CN207779591U - 可进行界面应力监测的橡胶隔震垫及其界面应力监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了可进行界面应力监测的橡胶隔震垫及其界面应力监测系统，所述橡胶隔震垫包括若干层橡胶层、若干层钢板层、若干剪切型压电陶瓷传感器、上封板、下封板、上连接板以及下连接板；橡胶层和钢板层交替叠加构成橡胶隔震垫主体；橡胶隔震垫主体的上表面和下表面分别固定上封板和下封板，上封板的上表面固定上连接板，下封板的下表面固定下连接板；若干剪切型压电陶瓷传感器布置于至少一钢板层和橡胶层的界面上、或若干剪切型压电陶瓷传感器布设于上封板和/或下封板与橡胶层的界面上。本实用新型将剪切型压电陶瓷传感器嵌入橡胶隔震垫的界面，通过比较剪切型压电陶瓷传感器产生的电信号幅值，即可实现橡胶隔震垫界面应力的高效监测。

Description

可进行界面应力监测的橡胶隔震垫及其界面应力监测系统

技术领域

本实用新型涉及橡胶隔震垫健康监测技术领域，尤其涉及可进行界面应力监测的橡胶隔震垫及其界面应力监测系统。

背景技术

到目前为止，国内外应用于建筑结构、桥梁、设备等的隔震工程中，绝大多数采用“叠层橡胶支座”隔震技术。应用这一技术的建筑物或桥梁在我国、日本、美国等均己成功经受了地震考验。因此，它是一项较成熟的、可以广泛推广应用的隔震技术。叠层钢板和橡胶层紧密粘结，以确保钢板对橡胶的变形约束，使橡胶具有较高的竖向受压承载力、一定的抗拉能力、较大的水平变形能力以及耐反复荷载疲劳的能力。了解钢板和橡胶界面的应力状态是保证橡胶隔震垫长期稳定运行的重要条件，同时也能为橡胶隔震垫的设计提供科学的依据。但是，目前在相关领域并没有一种行之有效的实时监测钢板和橡胶连接界面应力状态的方法。

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，以其特有的传感和作动功能，而成为近年来在土木工程界广泛研究和应用的智能材料之一。其因具有响应快、频率范围宽、易裁剪、价格低廉等特点，而在工程结构监测领域有着巨大的应用潜力。

实用新型内容

针对橡胶隔震垫中钢板层与橡胶层的界面应力监测技术的空白，本实用新型通过将剪切型压电陶瓷传感器嵌入橡胶隔震垫，提供了可进行界面应力监测的橡胶隔震垫及其界面应力监测系统。

本实用新型提供的可进行界面应力监测的橡胶隔震垫，包括若干层橡胶层、若干层钢板层、若干剪切型压电陶瓷传感器、上封板、下封板、上连接板以及下连接板；其中：

橡胶层和钢板层交替叠加构成橡胶隔震垫主体，橡胶隔震垫主体的最上一层和最下一层均为橡胶层；

橡胶隔震垫主体的上表面和下表面分别固定有上封板和下封板，上封板的上表面固定有上连接板，下封板的下表面固定有下连接板；

若干剪切型压电陶瓷传感器布置于至少一钢板层和橡胶层的界面上、或若干剪切型压电陶瓷传感器布设于上封板和/或下封板与橡胶层的界面上；

布置有剪切型压电陶瓷传感器的钢板层、上封板、下封板上设有与剪切型压电陶瓷传感器数量匹配的线缆通道，一电信号传输线缆穿过一线路通道连接一剪切型压电陶瓷传感器。

进一步的，所述若干剪切型压电陶瓷传感器布设于至少一钢板层和橡胶层的界面上，具体为：

至少一钢板层的上表面或下表面开设有与所述剪切型压电陶瓷传感器匹配的若干凹槽，一凹槽内置一剪切型压电陶瓷传感器。

进一步的，所述若干剪切型压电陶瓷传感器布设于上封板和/或下封板与橡胶层的界面上，具体为：

上封板的下表面和/或下封板的上表面开设有与所述剪切型压电陶瓷传感器匹配的若干凹槽，一凹槽内置一剪切型压电陶瓷传感器。

进一步的，所述剪切型压电陶瓷传感器采用防水绝缘层封装。

本实用新型提供的橡胶隔震垫界面应力监测系统，包括橡胶隔震垫、信号采集器和电脑终端，其中：

橡胶隔震垫包括若干层橡胶层、若干层钢板层、若干剪切型压电陶瓷传感器、上封板、下封板、上连接板以及下连接板；橡胶层和钢板层交替叠加构成橡胶隔震垫主体，橡胶隔震垫主体的最上一层和最下一层均为橡胶层；橡胶隔震垫主体的上表面和下表面分别固定有上封板和下封板，上封板的上表面固定有上连接板，下封板的下表面固定有下连接板；若干剪切型压电陶瓷传感器布置于至少一钢板层和橡胶层的界面上、或若干剪切型压电陶瓷传感器布设于上封板和/或下封板与橡胶层的界面上；布置有剪切型压电陶瓷传感器的钢板层、上封板、下封板上设有与剪切型压电陶瓷传感器数量匹配的线缆通道，一电信号传输线缆穿过一线路通道连接一剪切型压电陶瓷传感器；

剪切型压电陶瓷传感器通过电信号传输线缆连接信号采集器，信号采集器用来将接收的电信号转化为数字信号，并通过数字信号传输线缆将数字信号传输至电脑终端。

本实用新型橡胶隔震垫及橡胶隔震垫界面应力监测系统的基本原理如下：

橡胶隔震垫在产生动态水平变形时，其中钢板层和橡胶层的界面会产生剪应力，剪应力的大小与水平变形的程度成正比。剪应力越大，剪切型压电陶瓷传感器所产生的电信号幅值也会相应变得强烈。通过比较电信号幅值强度，即可简单高效地实现橡胶隔震垫界面应力的实时监测。

和现有技术相比，本实用新型具有如下特点和有益效果：

(1)将剪切型压电陶瓷传感器应用到橡胶隔震垫界面应力监测，原理简单明确，简单易操作，成本低廉，且监测准确，对界面应力的微小变化也能做到准确的实时监测。

(2)可实现橡胶隔震垫界面应力状态的长期在线监测，从而及时了解橡胶隔震垫的工作状态，可为橡胶隔震垫的安全评价和寿命预测提供科学依据，并可提高橡胶隔震垫的安全性，降低由橡胶隔震垫失效引起的安全隐患和运行风险，对提高隔震工程领域的总体经济效益将产生积极意义。

附图说明

图1为实施例中橡胶隔震垫的剖面示意图；

图2为图1中橡胶隔震垫的局部剖面示意图；

图3为实施例中界面应力监测系统的结构框图；

图4为实施例中界面应力监测系统的整体示意图。

图中：1-橡胶层，2-钢板层，3-剪切型压电陶瓷传感器，4a-上封板，4b-下封板，5a-上连接板，5b-下连接板，6-螺栓，7-预留连接孔，8-线缆通道，9-电信号传输线缆，10-信号采集器，11-数字信号传输线缆，12-电脑终端。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，并获得其他的实施方式。

橡胶隔震垫由钢板层和橡胶层交替叠加构成，本实用新型通过将剪切型压电陶瓷传感器嵌入至钢板层和橡胶层的界面上，设计出了一种可进行界面应力监测的橡胶隔震垫。当橡胶隔震垫产生动态水平变形时，钢板层和橡胶层的界面会产生剪应力，剪应力大小与橡胶隔震垫的水平变形程度成正比。即，剪应力越大，剪切型压电陶瓷传感器所产生的电信号幅值会相应变得强烈。因此，通过比较剪切型压电陶瓷传感器产生的电信号幅值强度，则可简单高效地实现橡胶隔震垫界面应力的监测。

图1～2所示为本实用新型橡胶隔震垫的一种具体结构，该橡胶隔震垫包括若干层橡胶层1、若干层钢板层2、若干剪切型压电陶瓷传感器3、上封板4a、下封板4b、上连接板5a以及下连接板5b。所述若干橡胶层1和所述若干钢板层2交替叠加构成橡胶隔震垫主体，所述橡胶隔震垫主体的最上一层和最下一层均为橡胶层1。所述橡胶隔震垫主体的上表面和下表面分别固定有上封板4a和下封板4b，所述上封板4a的上表面固定有上连接板5a，所述下封板4b的下表面固定有下连接板5b。更具体的，上连接板5a和下连接板5b通过螺栓6分别与上封板4a和下封板4b固定连接。本实施例中，上连接板5a和下连接板5b上开设有预留连接孔7。

本实用新型橡胶隔震垫中，至少一层钢板层2的上表面或下表面开设有与所述剪切型压电陶瓷传感器3匹配的若干凹槽(未在附图中画出)，一凹槽内置一剪切型压电陶瓷传感器3。所述剪切型压电陶瓷传感器3也可布置于上封板4a和/或下封板4b与橡胶层1的界面上。具体的，在上封板4a的下表面和/或下封板4b的上表面开设有与所述剪切型压电陶瓷传感器3匹配的若干凹槽，一凹槽内置一剪切型压电陶瓷传感器3。凹槽的数量及分布，根据橡胶隔震垫的尺寸及形状确定。本实用新型中，剪切型压电陶瓷传感器3可布置于一钢板层2和橡胶层1的界面上，也可布置于多个钢板层2和橡胶层1的界面上，还可布置于上封板4a和/或下封板4b与橡胶层1的界面上。

本实施例中，布置有剪切型压电陶瓷传感器3的钢板层2、上封板4a、下封板4b上的凹槽旁还设有线缆通道8，用来布设连接剪切型压电陶瓷传感器3的电信号传输线缆9，一电信号传输线缆9穿过一线路通道8连接一剪切型压电陶瓷传感器3，从而将剪切型压电陶瓷传感器3产生的电信号引出。作为一种优选方案，本实施例中剪切型压电陶瓷传感器3表面涂覆有防水绝缘层，更具体的，该防水绝缘层为环氧树脂层。

图3～4所示为基于上述橡胶隔震垫的橡胶隔震垫界面应力监测系统，包括橡胶隔震垫、信号采集器10和电脑终端12，所述橡胶隔震垫中的剪切型压电陶瓷传感器3通过电信号传输线缆9连接所述信号采集器10，所述信号采集器10通过数字信号传输线缆11连接所述电脑终端12。本实施例中，电信号传输线缆9采用BNC(Bayonet Nut Connector，卡扣配合型连接器)线缆，数字信号传输线缆11采用USB线缆。

为便于理解，下面将对本实用新型所涉及理论进行说明。

剪切型压电陶瓷传感器产生的电信号与界面间的剪应力关系如下：

D＝dσ (1)

式(1)中，D表示电位移张量；d表示压电应变常数；σ表示应力张量。

当钢板层和橡胶层的界面产生动态剪切力时，嵌入钢板层的剪切型压电陶瓷传感器便会产生相应的电信号。由于电信号幅值与剪切力成正比，通过实时监测剪切型压电陶瓷传感器的电信号幅值，则可对钢板层和橡胶层的界面剪切力进行实时监测。

本实用新型界面应力监测系统的工作原理及有益效果如下：

当橡胶隔震垫产生动态水平变形，橡胶层1和钢板层2的界面以及封板和橡胶层1的界面上会产生剪应力，这里封板包括上封板4a和下封板4b；同时，设于界面的剪切型压电陶瓷传感器3的上表面也会产生剪应力，剪切型压电陶瓷传感器3将剪应力转化成电信号。剪切型压电陶瓷传感器3产生的电信号通过电信号传输线缆9传输至信号采集器10的输入端，信号采集器10将接收的电信号转化为数字信号，并通过数字信号传输线缆11传输到电脑终端12并显示。通过监测剪切型压电陶瓷传感器3产生电信号的幅值，即可间接反映出橡胶隔震垫界面应力的微变化。

下面将提供本实用新型橡胶隔震垫的制作过程：

1)钢板层2或封板的表面开设与剪切型压电陶瓷传感器3匹配的若干对称分布的凹槽，并在凹槽旁开设便于布设线缆的线缆通道8。

2)剪切型压电陶瓷传感器3安放于凹槽中，使用环氧树脂胶封装剪切型压电陶瓷传感器3，并将连接剪切型压电陶瓷传感器3的电信号传输线缆9通过线缆通道8引出。

3)浇筑成形橡胶层1，将引出的电信号传输线缆9连接到信号采集器10。

上述实施例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型做出任何的修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.可进行界面应力监测的橡胶隔震垫，其特征是：

包括若干层橡胶层、若干层钢板层、若干剪切型压电陶瓷传感器、上封板、下封板、上连接板以及下连接板；其中：

橡胶层和钢板层交替叠加构成橡胶隔震垫主体，橡胶隔震垫主体的最上一层和最下一层均为橡胶层；

橡胶隔震垫主体的上表面和下表面分别固定有上封板和下封板，上封板的上表面固定有上连接板，下封板的下表面固定有下连接板；

若干剪切型压电陶瓷传感器布置于至少一钢板层和橡胶层的界面上、或若干剪切型压电陶瓷传感器布设于上封板和/或下封板与橡胶层的界面上；

布置有剪切型压电陶瓷传感器的钢板层、上封板、下封板上设有与剪切型压电陶瓷传感器数量匹配的线缆通道，一电信号传输线缆穿过一线路通道连接一剪切型压电陶瓷传感器。

2.如权利要求1所述的可进行界面应力监测的橡胶隔震垫，其特征是：

所述若干剪切型压电陶瓷传感器布设于至少一钢板层和橡胶层的界面上，具体为：

至少一钢板层的上表面或下表面开设有与所述剪切型压电陶瓷传感器匹配的若干凹槽，一凹槽内置一剪切型压电陶瓷传感器。

3.如权利要求1所述的可进行界面应力监测的橡胶隔震垫，其特征是：

所述若干剪切型压电陶瓷传感器布设于上封板和/或下封板与橡胶层的界面上，具体为：

上封板的下表面和/或下封板的上表面开设有与所述剪切型压电陶瓷传感器匹配的若干凹槽，一凹槽内置一剪切型压电陶瓷传感器。

4.如权利要求1所述的可进行界面应力监测的橡胶隔震垫，其特征是：

所述剪切型压电陶瓷传感器采用防水绝缘层封装。

5.橡胶隔震垫界面应力监测系统，其特征是：

包括橡胶隔震垫、信号采集器和电脑终端，其中：

橡胶隔震垫包括若干层橡胶层、若干层钢板层、若干剪切型压电陶瓷传感器、上封板、下封板、上连接板以及下连接板；橡胶层和钢板层交替叠加构成橡胶隔震垫主体，橡胶隔震垫主体的最上一层和最下一层均为橡胶层；橡胶隔震垫主体的上表面和下表面分别固定有上封板和下封板，上封板的上表面固定有上连接板，下封板的下表面固定有下连接板；若干剪切型压电陶瓷传感器布置于至少一钢板层和橡胶层的界面上、或若干剪切型压电陶瓷传感器布设于上封板和/或下封板与橡胶层的界面上；布置有剪切型压电陶瓷传感器的钢板层、上封板、下封板上设有与剪切型压电陶瓷传感器数量匹配的线缆通道，一电信号传输线缆穿过一线路通道连接一剪切型压电陶瓷传感器；

剪切型压电陶瓷传感器通过电信号传输线缆连接信号采集器，信号采集器用来将接收的电信号转化为数字信号，并通过数字信号传输线缆将数字信号传输至电脑终端。