本實用新型涉及支座技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種智能球形鋼支座、監(jiān)測支座以及智能支座系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

球形鋼支座由于承載能力大、技術(shù)較為成熟，因此已在全球多個國家的實際橋梁工程中得到了大量的應用。球型鋼支座是一種橋梁中比較常用的支座形式，應用比較廣泛，它傳力可靠，轉(zhuǎn)動靈活，并且能更好地適應支座大轉(zhuǎn)角的需要，球型鋼支座通過球面?zhèn)髁Γ怀霈F(xiàn)力的徑縮現(xiàn)象，通過球面聚四氟乙烯板的滑動來實現(xiàn)支座的轉(zhuǎn)動過程，轉(zhuǎn)動力矩小，而且轉(zhuǎn)動力矩只與支座球面半徑及四氟乙烯板的摩擦系數(shù)有關(guān)，與支座轉(zhuǎn)角大小無關(guān)，支座各向轉(zhuǎn)動性能一致；支座不用橡膠承壓，不存在橡膠老化降低 支座轉(zhuǎn)動性能的影響，特別適用于低溫地區(qū)。當結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)角時，球型鋼板產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，釋放上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。這樣既能保證橋梁上、下結(jié)構(gòu)合理相對位移，又使結(jié)構(gòu)保持統(tǒng)一性。該系列支座適用于大跨度空間結(jié)構(gòu)及大跨度橋，特別適用于寬橋、曲線橋、斜橋。

在橋梁結(jié)構(gòu)中，支座作為主要的傳力構(gòu)件，其穩(wěn)定性、可靠性直接影響整個橋梁的安全性能。支座失效將導致整個橋梁的整體倒塌，造成不可估量的嚴重后果，因而支座的長期安全性就顯得尤為重要。對于球形鋼支座而言，金屬構(gòu)件也會隨著時間的推移出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。對于不同的工作環(huán)境下，支座的耐久性如何，支座是否會因為金屬構(gòu)件的損耗、疲勞等各種因素的影響而失效，這些情況都關(guān)乎橋梁整體使用的安全性。從橋梁長期健康情況來看，對隔震支座健康狀況的監(jiān)測顯得尤為重要。

現(xiàn)有技術(shù)中，對隔震支座的受力情況的監(jiān)測主要依靠壓力傳感單元，而傳感單元測得壓力后的數(shù)據(jù)信息需要通過引線導出，就需要在支座上做微孔以用于引出導線，進而導致支座整體的力學性能受到影響，由于橋梁的支座需要承受巨大的載荷，即便是微小的孔隙也會造成巨大的安全隱患；另外，傳感單元的更換也是當前支座技術(shù)領(lǐng)域面臨的一個難題，由于傳感單元通常與支座本體固接或埋入支座內(nèi)部等原因，若要對傳感單元進行更換，則需更換整個支座，成本高且操作復雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題，在于提供一種能夠?qū)崟r監(jiān)測支座受力狀況、不影響支座力學性能且便于更換壓力傳感單元的智能球形鋼支座。

本實用新型所要解決的技術(shù)問題，還在于提供一種能夠?qū)崟r監(jiān)測、反映支座健康狀態(tài)的監(jiān)測支座以及智能支座系統(tǒng)。

本實用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

本實用新型提供了一種智能球形鋼支座，包括頂支座板、底支座板、以及設于所述頂支座板和底支座板之間的球型鋼板，還包括與所述頂支座板或底支座板層疊設置的墊板，所述頂支座板和墊板之間、或所述底支座板和墊板之間設有壓力傳感單元。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述壓力傳感單元為納米橡膠傳感器。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述墊板和納米橡膠傳感器置于所述頂支座板和球型鋼板之間、或置于所述底支座板下方。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述納米橡膠傳感器陣列排布于所述頂支座板與墊板之間、或所述底支座板與墊板之間。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述納米橡膠傳感器包括至少兩層織物層，相鄰所述織物層之間填充有納米導電橡膠，所述納米導電橡膠為摻入碳納米管的橡膠基體。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進，在所述墊板承受橫向力的側(cè)邊設有限位單元。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述限位單元為條狀鋼條或限位塊，且通過螺栓與所述頂支座板或底支座板固定連接且抵靠于所述墊板的側(cè)邊。

本實用新型提供了一種監(jiān)測支座，其包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)輸出單元以及如上所述的智能球形鋼支座，所述數(shù)據(jù)采集單元將壓力傳感單元測得的支座壓力傳輸至數(shù)據(jù)輸出單元。

本實用新型還提供了一種智能支座系統(tǒng)，其包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)輸出單元、監(jiān)控中心以及如上所述的智能球形鋼支座，所述數(shù)據(jù)采集單元將壓力傳感單元測得的支座壓力數(shù)據(jù)傳輸至所述數(shù)據(jù)輸出單元，所述數(shù)據(jù)輸出單元將壓力數(shù)據(jù)傳輸至所述監(jiān)控中心。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述監(jiān)控中心包括數(shù)據(jù)接收單元、服務器、監(jiān)測單元、分析單元以及人機交互單元，所述數(shù)據(jù)接收單元將所述數(shù)據(jù)輸出單元的壓力數(shù)據(jù)傳輸至服務器、監(jiān)測單元、分析單元、以及人機交互單元。

本實用新型的有益效果是：

1、壓力傳感單元置于頂支座板和墊板、或底支座板和墊板之間，便于壓力傳感單元的更換，且能實現(xiàn)對支座受力狀態(tài)的實時監(jiān)測。

2、壓力傳感單元的引線從頂支座板和墊板之間、或底支座板和墊板之間引出，不需要對支座做引線微孔，保證支座的力學性能不受影響。

3、本實用新型智能支座系統(tǒng)能夠?qū)毫鞲袉卧獪y得的壓力數(shù)值即時傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心再對壓力數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和分析，實時監(jiān)測和反映支座的健康狀態(tài)。

附圖說明

圖1是本實用新型智能球形鋼支座實施例一的整體結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖2是本實用新型智能球形鋼支座實施例二的整體結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖3是本實用新型智能球形鋼支座實施例三的整體結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖4是本實用新型智能球形鋼支座的納米橡膠傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實用新型智能支座系統(tǒng)的模塊連接示意圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合實施例和附圖對本實用新型的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果進行清楚、完整地描述，以充分地理解本實用新型的目的、特征和效果。顯然，所描述的實施例只是本實用新型的一部分實施例，而不是全部實施例，基于本實用新型的實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的其他實施例，均屬于本實用新型保護的范圍。另外，專利中涉及到的所有聯(lián)接/連接關(guān)系，并非單指構(gòu)件直接相接，而是指可根據(jù)具體實施情況，通過添加或減少聯(lián)接輔件，來組成更優(yōu)的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。本實用新型中的各個技術(shù)特征，在不互相矛盾沖突的前提下可以交互組合。

圖1示出了本實用新型智能球形鋼支座實施例一的具體結(jié)構(gòu)。如圖1所示，本實用新型智能球形鋼支座包括頂支座板11、底支座板12、球型鋼板13、納米橡膠傳感器14、墊板15、限位單元16、平面滑板17以及球面滑板18。頂支座板11上表面固設有頂套筒11a，底支座板12a的下表面固設有底套筒12a，頂套筒11a和底套筒12a用于與橋梁等構(gòu)筑物固定連接。

球型鋼板13的上表面為一平面、下表面為一外凸的球形面，底支座板12的上表面為一凹陷的球形面，球型鋼板13上表面與墊板15之間設有平面滑板17，球型鋼板13下表面與底支座板12之間設有球面滑板18，球型鋼板13的球形面、球面滑板18以及底支座板12的球形面的曲率半徑都相同。平面滑板17和球面滑板18的作用都是使球型鋼板13與頂支座板11、底支座板12之間產(chǎn)生小幅滑動以釋放上部結(jié)構(gòu)撓曲產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和溫度變形產(chǎn)生的水平力。

當然，在不同的實施例中，凹陷球形面可以設置于球型鋼板14上，而相同曲率的外凸球形面則設置于底支座板12上，也就是能夠使底支座板12和球型鋼板14形成球型的滑動面即可。

優(yōu)選地，在此較佳實施例中，平面滑板17和球面滑板18都由低摩擦材料制成，例如但不限于聚四氟乙烯等。

本實用新型智能球形鋼支座采用納米橡膠傳感器14實時對支座的受力狀況進行檢測進而得到支座豎向壓力變化數(shù)值，由于納米橡膠傳感器14厚度較薄、構(gòu)造簡單，因而不影響支座的各項力學性能；橡膠的耐疲勞性能好、耐高溫，因而納米橡膠傳感器14的耐久性高，交變應力循環(huán)次數(shù)大于5000萬次。

采用納米橡膠傳感器14作為壓力的測量單元是本實用新型優(yōu)選的實施方式，當然也可以采用其他壓力傳感器，例如但不限于應變片壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器、擴散硅壓力傳感器、壓電壓力傳感器等。

在此較佳實施例中，墊板15和納米橡膠傳感器14設于頂支座板11和球型鋼板13之間，墊板15承受橫向力的側(cè)邊設有限位單元16，以保證墊板15在橫向力作用下的穩(wěn)固性。在不同的實施例中，墊板15也可設置于頂支座板11的上方，只需保證其與頂支座板11層疊設置并在二者之間設置納米橡膠傳感器14即可。

限位單元16優(yōu)選為圖1中所示的條狀鋼條，且通過螺栓與頂支座板11固定連接且抵靠于墊板15的側(cè)邊，當然，限位單元16的形狀以及限位單元16的固定位置、固定方式都不局限于上述實施例，只需滿足限位功能即可。限位單元16與墊板15采用螺栓連接便于對納米橡膠傳感器14進行更換，若要進行更換時，先將限位單元16取下，再使用頂升設備將頂支座板11連同上方的構(gòu)筑物一同頂起，便可對納米橡膠傳感器14進行更換。

為了準確測量整個支座的受力狀態(tài)，避免偏載情況的發(fā)生，優(yōu)選地，納米橡膠傳感器14陣列排布于頂支座板11和墊板15之間，連接納米橡膠傳感器14的兩電極的耐高溫屏蔽導線由墊板15和頂支座板11之間的間隙引出，不需要對支座本身做任何導線引出孔，有效保證支座的各項力學性能。

圖2示出了本實用新型智能球形鋼支座實施例二的具體結(jié)構(gòu)。該實施例與實施例一的區(qū)別就在于納米橡膠傳感器24和墊板25層疊設置于底支座板22的下方。

如圖2所示，本實用新型球型鋼支座包括頂支座板21、底支座板22、球形鋼板23、納米橡膠傳感器24、墊板25以及限位單元26。球型鋼板23置于頂支座板21和底支座板22之間，墊板25置于底支座板22的下方，納米橡膠傳感器24則放置于墊板25和底支座板22之間，限位單元26與底支座板22通過螺栓固連并抵靠于墊板25的側(cè)邊，頂套筒21a固設于頂支座板21上表面，底套筒22a固設于墊板25的下表面。

同樣地，在不同的實施例中，墊板25也可設置于底支座板22與球型鋼板23之間，只需保證其與底支座板22層疊設置并在二者之間設置納米橡膠傳感器24即可。

該實施例中，納米橡膠傳感器24在更換時，將限位單元26取下后，再需要同時將頂支座板21、頂支座板21上方的構(gòu)筑物、球型鋼板23以及底支座板22同時頂起，再進行更換操作即可。由于頂支座板21與球型鋼板23之間、球型鋼板23與底支座板22之間都非固定連接，因而為了便于上述構(gòu)件整體頂升，優(yōu)選地，可采用一鎖緊機構(gòu)將上述構(gòu)件在頂升的過程中鎖緊為一體。

圖3示出了本實用新型智能球形鋼支座實施例三的具體結(jié)構(gòu)。該實施例與實施例一的區(qū)別就在于限位單元36不僅對墊板35進行限位，其延伸端36a還對下方的底支座板32具有一定的緩沖、限位作用。具體而言，限位單元36的延伸端36a給頂支座板31和底支座板32設定了相對滑動的范圍，在延伸端36a上設有高阻尼橡膠條36b，高阻尼橡膠條36b能夠起到很好的緩沖、減震作用。

圖4示出了本實用新型智能球形鋼支座的納米橡膠傳感器14的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

納米橡膠傳感器的工作原理：納米橡膠傳感器在外界荷載作用下發(fā)生形變，使導電橡膠內(nèi)部導電粒子之間的距離以及由導電粒子形成的導電網(wǎng)絡發(fā)生變化，表現(xiàn)出導電橡膠的電阻率及電阻發(fā)生變化，引起測量電信號的變化，進而根據(jù)導電橡膠的壓阻特性可以反推得到承壓面的受力狀態(tài)。

優(yōu)選地，納米橡膠傳感器14為多層結(jié)構(gòu)，其中作為骨架層的高強度織物層14a上下間隔多層分布，在織物層14a之間用一定厚度的納米導電橡膠14b填充?？椢飳?4a的材料組織密實，具有一定的厚度、彈性和強度，滿足在較高壓力作用下發(fā)生彈性變形而不破壞的要求，優(yōu)選地，織物層14a采用中號或高號氨綸、高彈錦綸等彈性纖維織成。同時，織物層14a的縱橫纖維形成的紋理有一定的空隙，保證在制備過程中覆蓋在其上的納米導電橡膠溶液能夠滲入到空隙，增強結(jié)構(gòu)的整體性。所述的納米導電橡膠16a的橡膠基體材料為硅橡膠（PDMS），其由基本組分和固化劑按照10:1的配合比組成；導電填料為碳納米管，優(yōu)選為多壁碳納米管（MWCNT），多壁碳納米管的質(zhì)量百分比在8%至9%之間。

納米橡膠傳感器14添加高強度織物層14a作為勁性骨架，顯著提高了納米橡膠傳感器14在0至50MPa高壓下的強度和韌性，避免發(fā)生撕裂，保證了這種傳感單元在高壓下的穩(wěn)定性和可重復性。

納米橡膠傳感器的制備主要采用溶液共混法和模壓成型，具體的制備方法如下：

S1、配料：將硅橡膠（PDMS）的基本組分、固化劑與碳納米管按照質(zhì)量配比進行稱重，倒入攪拌機中，在室溫下，進行機械研磨混合，保證碳納米管在橡膠基體中均勻分布，以制成納米導電橡膠溶液。

S2、合成：準備多塊大小相同的高強度織物，在模具底板平鋪一織物層，將S1中制備的納米導電橡膠溶液均勻涂覆在織物上至一定厚度，再在其上平鋪另一織物層；根據(jù)納米導電橡膠傳感元件的厚度需要，可繼續(xù)重復涂覆納米導電橡膠溶液和增鋪織物層的過程。

S3、固化：將模具頂板放置在未固化的納米橡膠傳感器最上層織物層上，通過模具上下頂?shù)装宓倪B接作用，給納米導電橡膠材料施加一定的壓力，保證其厚度的均勻性和密實性。將模具放置到60℃的容器中，將容器抽成真空，放置至少300min。

在納米橡膠傳感器固化之后，可以按照傳感器設計要求，用加工刀具將固化的薄片式納米橡膠傳感器切割成需要的大小和形狀，連接上電極和絕緣保護層即完成大量程薄片式柔性納米導電橡膠壓力傳感器的制作。

圖5示出了本實用新型智能支座系統(tǒng)的模塊連接示意圖。本實用新型智能支座系統(tǒng)包括監(jiān)測支座和監(jiān)控中心。

監(jiān)測支座包括如上所述的智能球形鋼支座、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)輸出單元以及UPS電源。數(shù)據(jù)采集單元采集智能球形鋼支座中的各個納米橡膠傳感器的壓力數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出單元優(yōu)選為光載無線交換機，其將壓力數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，UPS為監(jiān)測支座內(nèi)的各用電模塊提供不間斷電能。

監(jiān)控中心包括數(shù)據(jù)接收單元、服務器、監(jiān)測單元、分析單元、人機交互單元以及UPS電源。數(shù)據(jù)接收單元亦優(yōu)選為光載無線交換機，其用于接收數(shù)據(jù)輸出單元傳輸?shù)膲毫?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收單元將所接收的數(shù)據(jù)傳輸至服務器、監(jiān)測單元、分析單元和人機交互單元，服務器對數(shù)據(jù)進行管理與控制，監(jiān)測單元對數(shù)據(jù)進行即時監(jiān)測，分析單元則對數(shù)據(jù)進行評估、分析。UPS電源為監(jiān)控中心內(nèi)的各用電模塊提供不間斷電源。

本實用新型智能支座系統(tǒng)通過對支座的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集、傳輸、監(jiān)測及分析，能夠即時了解、判斷支座的健康狀況，保證支座的使用安全。

以上是對本實用新型的較佳實施例進行了具體說明，但本實用新型并不限于所述實施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本實用新型精神的前提下還可做出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。