一种具有可更换测力元件的竖向测力球型支座的制作方法

2021-01-18 18:01:02|

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本发明属于桥梁结构或建筑技术领域，涉及一种具有可更换测力元件的竖向测力球型支座。

背景技术：

健康监测对桥梁及建筑物的安全运营发挥着日益重要的作用。测力支座可实现支座承受竖向荷载的测量，是重要的测量载体。目前的测力支座大多采用应变片、标准测力传感器等方式进行，但一旦测力元器件发生损坏，支座测力功能即将丧失，难以更换，除非将测力支座进行整体更换，导致费用增加明显。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有可更换测力元件的竖向测力球型支座，在测力元件功能丧失下，实现测力元件可更换，无需整体更换支座，为桥梁或建筑物提供可靠的全寿命周期的监测技术。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种具有可更换测力元件的竖向测力球型支座，设有多层座板逐层相配合设置的支座主体，最下层座板与倒数第二层座板处于固定状态，在最下层座板与从倒数第二层座板之间设有测力元件以及固定摩擦副，固定摩擦副由设置在倒数第二层座板底面上的固定金属滑板和设置在最下层座板盆底表面上的固定非金属滑板组成，从最下层座板的侧面向最下层座板的中心及固定非金属滑板上开设一条用于安装可更换测力元件的安装槽，可更换测力元件包括盖板、抽板、测力传感器和中心压板，测力传感器上方固定有中心压板，中心压板上方固定有中心非金属滑板，将测力传感器由安装槽推入至支座中心位置，中心非金属滑板与固定金属滑板相配合，使测力传感器的测力受力点与固定金属滑板的中心一致，再将顶面设有抽板非金属滑板的抽板插入安装槽内，抽板非金属滑板与固定金属滑板相配合，再将抽板可拆卸的固定在最下层座板上，将盖板放置在抽板上方及与固定金属滑板外侧的安装槽内，并将盖板可拆卸的固定在最下层座板上。

盖板与最下层座板通过螺栓连接固定。

抽板与最下层座板通过螺栓连接固定。

连接盖板与最下层座板的螺栓为水平连接螺栓。

连接抽板与最下层座板的螺栓为竖直连接螺栓。

安装槽位于最下层座板中心的尾部形状与测力传感器相配合，测力传感器顶在安装槽尾部后，测力传感器的测力受力点与固定金属滑板的中心一致。

抽板上设有用于测力传感器导线穿出的通孔。

本发明有益效果是：

1）测力传感器放置并固定在支座底座板中心位置，支座竖向力中的一部分通过中心非金属滑板传递到测力传感器，完成中心非金属滑板承受的竖向压力测定，然后通过竖向标定确定测力传感器受力与支座整体竖向受力关系，这样通过传感器的受力获知支座的整体竖向受力。

2）利用圣维南原理，荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关。因此，上述发明将测力传感器设置在支座本体的中心靠底部位置，即底座板中心安装槽位置，测力传感器的顶部中心压板、中心非金属滑板、下座板和下部底座板始终处于固定状态，且远离支座的平面滑动和竖向转动位置，因此支座运动状态的改变，离上部结构载荷作用区稍远的测力传感器只同整体荷载即支座上部结构荷载相关，显著减少支座运动状态的改变导致的测力偏差的影响，可将综合测力偏差由原来的10~80%f.s降低到3%f.s。

3）测力传感器顶部的包括中心非金属滑板在内的固定平面摩擦副，始终保持固定，避免了中心非金属滑板磨损，保证测力稳定。

4）当测力传感器失效时，支座卸载后拧出紧固螺栓，依次取出盖板、抽板及抽板非金属滑板，测力传感器及中心压板、中心非金属滑板，重新更换新的测力传感器并放置原中心压板和中心非金属滑板与底座板中心安装槽内，并再次固定盖板和抽板，完成更换。由于测力传感器规格型号一致，中心压板、中心非金属滑板、抽板及抽板非金属滑板均未更换，且位置一致。保证了更换后的支座与更换前标定性能一致，从而实现支座在全生命周期内的测力功能。

附图说明

图1是本发明实施例1结构示意图；

图2是本发明实施例1结构的a-a剖视图；

图3是本发明实施例2结构示意图；

图4是本发明实施例2结构的a-a剖视图；

图5是本发明实施例1、2结构中的固定平面非金属滑板组成部分的俯视图；

图中：1——底座板，2——固定平面摩擦副，2-1——固定平面不锈钢滑板，2-2——中心非金属滑板，2-3——近似环形非金属滑板，2-4——抽板非金属滑板，3——测力传感器，3-1——测力传感器导线，4——中心压板，5——下座板，6——下球面转动摩擦副，7——中座板，8——上平面滑动摩擦副，9——上座板，10——密封圈，11——抽板，11-1——抽板螺栓，12——盖板，12-1——盖板螺栓。

具体实施方式

如图所示，一种具有可更换测力元件的竖向测力球型支座，设有多层座板逐层相配合设置的支座主体，最下层座板（底座板1）与倒数第二层座板（下座板5）处于固定状态，即最下层座板为盆型结构，倒数第二层座板为与盆型结构相配合的回转体结构，在最下层座板与从倒数第二层座板之间设有测力元件以及固定平面摩擦副2，固定平面摩擦副2由设置在倒数第二层座板底面上的固定金属滑板（固定平面不锈钢滑板2-1）和设置在最下层座板盆底表面上的固定非金属滑板组成。上座板9的底面为平面，中座板7的上表面为平面下表面为凸球面，下座板5的上表面为凹球面下表面为平面，上座板9与中座板7之间设有上平面滑动摩擦副8，中座板7与下座板5之间设有下球面转动摩擦副6，下球面转动摩擦副6和上平面滑动摩擦副8外围设有设置在座板之间的密封圈10。

从最下层座板的侧面向最下层座板的中心及固定非金属滑板上开设一条用于安装可更换测力元件的安装槽，安装槽的开设方向按主位移方向开设，可更换测力元件包括盖板12、抽板11、测力传感器3和中心压板4，测力传感器3上方固定有中心压板4，中心压板上方固定有中心非金属滑板，将测力传感器由安装槽推入至支座中心位置，中心非金属滑板2-2与固定平面不锈钢滑板2-1相配合，使测力传感器3的测力受力点与固定平面不锈钢滑板2-1的中心一致，再将顶面设有抽板非金属滑板2-4的抽板插入安装槽内，抽板非金属滑板2-4与固定平面不锈钢滑板2-1相配合，再将抽板11可拆卸的固定在最下层座板上，将盖板12放置在抽板11上方及与固定金属滑板外侧的安装槽内，并将盖板可拆卸的固定在最下层座板上。

如图5所示，固定非金属滑板由最下层座板上的近似环形非金属滑板2-3、中心压板4上的中心非金属滑板以及抽板11上的抽板非金属滑板组成。

盖板12与最下层座板通过盖板螺栓12-1连接固定，抽板11与最下层座板通过抽板螺栓11-1连接固定，选用的拆卸固定件简单可靠，便于拆卸安装。

连接盖板12与最下层座板的螺栓为水平连接螺栓，连接抽板与最下层座板的螺栓为竖直连接螺栓，这样设置可以帮助底座板抵抗支座受力。

抽板11上设有用于测力传感器导线3-1穿出的通孔。

安装槽位于最下层座板中心的尾部形状与测力传感器相配合，测力传感器顶在安装槽尾部后，测力传感器的测力受力点与固定金属滑板的中心一致，安装槽的其余部位形状宽度要大于尾部宽度，并且要保证抽板的插入与抽出不受影响。例如，测力传感器3为圆形，则安装槽尾部形状为半圆形，半圆形的圆心与固定平面不锈钢滑板2-1的中心一致，测力传感器3与中心压板、中心非金属滑板同心设置。安装插板处的安装槽的形状为长方体腔。

一种具有可更换测力元件的竖向测力球型支座的测力方法，包括以下步骤：

步骤一、组装核对：将支座组装完毕，并置于试验机上，支座中心与试验机中心位置对准，试验荷载为支座竖向承载力的1.2倍，加载至设计承载力的1%后，核对测力传感器受力，确认无误后进行预压；

步骤二、预压：将支座竖向设计承载力以连续均匀的速度加载，反复3次；

步骤三、正式加载：将试验荷载由零至试验荷载均匀分为10级。试验时以设计承载力的1%作为初始荷载，然后逐级加载，每级荷载稳压2分钟后记录试验机竖向荷载和测力传感器荷载，直至试验荷载，稳压3分钟后卸载，加载过程连续进行3次；

步骤四、绘图：侧力传感器荷载取每一级3次传感器读数的算术平均值，绘制传感器荷载—试验机荷载曲线，并做拟合计算，确定试验机荷载与传感器荷载的关系式；

步骤五、比对：支座在实际使用中，实时获取测力传感器的读数，通过步骤四标定的关系式，判断支座的竖向受力情况。

实施例1

给出一种具有可更换测力元件的竖向测力多向活动球型支座，如图1、2所示。其主要由底座板1、固定平面摩擦副2、测力传感器3、测力传感器导线3-1、中心压板4、下座板5、球面转动摩擦副6、中座板7、上平面滑动摩擦副8、上座板9、密封圈10、抽板11、抽板螺栓11-1、盖板12、盖板螺栓12-1等部件组成。上平面滑动摩擦副8和下球面转动摩擦副6共同组成支座的竖向承压摩擦副，具备竖向承载、纵横桥向滑动、竖向转动功能，每个摩擦副均包括非金属滑板和不锈钢滑板。固定平面摩擦副2由贴覆在下座板5底部的固定平面不锈钢滑板2-1和处于同一平面分别镶嵌在中心压板4上的中心非金属滑板2-2、镶嵌在底座板1上的近似环形非金属滑板2-3、镶嵌在抽板11上的抽板非金属滑板2-4共同组成（见图5）。

支座底座板1的中心及沿主位移方向（纵桥向）开了半圆柱体+长方形体的安装槽，在半圆柱体的中心和固定平面摩擦副2的中心有竖直放置的测力传感器3、中心压板4和中心非金属滑板2-2；底座板1沿着主位移方向的长方形体槽内放置有抽板11和盖板12，并用抽板螺栓11-1和盖板螺栓12-1与底座板1固定。在测力传感器3、中心压板4和镶嵌的中心非金属滑板2-2，中心非金属滑板2-2、镶嵌在底座板1上的近似环形非金属滑板2-3、镶嵌在抽板11上的抽板非金属滑板2-4处于同一平面且共同承担支座的竖向荷载，支座竖向荷载中的一部分通过中心非金属滑板2-2传递到测力传感器3，完成中心非金属滑板2-2所承受的竖向压力测定。通过竖向标定试验，确定中心非金属滑板2-2所受力（即测力传感器3测定力值）与支座整体竖向受力关系，最终通过测力传感器3的受力反推获知支座的整体竖向受力情况，从而使支座具备竖向测力功能。

利用圣维南原理，荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关。测力传感器3设置并固定在底座板1中心内腔位置，测力传感器3的顶部固定平面摩擦副2、下座板5和底座板1始终处于固定状态，避免了滑动或转动带来的非金属滑板磨损问题，且远离支座的平面滑动和竖向转动位置，因此支座运动状态的改变，离上部结构载荷作用区稍远的测力传感器3只同整体荷载即支座上部结构荷载相关，显著减少支座运动状态的改变导致的测力偏差的影响，可将综合测力偏差由原来的10~80%f.s降低到3%f.s。

当测力传感器3失效时，支座卸载后拧出盖板螺栓12-1和移除盖板12、再拧出抽板螺栓11-1和移除抽板11+抽板非金属滑板2-4，最后移出测力传感器3+中心压板4+中心非金属滑板2-2。重新更换新的测力传感器3并放置原中心压板4和中心非金属滑板2-2与底座板1的中心内腔，装入抽板11+抽板非金属滑板2-4，用抽板螺栓11-1将抽板11固定在底座板1，盖板12，最后安装盖板12并用盖板螺栓12-1与底座板1固定，完成测力传感器的更换。由于测力传感器3的规格型号前后完全一致，中心压板4、中心非金属滑板2-2、抽板11及抽板非金属滑板2-4均未更换，且位置一致，保证了更换后的支座与更换前的测力标定性能一致，从而实现支座在全生命周期内的测力功能。

本实施例的测力元件可更换的竖向测力多向活动球型支座在正常情况下，可实现竖向承载、纵桥向和横桥向滑移、支座竖向转动功能，同时当测力元件失效时，实现测力元件的可更换，使支座在整个生命周期内始终具备竖向测力功能。

实施例2

给出一种具有可更换测力元件的竖向测力单向活动球型支座，如图1、2所示。其主要由底座板1，固定平面摩擦副2，测力传感器3，测力传感器导线3-1，中心压板4，下座板5，球面转动摩擦副6，中座板7，上平面滑动摩擦副8，上座板9，密封圈10，抽板11，抽板螺栓11-1，盖板12，盖板螺栓12-1、导向摩擦副13等部件组成。上平面滑动摩擦副8和下球面转动摩擦副6共同组成支座的竖向承压摩擦副，具备竖向承载、纵桥向滑动、竖向转动功能，每个摩擦副均包括非金属滑板和不锈钢滑板。固定平面摩擦副2由贴覆在下座板5底部的固定平面不锈钢滑板2-1和处于同一平面分别镶嵌在中心压板4上的中心非金属滑板2-2、镶嵌在底座板1上的近似环形非金属滑板2-3、镶嵌在抽板11上的抽板非金属滑板2-4共同组成（见图5）。

支座底座板1的中心及沿主位移方向开了半圆柱体+长方形体的安装槽，在半圆柱体的中心和固定平面摩擦副2的中心有竖直放置的测力传感器3、中心压板4和中心非金属滑板2-2；底座板1沿着主位移方向的方形体槽内放置有抽板11和盖板12，并用抽板螺栓11-1和盖板螺栓12-1与底座板1固定。在测力传感器3、中心压板4和镶嵌的中心非金属滑板2-2，中心非金属滑板2-2、镶嵌在底座板1上的近似环形非金属滑板2-3、镶嵌在抽板11上的抽板非金属滑板2-4处于同一平面且共同承担支座的竖向荷载，支座竖向荷载中的一部分通过中心非金属滑板2-2传递到测力传感器3，完成中心非金属滑板2-2所承受的竖向压力测定。通过竖向标定试验，确定中心非金属滑板2-2所受力（即测力传感器3测定力值）与支座整体竖向受力关系，最终通过测力传感器3的受力反推获知支座的整体竖向受力情况，从而使支座具备竖向测力功能。

本实施例的测力元件可更换的竖向测力单向活动球型支座在正常情况下，可实现竖向承载、活动方向滑移、限位方向限位，支座竖向转动功能，同时当测力元件失效时，实现测力元件的可更换，使支座在整个生命周期内始终具备竖向测力功能。

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