橋梁測力支座監測系統設計與工程應用

鄭曉龍 陳 列 顏永逸 徐昕宇 陳星宇

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

近年來，國內外橋梁時有垮塌或局部破壞的惡性事故發生，有些發生在橋梁施工期間，有些出現在橋梁運營若干年后，給生命財產造成巨大損失。造成橋梁破壞的因素多種多樣，主要是由于外界因素使橋梁承受的荷載變化并積累到一定程度，超過結構承受能力造成的。橋梁結構在使用期間，要求一直保持良好的工作狀態，如高速鐵路橋梁，雖然橋梁結構超過設計允許的微小變形不致造成結構破壞，但卻會降低時速350 km列車運行的安全性[1]。目前，中鐵二院等單位研發的基于電阻應變片感應的測力支座監測系統，由于應變片易受到溫漂的影響，測量精度也隨之受到影響。

本文研究的橋梁支座監測系統采用濺射薄膜傳感器和光纖傳感器，將高性能傳感器技術應用于橋梁球型鋼支座，大幅降低溫漂的影響；采用成熟的數據采集技術并借助現代通信技術進行遠距離數據傳輸；針對支座系統的測力結果研發專用的監測平臺，使支座監測系統具有自動數據采集、傳輸、分析、預警和專家評估等功能。該系統也可作為橋梁健康監測的重要組成部分[2]。

圖1 多向測力支座結構示意圖

1 支座測力系統結構設計

測力球型鋼支座主要部件由上下錨碇鋼棒、上支座板、水平測力環、球冠襯板、活塞、豎向測力彈性體、下支座板等組成，如圖1所示。其中水平測力環放置在上支座板與活塞間，為圓環狀結構，安裝有4個測量水平力用傳感器，如圖2所示。上支座板將水平力傳遞給水平測力環，由測力環上的傳感器反映水平力的變化。豎向測力彈性體放置在活塞與下支座板間，為帶4個凸臺的圓餅狀結構，安裝有4個測量豎向力的傳感器，如圖3所示?；钊麑⒇Q向力傳遞至豎向測力彈性體，彈性體上的傳感器反映豎向力的變化。水平和豎向測力元件相互獨立，互不干擾。

圖2 水平測力環及傳感器位置示意圖

圖3 豎向測力彈性體及傳感器位置示意圖

2 支座有限元分析

以豎向承載力3 000 kN的球型支座為例，水平設計承載力取豎向力的15%即450 kN。采用有限元分析軟件ANSYS建立模型，支座材料采用Q345鋼，測力元件采用具有良好低溫沖擊韌性的40Cr，其材料特性如表1所示。支座球冠襯板和活塞采用SOLID92四面體單元，其余部分采用SOLID185六面體單元，測力元件與支座本體按非線性接觸考慮，接觸單元采用CONTA174和TARGE170。有限元模型如圖4所示[3]。

表1 40Cr材料特性表

圖4 支座有限元模型圖

針對支座受豎向力作用情況，研究豎向測力彈性體的凸臺高度和凸臺受力面角度變化時凸臺受力情況。凸臺高度范圍0～10 mm，受力面角度范圍30°～70°，計算結果顯示，凸臺高度變化引起的主應力最大值變化范圍為90.0～90.7 MPa，凸臺受力面角度變化引起的主應力最大值變化范圍為76.9～143.3 MPa?？紤]到40Cr材料的應力敏感區間、結構穩定性和加工難易程度，選取凸臺高度5 mm、受力面角度55°。

針對支座受水平力作用情況，研究水平測力環厚度和環上凹槽深度及寬度，測力環厚度范圍10～50 mm；凹槽深度范圍0～10 mm；凹槽弧度范圍為0°～80°。計算結果顯示，測力環厚度直接決定了受力面積大小，主應力最大值變化范圍為37.8～59.3 MPa；凹槽深度的變化引起的主應力最大值變化范圍為16.4～60.4 MPa，凹槽寬度的變化引起的主應力最大值變化范圍為16.4～57.0 MPa。為保證測力環的安全性、應力敏感區間，選取測力環厚度35 mm，凹槽深度2 mm，凹槽弧度30°。

3 支座測力試驗

為了驗證支座的豎向和水平測力效果和精度，采用光纖傳感器作為感應原件，在株洲電機機車研究所新材料監測中心進行了試驗[4-5]。

支座的豎向力測試，試驗的要求和過程參考國家標準GB/T 17955-2009《橋梁球型支座》，試驗荷載取 3 000 kN。實驗室數據輸入如圖5所示。測試的結果如表2所示，從表2可以看出測量誤差小于4%FS。

圖5 試驗室數據傳輸示意圖

表2 豎向力測試結果表

支座的水平力測試，實驗水平荷載取 1 500 kN，測試的結果如表3所示。從表3可以看出測量誤差小于6%FS。

表3 水平力測試結果表

豎向和水平力測試結果與標準荷載的誤差通過程序軟件進行修正補償，補償后誤差控制在1%FS以內。

4 信息系統數據傳輸

通過安裝于支座測力元件(彈性體、測力環)上的光纖光柵傳感器實現對支座應力的自動測量，通過光纖光柵傳感器感測彈性體或測力環上4個點的應力承載情況，轉換為光信號輸出，最后通過有線傳輸網絡傳輸至后臺監測中心。當橋梁處于無有線網絡支持的地區，則采用無線傳輸方式[6-7]。系統結構如圖6所示。

圖6 監測系統數據傳輸結構圖

整個監測系統包含數據采集與傳輸子系統、光伏供電子系統、監測中心及終端(包括數據庫與專家評估系統)。根據功能不同又可分為監測單元、監測中心和監測終端3個子系統。監測單元子系統由傳感器、光纖解調儀、無線傳輸設備(含數據采集板和GPRS模塊)和光伏供電設備組成，負責收集支座所測得的數據，監測并控制設備運行狀態。監測中心由應用服務器、數據庫服務器和交換機組成，負責匯集和處理采集到的信息，把數據轉發給監測終端。監測終端負責數據的存儲、顯示和處理。橋梁支座的監測與數據傳輸系統，如圖7所示。

圖7 橋梁支座監測系統全圖

5 工程應用

測力支座監測系統應用于滬昆客運專線北盤江大橋[8]。北盤江大橋是目前世界上跨度最大的鐵路勁性骨架鋼筋混凝土拱橋，橋長445 m，矢高100 m，矢跨比1/4.45，拱上梁沿中心對稱各1聯4 m×42 m混凝土連續梁，如圖8所示。

圖8 北盤江大橋總體布置圖(cm)

北盤江大橋拱上混凝土連續梁為多次超靜定體系，受力狀態復雜，安裝測力支座實測支座反力，通過后臺程序計算出連續梁各截面內力、分析收縮徐變、溫度變化等產生的附加反力和附加彎矩，監測連續梁橋是否處于正常的工作狀態。當列車通過時，還能對列車引起的主梁豎向力、水平搖擺力以及超載、偏載效應等做到長期準確監測。

針對北盤江大橋拱上梁受力特點，在拱上連續梁上安裝了2個測力支座，采用太陽能電池板和蓄電池箱，實現了在客戶端監測與評估軟件上實時顯示設定時間內支座的受力數值和曲線，并進行監測預警。

滬昆客運專線已于2016年底開通運營，測力支座監測系統已正常使用3年多。作為北盤江大橋的配套設施，測力支座監測系統數據傳輸穩定，表明大橋梁部受力狀態良好，為大橋的安全運營提供了數據支撐。

6 結論

通過對橋梁測力支座監測系統進行結構及數據傳輸系統的設計、有限元分析、試驗測試和工程應用，可得出以下結論：

(1)支座本體未改變球型鋼支座的受力和傳力特性，試驗室測試數據表明其重復性好、性能穩定。

(2)選用的傳感器及配套的數據傳輸系統性能良好，工藝成熟，輸出信號穩定準確，經工程應用得到了驗證。

(3)由于受到傳感器壽命的限制，支座監測系統的有效使用時間距離橋梁的服役年限還有較大差距，還有待于耐久性和穩定性更好的傳感器及配套設備成功研發后，對該系統進行更進一步的研究。

(4)支座監測系統的研發成果可監測橋梁結構的施工和運營狀態，納入橋梁健康監測系統，推動橋梁工程的智能化發展，亦可為新制式軌道交通橋梁支座監測系統設計提供一定參考。