可调高拉压智能支座设计与应用

丁玉平，李 攀，韩 鹏

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市200092）

成果应用

可调高拉压智能支座设计与应用

丁玉平，李 攀，韩 鹏

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市200092）

独柱墩桥梁倾覆过程与支座受力状况紧密相关,因而研究能感知受力状况的支座显得尤为重要。设计了一种可调高拉压智能支座,通过在支座本体中安装压电陶瓷,可判断支座拉压状况以及是否出现脱空和变位；同时在支座底部设计调高组件,可调节支座安装高度。所设计的智能支座,能有效监控独柱墩倾覆风险,具有施工方便、适用范围广和成本低等优点。

智能支座；独柱墩；抗倾覆；可调高

0 引言

当前,我国城市立交、高速匝道等曲线桥梁多采用独柱现浇连续箱梁结构形式,该种桥梁的下部结构形式具有减少占地、增加视野和桥梁美观的优点。但目前我国载重车辆存在的超载现象,导致该种结构形式的桥梁在使用过程中发生了多起倾覆事故,逐渐引起相关人员的反思。究其原因,独墩柱横桥向采用单支点支撑,在超载车辆偏载作用下,结构的横向抗倾覆性较差,尤其是独柱匝道箱梁桥的桥面狭窄,自重小,车辆荷载在荷载组合中所占的比重大；而且,现行的公路桥梁规范对于横向倾覆稳定性没有相关的规定,处于空白状态,设计时往往会忽略偏心偶然超载作用下的桥梁横向稳定计算分析,使得在偶然作用下的结构使用存在隐患[1,2]。

独柱墩倾覆是逐渐出现的,在桥梁倾覆之前,会发生支座受力变化,产生支座偏压甚至脱空。对于单支座,支座脱空后会导致支座转角变形过大,进而引起梁体滑移现象；对于多支座,脱空的支座失去对结构的支撑作用,只剩下其余的支座对结构产生约束,导致支座反力的重分布,进而出现支座承载力超限引起支座破坏,梁体发生滑移。因此,结构倾覆与支座受力状况紧密相关,研究能感知受力状况的支座显得尤为重要。

1 拉压智能支座原理

在众多智能材料中,压电材料以其特有的驱动和传感功能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。因其在传感方面具有响应快,频响范围宽,易剪裁,价格低廉等特点而在结构健康监测方面存在着巨大的应用潜力[3]。

当某些电介质晶体在外力作用下发生变形时,在其某些表面上出现异号极化电荷。这种没有电场的作用,只是由于应变或应力,在晶体内产生电极化的现象称为正压电效应或压电效应。

原始的压电材料体内具有一种无序排列的电畴结构,由于此时电畴内的自发极化方向是任意的,这时压电陶瓷在宏观上不表现压电性[4]。但是当压电材料受到某个特定方向的外力时,其内部电畴呈有序同向状态,在特定表面出现束缚电荷,对外显示出极性。极化后的压电陶瓷从外界吸附电荷来维持体内的电量平衡。当受到外力或外加电场的作用时,体内的极化强度发生改变,并伴随着充放电现象和变形,表现出压电陶瓷的正逆压电效应。压电元件的压电效应及逆压电效应使其具有了驱动、传感双重功能,利用这一特性可实现结构的实时、在线监测。

2 可调高拉压智能支座设计

设计在支座内部安装压电陶瓷,并电性连接控制器,该压电陶瓷在自由状态下不显电性,在压缩状态下放电,拉伸状态下充电,压电陶瓷利用压电效应产生电信号,并将电信号传输给控制器,控制器根据压电陶瓷产生的电信号,判断智能型支座是否出现脱空和变位,如图1所示。

图1 压电陶瓷的压电效应

另外,为扩大该智能支座的应用范围和广泛适用性,在支座底部设计调高组件,以利于支座在不同支座安装高度时均能应用。调高组件设置在支座下方并与支座机械连接。可通过调高组件调节支座高度,同时给支座施加预压力,保证智能型支座与上下构件紧密贴合,如图2所示。

图2 智能支座调高组件

所设计的智能型支座,能实现支座高度可调和支座拉压状态监控,能有效监控独柱墩倾覆隐患,具有施工方便、适用范围广和成本低等优势。

3 实施案例

某高架E匝道共设10孔,跨径组合为18.2 m+ 21.0 m+21.0 m+21.0 m+18.0 m+20.0 m+25.0 m+ 25.0 m+25.0 m+20.47 m,桥梁总长度为214.67 m,位于R=73.0 m的圆曲线上,最大横坡为5%,最大纵坡为5.6%,如图3所示。桥梁上部结构采用连续箱梁结构,每5跨度连续,除伸缩缝处的E5墩为双柱式桥墩外,其他桥墩均为独柱式桥墩。该桥梁建成后,其E4独柱顶部发生破裂现象,需对全桥独柱墩进行加固。

设计采用在独柱墩上加装钢盖梁,同时新增两个可调高拉压智能支座,如图4所示。由于桥梁纵向存在纵坡,各墩的梁底与钢盖梁高差不同,采用可调高支座,利于统一上下钢垫板规格,还可调节智能支座的初始应力状态。

图4 钢盖梁示意图

图3 某高架E匝道总体布置图(单位:mm)

将智能型支座放置在钢牛腿上,桥梁原支座与两侧的智能型支座构成“跷跷板”结构。假设智能型支座的初始高度为20 cm,调节智能型支座的高度,使其上表面与桥梁梁底紧密贴合,下表面与钢牛腿紧密贴合,此时智能型支座的高度压缩为15 cm,智能型支座的高度维持15 cm时,智能型支座处于稳定状态,不显电性不产生电信号,如果在超载车辆偏载作用下,桥梁梁体发生倾斜,根据跷跷板原理,桥梁支座一侧的智能型支座压力增大,高度压缩变小,压缩过程中放电产生正电荷信号；桥梁支座另一侧的智能型支座压力变小,拉伸过程中充电产生负电荷信号。从而判断出支座的受力及变位状况。

[1]刘鹏.弯梁桥的评价与加固方法研究[D].西安:长安大学,2007.

[2]JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]Winston H A,Sun F,Annigeri B S.Structural health monitoring with piezoelectric active sensors[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2001,123:353-358.

[4]王昌明,孔德仁,何云峰.传感与测试技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

U443.36

B

1009-7716（2017）07-0271-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.082

2017-00-00

丁玉平（1963-）,男,上海人,工程师,从事桥梁设计工作。