CN113819945A - 一种监测支座变形与受力状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测支座变形与受力状态的方法，所述方法通过确定支座的竖向移动楔形块、水平移动楔形块和测力楔形块间的变形协调关系，从而根据弹簧单元的变形量得到支座承受的竖向压力和相应的变形，根据波纹板的变形确定所述支座所受拉力以及剪力，并且通过调节弹性单元刚度参数可以调整测力精度。本发明根据弹性元件变形大小与支座受力大小呈现单值单调映射关系，能够通过弹性元件的变形实时观测支座在服役期间的变形及受力状态，提高了结构的安全性。

Description

一种监测支座变形与受力状态的方法

技术领域

本发明涉及土木工程支座技术领域，具体地说，是一种监测支座变形与受力状态的方法。

背景技术

在土木工程结构中，特别是在建筑结构和桥梁结构中，钢支座用于结构上、下部构件的固定连接，并通过球冠板实现节点弯矩释放。钢支座可分为固定支座、单向滑移支座和双向滑移支座。支座作为工程结构的边界关键部件，其服役期间的健康状况直接影响结构的安全性、使用性和舒适性，而支座的健康状况与其受力和变形状态息息相关，因此，实现对支座的实时监测与评估具有重要意义。现阶段，用于测量支座受力的方法主要是基于传感器的监测技术，且多数技术用于测量支座的竖向受力。本发明旨在提出一种监测支座变形与受力状态的方法，以实现对支座在受剪、受拉或受压时的实时监测。

发明内容

本发明的目的就在于改进现有支座的不足，从而提供一种监测支座变形与受力状态的方法，解决支座在服役期间多向受力监测问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种监测支座变形与受力状态的方法，所述支座包括：

连接板，用于与下方的承载结构固定连接，且所述连接板上设置有标尺系统；

下支座围壁，下侧贴合并固定连接所述连接板，所述下支座围壁的内部挖空构成空腔，左右两侧的上方则向外侧延伸形成条状凸起；

水平移动楔形块，位于所述下支座围壁的空腔内，所述水平移动楔形块下侧与连接板之间设置水平向滑移板，前后两侧与下支座围壁之间设置垂直向滑移板，右侧与下支座围壁之间留有空间，且左侧面与上侧面为斜面；

测力楔形块，位于所述下支座围壁的空腔内的所述水平移动楔形块的左方，所述测力楔形块左侧与下支座围壁之间设置垂直向滑移板，右侧面为与所述水平移动楔形块左侧面相对应的斜面，且与水平移动楔形块之间设置斜向滑移板，下侧则设置有弹簧测力系统；

竖向移动楔形块，位于所述下支座围壁空腔内的所述水平移动楔形块的上方，该竖向移动楔形块上表面设有球冠形的凹槽；该竖向移动楔形块前、后、左、右侧与下支座围壁之间均设置垂直向滑移板，下侧面为与所述水平移动楔形块上侧面相对应的斜面，且与水平移动楔形块之间设置斜向滑移板；

球冠板，位于所述竖向移动楔形块上方的球冠形的凹槽，且二者之间设置转动滑移板；

上支座板，位于所述球冠板上方，所述上支座板用于与上方的目标结构固定连接；所述上支座板左右两侧向下延伸并向内扣形成条状凹槽，且该条状凹槽与所述下支座围壁的条状凸起相匹配，所述条状凹槽对应于所述条状凸起的下侧接触面和侧边接触面均设置波纹板测力系统；

所述监测支座变形与受力状态的方法包括以下步骤：

S1、设所述支座承受的竖向压力设计值为F_N，竖向拉力为F_P，水平剪力为F_S，压力转换系数为η；

S2、根据支座的构型知所述竖向移动楔形块下表面的斜度为α₁，所述水平移动楔形块上表面的斜度为α₁，所述测力楔形块右侧表面的斜度为α₂；

S3、在所述竖向移动楔形块中，得到

和

在所述水平移动楔形块中，得到

同时，得到

根据所述水平移动楔形块水平向受力平衡得到

由此得到N₂；根据所述水平移动楔形块竖向受力平衡可以得到

由此得到N₃；根据所述测力楔形块竖向受力平衡得到

根据所述测力楔形块水平受力平衡得到N₅＝F₁′；根据楔形块斜坡的斜度与相应表面夹角的关系，得到

和

且得到N₄＝F_Nα₁α₂，其中α₁α₂＝η；

S4、根据所述弹簧单元的数量确定其总刚度为K；当支座不受外荷载F_N时，记所述测力楔形块的形心位置为初始位置；当支座受外荷载F_N时，测力楔形块的形心位置变形值l与弹簧变形值一致，根据所述的弹簧单元的总刚度K，确定压力N₄与所述测力楔形块的形心位置变形值l的关系满足N₄＝lK；根据所述竖向移动楔形块、水平移动楔形块和测力楔形块间的变形协调关系，所述竖向移动楔形块的位移为

所述竖向移动楔形块的位移即为支座的变形量l_b；

S5、由S4得出支座承受的竖向压力F_N、支座相应的变形量l_b与所述弹簧单元的变形量l的关系：F_N＝lK/α₁α₂，l_b＝lη；

S6、受力分析得，支座受到竖向拉力F_P时，所述上支座板条状凹槽内部下侧受到的压力F₃＝F_p/2；对应的波纹板的刚度为K_t，根据所述波纹板的变形l_t确定所述支座所受拉力为2l_tK_t；

S7、受力分析得，支座受到水平剪力F_S时，所述上支座板条状凹槽内部侧边受到的压力F₄＝F_s；对应的波纹板的刚度为K_s，根据所述波纹板的变形l_s确定所述支座所受剪力为l_sK_s。

进一步的，所述支座的标尺支座固定连接于连接板上；所述度量标尺固定连接于标尺支座，所述指针固定安装于上支座板。

进一步的，所述支座的弹簧测力系统包括弹簧导杆，弹簧单元以及弹簧套筒；所述弹簧套筒上端与所述测力楔形块固定连接，下端悬空，保留足够的运动行程；所述弹簧导杆下端与连接板固定连接，且所述弹簧导杆上端悬空，保留足够的运动行程；所述弹簧单元套设于所述弹簧导杆上，上端位于所述弹簧套筒内，且两端分别抵住所述测力楔形块的底部与连接板的顶部。

具体的，所述弹簧单元的数量至少为6根；所述弹簧套筒与弹簧单元配套使用，其数量与弹簧单元相同；且弹簧单元沿测力楔形块的底部均匀对称布置。

进一步的，所述波纹板测力系统包括波纹板和侧条板；所述波纹板设置于上支座板的条状凹槽对应于所述下支座围壁的条状凸起的侧边接触面和下侧接触面上，所述侧条板通过胶粘、焊接等方式覆盖并固定于所述波纹板的表面从而将所述波纹板封装在上支座板内；所述波纹板设置至少4个。

进一步的，所述支座的上支座板顶部外缘与目标结构通过焊条固定连接。

进一步的，其特征在于，所述支座的连接板的截面形状为矩形；连接板底部与承载结构通过若干个高强螺栓固定连接。所述支座承载结构中预设有螺栓套筒，所述高强螺栓套于螺栓套筒中。具体的，所述高强螺栓沿所述连接板的截面均匀对称布置，且高强螺栓和螺栓套筒的设置数量至少为8个。

本发明具有位移调节功能的支座具有以下有益效果：

1、本发明利用弹性元件的线弹性特征进行力与位移转换，从而监测支座在服役期间的受力与变形状态，且能够根据位移特征标定弹性元件受力，具有耐久性好、性能稳定、易于更换与监测等特点，同时该系统整体属于无源监测系统，具有天然稳定特征，且施工技术简单，安全性高；

2、本发明可以实现对支座的实时受力与变形状态监测，监测精度通过改变弹性元件数量和刚度大小实现，受力与变形监测显示可以通过机械指针标定亦可以通过设置可变电阻实现数字显示，数字显示数据可导入数据采集与传输系统，有利于实现对结构的全寿命管理；

3、本发明根据指针指向在标尺系统的位置可确定支座的滑移变形量；通过推动指针，可实现对支座的复位，有利于解决支座在运输过程中的偏位问题。

附图说明

图1是本发明的具有变形与受力状态监测功能的支座的构造示意图；

图2为图1沿A-A方向的剖面图；

图3为图1沿B-B方向的剖面图；

图4是图1中b处的弹簧测力系统示意图；

图5是支座的标尺测量系统示意图；

图6是图1中a处的波纹板测力系统示意图；

图7是本发明基于支座的竖向位移调节原理图；

图8是本发明基于支座的水平位移调节原理图。

图号说明：

1-目标结构；2-承载结构；3-上支座板；30-条状凹槽；41-水平向滑移板；42-转动滑移板；43-斜向滑移板；44-水平向滑移板；45-垂直向滑移板；5-球冠板；6-竖向移动楔形块；7-水平移动楔形块；8-下支座围壁；80-条状凸起；9-测力楔形块；10-弹簧测力系统；100-弹簧导杆；11-弹簧单元；12-弹簧套筒；13-连接板；14-侧条板；15-波纹板测力系统；150-波纹板；16-焊条；17-高强螺栓；18-螺栓套筒；19-标尺系统；191-标尺支座；192-度量标尺；20-指针。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明一种监测支座变形与受力状态的方法作进一步详细说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。在本发明实施例描述中，涉及到方位描述，例如水平向、竖向、斜向、内、外、左、右、前、后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发明和简化描述，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发明的限制。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，弹性元件包括但并不限于弹簧单元11和波纹板150，其它具有线弹性特征的元件或者力与变形关系符合单调函数特性的元件也应当包含于本发明实施例中。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发明中的具体含义。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，支座因压力、拉力和剪力产生的变形可以用标尺系统19和指针20表示；由于所选用材料的力与变形关系符合单调函数特性，可以将变形转换为对应的力；标尺系统与指针组成的系统与滑动变阻器具有类似特征，利用滑动变阻器可以实现量测物理量的数字化显示。因此，其它具有标尺和指针组合特征的系统也应当包含于本发明实施例中。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发明中的具体含义。

本发明一种监测支座变形与受力状态的方法，如图1至图3所示，所述支座包括：

连接板13，用于与下方的承载结构2固定连接，且所述连接板13上设置有标尺系统19；

下支座围壁8，下侧贴合并固定连接所述连接板13，所述下支座围壁8的内部挖空构成空腔，左右两侧的上方则向外侧延伸形成条状凸起80；

水平移动楔形块7，位于所述下支座围壁8的空腔内，所述水平移动楔形块7下侧与连接板13之间设置水平向滑移板44，前后两侧与下支座围壁8之间设置垂直向滑移板45，右侧与下支座围壁8之间留有空间，且左侧面与上侧面为斜面；

测力楔形块9，位于所述下支座围壁8的空腔内的所述水平移动楔形块7的左方，所述测力楔形块9左侧与下支座围壁8之间设置垂直向滑移板45，右侧面为与所述水平移动楔形块7左侧面相对应的斜面，且与水平移动楔形块7之间设置斜向滑移板43，下侧则设置有弹簧测力系统10；

竖向移动楔形块6，位于所述下支座围壁8空腔内的所述水平移动楔形块7的上方，该竖向移动楔形块6上表面设有球冠形的凹槽；该竖向移动楔形块6前、后、左、右侧与下支座围壁8之间均设置垂直向滑移板45，下侧面为与所述水平移动楔形块7上侧面相对应的斜面，且与水平移动楔形块7之间设置斜向滑移板43；

球冠板5，位于所述竖向移动楔形块6上方的球冠形的凹槽，且二者之间设置转动滑移板42；

上支座板3，位于所述球冠板5上方，所述上支座板3用于与上方的目标结构1固定连接；所述上支座板3左右两侧向下延伸并向内扣形成条状凹槽30，且该条状凹槽30与所述下支座围壁8的条状凸起80相匹配，所述条状凹槽30对应于所述条状凸起80的下侧接触面和侧边接触面均设置波纹板测力系统15。

进一步的，如图5所示，所述标尺系统19包括标尺支座191，度量标尺192及指针20，用于对支座的滑移量进行测量；

所述标尺支座191固定连接于连接板13上；所述度量标尺192固定连接于标尺支座191，所述指针20固定安装于上支座板3；当支座发生单向滑移时，指针20随上支座板3运动，指针20所指示的位置即为滑移量，该滑移量反映了支座垂直向的变形量。

进一步的，如图4所示，所述弹簧测力系统10包括弹簧导杆100，弹簧单元11以及弹簧套筒12；

所述弹簧套筒12上端与所述测力楔形块9固定连接，下端悬空，保留足够的运动行程；所述弹簧导杆100下端与连接板13固定连接，且所述弹簧导杆100上端悬空，保留足够的运动行程；所述弹簧单元11套设于所述弹簧导杆100上，上端位于所述弹簧套筒12内，且两端分别抵住所述测力楔形块9的底部与连接板13的顶部；

所述弹簧单元11的数量至少为6根；所述弹簧套筒12与弹簧单元11配套使用，其数量与弹簧单元11相同；且弹簧单元11沿测力楔形块9的底部均匀对称布置。

具体的，所述弹簧单元11与波纹板150均为弹性单元，根据弹性元件的形变能够确定支座的受力方向和变形大小，同时实现对支座受力的标定；所述弹簧单元11的形变用于反映竖向受力，所述波纹板150的形变用于反映剪向受力；所述标尺系统19为滑移量测量系统，具有测量支座单向滑移位移的功能。

进一步的，如图6所示，所述波纹板测力系统15包括波纹板150和侧条板14；所述波纹板150设置于上支座板3的条状凹槽30对应于所述下支座围壁8的条状凸起80的侧边接触面和下侧接触面上，所述侧条板14通过胶粘、焊接等方式覆盖并固定于所述波纹板150的表面从而将所述波纹板150封装在上支座板3内；所述波纹板150设置至少4个。

进一步的，所述上支座板3顶部外缘与目标结构1通过焊条16固定连接。

进一步的，所述连接板13的截面形状为矩形；连接板13底部与承载结构2通过若干个高强螺栓17固定连接；所述承载结构2中预设有螺栓套筒18，且所述高强螺栓17套于螺栓套筒18中；本实施例中，所述高强螺栓17沿连接板13的截面均匀对称布置，且高强螺栓17和螺栓套筒18的设置数量至少为8个。

所述监测支座变形与受力状态的方法包括以下步骤：

S1、设所述支座承受的竖向压力设计值为F_N，竖向拉力为F_P，水平剪力为F_S，压力转换系数为η；

S2、根据支座的构型知所述竖向移动楔形块6下表面的斜度为α₁，所述水平移动楔形块7上表面的斜度为α₁，所述测力楔形块9右侧表面的斜度为α₂；

S3、根据图7所示的受力分析，在所述竖向移动楔形块6中，可以得到

和

在所述水平移动楔形块7中，可以得到

同时，可以得到

根据所述水平移动楔形块7水平向受力平衡可以得到

由此可以得到N₂；根据所述水平移动楔形块7竖向受力平衡可以得到

由此可以得到N₃；根据所述测力楔形块9竖向受力平衡可以得到

根据所述测力楔形块9水平受力平衡可以得到N₅＝F₁′；根据楔形块斜坡的斜度与相应表面夹角的关系，可以得到

和

可以得到N₄＝F_Nα₁α₂，其中α₁α₂＝η；

S4、根据所述弹簧单元11的数量确定其总刚度为K；当支座不受外荷载F_N时，记所述测力楔形块9的形心位置为初始位置；当支座受外荷载F_N时，测力楔形块9的形心位置变形值l与弹簧变形值一致，根据所述的弹簧单元11的总刚度K，可以确定压力N₄与所述测力楔形块9的形心位置变形值l的关系满足N₄＝lK；根据所述竖向移动楔形块6、水平移动楔形块7和测力楔形块9间的变形协调关系，所述竖向移动楔形块6的位移为

所述竖向移动楔形块6的位移即为支座的变形量l_b；

S5、由S4得出支座承受的竖向压力F_N、支座相应的变形量l_b与所述弹簧单元11的变形量l的关系：F_N＝lK/α₁α₂，l_b＝lη；

S6、根据图8所示的受力分析，确定支座受到竖向拉力F_P时，所述上支座板3条状凹槽30内部下侧受到的压力F₃＝F_p/2；对应的波纹板150的刚度为K_t，根据所述波纹板150的变形l_t确定所述支座所受拉力为2l_tK_t；

S7、根据图8所示的受力分析，确定支座受到水平剪力F_S时，所述上支座板3条状凹槽30内部侧边受到的压力F₄＝F_s；对应的波纹板150的刚度为K_s，根据所述波纹板150的变形l_s确定所述支座所受剪力为l_sK_s。

本发明根据弹性元件变形大小与支座受力大小呈现单值单调映射关系，从而通过弹性元件的变形来对支座的受力与变形进行监测，从而实现支座服役期间水平剪力、竖向压力和竖向拉力测量，通过调节弹性单元刚度参数可以调整测力精度。本发明可以实时观测支座在服役期间的变形及受力状态，提高结构的安全性，具有造价低、耐候性优、构造简单、安全可靠等特点。

Claims (9)

1.一种监测支座变形与受力状态的方法，其特征在于：

所述支座包括：

连接板，用于与下方的承载结构固定连接，且所述连接板上设置有标尺系统；

下支座围壁，下侧贴合并固定连接所述连接板，所述下支座围壁的内部挖空构成空腔，左右两侧的上方则向外侧延伸形成条状凸起；

水平移动楔形块，位于所述下支座围壁的空腔内，所述水平移动楔形块下侧与连接板之间设置水平向滑移板，前后两侧与下支座围壁之间设置垂直向滑移板，右侧与下支座围壁之间留有空间，且左侧面与上侧面为斜面；

测力楔形块，位于所述下支座围壁的空腔内的所述水平移动楔形块的左方，所述测力楔形块左侧与下支座围壁之间设置垂直向滑移板，右侧面为与所述水平移动楔形块左侧面相对应的斜面，且与水平移动楔形块之间设置斜向滑移板，下侧则设置有弹簧测力系统；

竖向移动楔形块，位于所述下支座围壁空腔内的所述水平移动楔形块的上方，该竖向移动楔形块上表面设有球冠形的凹槽；该竖向移动楔形块前、后、左、右侧与下支座围壁之间均设置垂直向滑移板，下侧面为与所述水平移动楔形块上侧面相对应的斜面，且与水平移动楔形块之间设置斜向滑移板；

球冠板，位于所述竖向移动楔形块上方的球冠形的凹槽，且二者之间设置转动滑移板；

上支座板，位于所述球冠板上方，所述上支座板用于与上方的目标结构固定连接；所述上支座板左右两侧向下延伸并向内扣形成条状凹槽，且该条状凹槽与所述下支座围壁的条状凸起相匹配，所述条状凹槽对应于所述条状凸起的下侧接触面和侧边接触面均设置波纹板测力系统；

所述监测支座变形与受力状态的方法包括以下步骤：

S1、设所述支座承受的竖向压力设计值为F_N，竖向拉力为F_P，水平剪力为F_S，压力转换系数为η；

S2、根据支座的构型知所述竖向移动楔形块下表面的斜度为α₁，所述水平移动楔形块上表面的斜度为α₁，所述测力楔形块右侧表面的斜度为α₂；

S3、在所述竖向移动楔形块中，得到

和

在所述水平移动楔形块中，得到

同时，得到

根据所述水平移动楔形块水平向受力平衡得到

由此得到N₂；根据所述水平移动楔形块竖向受力平衡可以得到

由此得到N₃；根据所述测力楔形块竖向受力平衡得到

根据所述测力楔形块水平受力平衡得到N₅＝F₁′；根据楔形块斜坡的斜度与相应表面夹角的关系，得到

和

且得到N₄＝F_Nα₁α₂，其中α₁α₂＝η；

S4、根据所述弹簧单元的数量确定其总刚度为K；当支座不受外荷载F_N时，记所述测力楔形块的形心位置为初始位置；当支座受外荷载F_N时，测力楔形块的形心位置变形值l与弹簧变形值一致，根据所述的弹簧单元的总刚度K，确定压力N₄与所述测力楔形块的形心位置变形值l的关系满足N₄＝lK；根据所述竖向移动楔形块、水平移动楔形块和测力楔形块间的变形协调关系，所述竖向移动楔形块的位移为

所述竖向移动楔形块的位移即为支座的变形量l_b；

S5、由S4得出支座承受的竖向压力F_N、支座相应的变形量l_b与所述弹簧单元的变形量l的关系：F_N＝lK/α₁α₂，l_b＝lη；

S6、受力分析得，支座受到竖向拉力F_P时，所述上支座板条状凹槽内部下侧受到的压力F₃＝F_p/2；对应的波纹板的刚度为K_t，根据所述波纹板的变形l_t确定所述支座所受拉力为2l_tK_t；

S7、受力分析得，支座受到水平剪力F_S时，所述上支座板条状凹槽内部侧边受到的压力F₄＝F_s；对应的波纹板的刚度为K_s，根据所述波纹板的变形l_s确定所述支座所受剪力为l_sK_s。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支座的标尺支座固定连接于连接板上；所述度量标尺固定连接于标尺支座，所述指针固定安装于上支座板。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支座的弹簧测力系统包括弹簧导杆，弹簧单元以及弹簧套筒；

所述弹簧套筒上端与所述测力楔形块固定连接，下端悬空，保留足够的运动行程；所述弹簧导杆下端与连接板固定连接，且所述弹簧导杆上端悬空，保留足够的运动行程；所述弹簧单元套设于所述弹簧导杆上，上端位于所述弹簧套筒内，且两端分别抵住所述测力楔形块的底部与连接板的顶部。

4.根据权利要求1所述的具有变形与受力状态监测功能的支座，其特征在于，所述弹簧单元的数量至少为6根；所述弹簧套筒与弹簧单元配套使用，其数量与弹簧单元相同；且弹簧单元沿测力楔形块的底部均匀对称布置。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波纹板测力系统包括波纹板和侧条板；所述波纹板设置于上支座板的条状凹槽对应于所述下支座围壁的条状凸起的侧边接触面和下侧接触面上，所述侧条板通过胶粘、焊接等方式覆盖并固定于所述波纹板的表面从而将所述波纹板封装在上支座板内；所述波纹板设置至少4个。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支座的上支座板顶部外缘与目标结构通过焊条固定连接。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支座的连接板的截面形状为矩形；连接板底部与承载结构通过若干个高强螺栓固定连接。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述支座承载结构中预设有螺栓套筒，所述高强螺栓套于螺栓套筒中。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述高强螺栓沿所述连接板的截面均匀对称布置，且高强螺栓和螺栓套筒的设置数量至少为8个。

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