方形片状；或支座主体5为圆柱体时，第一金属片1、第二金属片2和第三金属片3三者均为圆形片状或均为椭圆形片状；或支座主体5为椭圆体，第一金属片1、第二金属片2和第三金属片3三者均为圆形片状或均为椭圆形片状。

由于支座主体5一般为圆柱体或长方体，所以第一金属片1、第二金属片2和第三金属片3的结构优选为与支座主体5形状对应的圆片状或正方形片状。且选用该形状后，容易实现金属片的中心对齐，利于降低成型难度。当然，第一金属片1、第二金属片2和第三金属片3还可为其它形状，比如：椭圆形、四角倒圆的正方形。但需要注意的是，金属片应避免选用侧部具有凹槽的结构，因为若选用这种结构，桥梁支座发生形变时，容易出现面积较小的金属片的角部与面积较大的金属片的凹槽部重叠，导致二者在支座主体5的底面的投影面积的重合面积的大小不正确。影响电容值计算的正确性。

根据本发明的具体实施方式，第二金属片2与第一金属片1之间的距离等于第二金属片2与第三金属片3之间的距离。选择这样的结构，利于简化计算过程，提高计算的效率。但也可将第二金属片2到第一金属片1距离和第二金属片2到第三金属片3的距离设置为不同，这都是可行的。在成型桥梁支座时，记录桥梁支座在未受力状态下的金属片之间的实际距离信息，用于后续监测计算。

根据本发明的具体实施方式，金属单元还包括与第三金属片3平行且间隔设置的第四金属片4，第四金属片4和第二金属片2的形状相同且在所述桥梁支座未受剪切力时，二者在支座主体5的底面的投影形状完全重合；第四金属片4设于第三金属片3的远离第二金属片2的一侧，或第四金属片4设于第三金属片3和第二金属片2之间。第四金属片4为钢材或为钛合金材料制成。根据需要还可设置第五金属片、第六金属片。通过设置多片金属片，可根据实际情况增加测量点，利于提高测量的精度。

下面对本发明一种桥梁支座的智能监测方法进行具体阐述，该方法应用于如上的桥梁支座，包括如下步骤：

步骤1，检测C1，利用导线连接第一金属片1和第一金属片2，并连接电容测试电路，在桥梁支座处于受力状态时，通过电容测试电路对第一平行板电容器的电容C1进行检测，获取C1值。

步骤2，受压变形预警，设置第一平行板电容器的电容值设定值C1max，当C1＞C1max时，进行受压变形预警。

具体地，步骤2中，C1max＝εS/4πk*d1min，其中：ε为材料介电常数，π为圆周率，k为静电力常数，S为第一金属片1和第一金属片2分别在支座主体5的底面的投影的重合部分的面积，当S1＞S2时，S＝S2，当S1＜S2时，S＝S1，其中：S1为第一金属片1在支座主体5的底面的投影面积，S2为第一金属片2在支座主体5的底面的投影面积，d1min为第一金属片1和第一金属片2之间的距离的最小值，该值为预先根据桥梁支座的力学情况设定。

上述方法的原理为：橡胶支座主体5在使用过程中，橡胶支座主体5受压后，发生压缩变形，大小金属片(第一金属片1和第二金属片2)之间间距发生变化，引起C1改变。受压变形引起的两者之间的距离变化，第一金属片1和第二金属片2分别在支座主体5的底面的投影的重合部分的面积不会发生变化，因此，C1变化只是由金属片间间距变化引起的，因此可以确认大小金属片间间距变化与电容C1之间变化，通过实验构建第一金属片1和第二金属片2之间的间距变化与电容器C1之间变化的数据表格，可以在桥梁支座使用过程中，通过监测C1电容，依据实现建立的数据表格，查阅间距变化，进而获取支座变形。需要说明的是，建立该数据表格并非实现发明一种桥梁支座的智能监测方法的必要特征，但建立该数据表格可以较直观的通过监测到的C1值，观察对应的间距变化值。提高检测的直观性。

当C1＞C1max时，意味着第一金属片1和第二金属片2之间的间距变化超过预设的值：进行受压变形预警，及时提醒用户进行更换或维修检查，保证桥梁支座使用安全。

为了实现剪切变形预警，本发明一种桥梁支座的智能监测方法还包括：剪切变形预警，具体为：

将第一金属片1和第三金属片3分别在支座主体5的底面的投影的重合部分的面积的变化量设为ΔB。

将第一金属片1和第三金属片3分别在支座主体5的底面的投影的重合部分的面积的变化量的最大值设为ΔBmax，该值为预先根据桥梁支座的力学情况设定。

当ΔB＞ΔBmax时，进行剪切变形预警。

具体地，通过如下方法计算ΔB的值：ΔB＝B0-B1＝4πk(D1C0-D2C2)/ε，其中：ε为材料介电常数，π为圆周率，k为静电力常数。D1为桥梁支座未发生剪切变形状态下，第一金属板和第三金属板之间的距离，C0为桥梁支座未发生剪切变形状态下，第一金属板和第三金属板之间的电容，该值通过导线连接第一金属片1和第三金属片3，并连接电容测试电路后测量得到；D2为桥梁支座发生剪切变形状态下，第一金属板和第三金属板之间的距离，C2为桥梁支座发生剪切变形状态下，第一金属板和第三金属板之间的电容，该值通过导线连接第一金属片1和第三金属片3，并连接电容测试电路后测量得到。

上述方法的原理为：当桥梁支座受剪切力时，必然引起第一金属片1和第三金属片3分别在支座主体5的底面的投影的重合部分的面积发生变化，当当重合面积变化到一定程度，必然引起剪切变形破坏，因此，可预先根据桥梁支座的力学情况，设定ΔBmax，该值为当ΔB＞ΔBmax时，说明剪切变形超过预定值时，会引起支座剪切破坏，及时提醒用户进行更换。

ΔB的计算原理为：位移或重合面积变化会引起的相邻两大钢片(第一金属片1和第三金属片3)间电容变化，可通过设备直接测出受剪切变形前后的电容值，再根据测得的电容值，结合形成电容器的两个金属片(第一金属片1和第三金属片3)的位置变化值，推算出第一金属片1和第三金属片3分别在支座主体5的底面的投影的重合部分的面积的变化量。

本发明一种桥梁支座，通过对桥梁支座的结构进行改进，在橡胶支座主体内嵌入金属片，采用不同面积的内嵌金属片交替等距放置，内嵌金属片与橡胶材料之间构成平行板电容器，不改变桥梁橡胶支座主体性能前提下，通过测量内嵌金属片间电容变化，获取桥梁支座变形量，无需内置复杂电路结构，避免了内置或外置额外的传感器，便可实现对桥梁支座变形的在线监测，降低了制作成本，同时也避免了内置传感器在承受高压状态下被损坏的风险。

本发明一种桥梁支座的智能监测方法，通过测量桥梁支座在不同变形条件下，测量内嵌金属片间电容变化，获取电容变化量与桥梁支座压缩变形、剪切变形的对应关系，从而可以实现通过对桥梁橡胶支座主体内嵌金属片间电容变化，获得桥梁支座实际变形数据，实现远程实时监控。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种桥梁支座，其特征在于，所述桥梁支座包括：由橡胶材料制成的支座主体和嵌入所述支座主体内的金属单元，所述金属单元包括：沿所述支座主体的受压方向依次平行且间隔设置的第一金属片、第二金属片和第三金属片，在所述桥梁支座未受剪切力时，所述第一金属片和所述第三金属片的形状相同且二者在所述支座主体的底面的投影形状完全重合，所述第二金属片正对所述第一金属片设置，且所述第二金属片在所述支座主体的底面的投影面积大于或小于所述第一金属片在所述支座主体的底面的投影面积，所述支座主体的受压方向与所述支座主体的底面垂直，所述支座主体的底面与所述第一金属片平行，所述第一金属片和所述第二金属片形成第一平行板电容器，所述第一金属片和所述第三金属片形成第二平行板电容器，所述第二金属片和所述第三金属片形成第三平行板电容器。

2.根据权利要求1所述的桥梁支座，其特征在于，所述第一金属片、所述第二金属片及所述第三金属片均为钢材或均为钛合金材料制成。

3.根据权利要求1所述的桥梁支座，其特征在于，所述支座主体为长方体时，所述第一金属片、第二金属片和第三金属片三者均为长方形片状；或所述支座主体为圆柱体时，所述第一金属片、第二金属片和第三金属片三者均为圆形片状或均为椭圆形片状；或所述支座主体为椭圆体，所述第一金属片、第二金属片和第三金属片三者均为圆形片状或均为椭圆形片状。

4.根据权利要求1所述的桥梁支座，其特征在于，所述第二金属片与所述第一金属片之间的距离等于所述第二金属片与所述第三金属片之间的距离。

5.根据权利要求1所述的桥梁支座，其特征在于，所述金属单元还包括与所述第三金属片平行且间隔设置的第四金属片，所述第四金属片和所述第二金属片的形状相同，且在所述桥梁支座未受剪切力时，所述第四金属片和所述第二金属片分别在所述支座主体的底面的投影形状完全重合；所述第四金属片设于所述第三金属片的远离所述第二金属片的一侧，或所述第四金属片设于所述第三金属片和第二金属片之间。

6.根据权利要求5所述的桥梁支座，其特征在于，所述第四金属片为钢材或为钛合金材料制成。

7.一种桥梁支座的智能监测方法，应用于如权利要求1-6任一项所述的桥梁支座，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，检测C1，利用导线连接所述第一金属片和所述第二金属片，并连接电容测试电路，在所述桥梁支座处于受力状态时，通过电容测试电路对所述第一平行板电容器的电容C1进行检测，获取C1值，

步骤2，受压变形预警，设置第一平行板电容器的电容值设定值C1max，当C1＞C1max时，进行受压变形预警。

8.根据权利要求7所述的桥梁支座的智能监测方法，其特征在于，步骤2中，C1max=εS/4πk*d1min，其中：ε为材料介电常数，π为圆周率，k为静电力常数，S为所述第一金属片和所述第二金属片分别在所述支座主体的底面的投影的重合部分的面积，当S1＞S2时，S=S2，当S1＜S2时，S=S1，其中：S1为所述第一金属片在所述支座主体的底面的投影面积，S2为所述第二金属片在所述支座主体的底面的投影面积，d1min为所述第一金属片和所述第二金属片之间的距离的最小值，该值为预先根据所述桥梁支座的力学情况设定。

9.根据权利要求8所述的桥梁支座的智能监测方法，其特征在于，步骤2中还包括：剪切变形预警，具体为：

将所述第一金属片和所述第三金属片分别在所述支座主体的底面的投影的重合部分的面积的变化量设为ΔB；

将所述第一金属片和所述第三金属片分别在所述支座主体的底面的投影的重合部分的面积的变化量的最大值设为ΔBmax，该值为预先根据所述桥梁支座的力学情况设定；

当ΔB＞ΔBmax时，进行剪切变形预警。

10.根据权利要求9所述的桥梁支座的智能监测方法，其特征在于，通过如下方法计算ΔB的值：ΔB=B0-B1=4πk（D1C0-D2C2）/ε，其中：ε为材料介电常数，π为圆周率，k为静电力常数，D1为所述桥梁支座未发生剪切变形状态下，所述第一金属板和所述第三金属板之间的距离，C0为所述桥梁支座未发生剪切变形状态下，所述第一金属板和所述第三金属板之间的电容，该值通过导线连接所述第一金属片和所述第三金属片，并连接电容测试电路后测量得到；D2为所述桥梁支座发生剪切变形状态下，所述第一金属板和所述第三金属板之间的距离，C2为所述桥梁支座发生剪切变形状态下，所述第一金属板和所述第三金属板之间的电容，该值通过导线连接所述第一金属片和所述第三金属片，并连接电容测试电路后测量得到。

Images