支座测力调力及集群采集技术应用探索

刘志东，仇继好，李坤

（柳州东方工程橡胶制品有限公司，广西 柳州 545000）

支座是连接上下部结构的重要部件，能将上部结构的恒载、活载和变形（位移和转角）可靠地传递给下部结构。球型支座具有承载力大、转角灵活且各向转动性能一致的优点，因此，被日益广泛地运用到各类公路、铁路、城市桥梁及建筑结构中。近几年交通的快速发展，桥梁的建设与维护已经步入新的阶段，同时，人们对桥梁安全性倍加关注，桥梁健康监测系统应运而生，支座的受力监测是桥梁健康监测系统的关键组成部分，本文探究测力调力支座技术具有重要意义。

1 传统球型钢支座的基本情况

传统的球型支座没有测力功能，在使用过程中无法检测支座的受力状况、读取支座的竖向承载力，无法准确了解结构各截面的内力分布情况，无法对桥梁设计理论的可靠性和设计方法的合理性作出验证，给支座的维护及结构监测带来了很大的不便。当球型支座在运营过程中出现异常时，不能直观检测到支座的受力状况，从而无法判断桥梁上部结构的运营状态，不利于及时监测和评估桥梁结构的健康状况。

当由于软土地基上的墩台基础不均匀沉降，张拉后产生的微量变形，梁体结构支撑垫石标高难以避免的施工误差等因素导致桥梁支座承压不均匀现象，将会改变上下部结构的受力状态，当发现支座受力异常或卸载脱空时，给结构的安全性带来了隐患。

2 支座测力调力及集群采集技术

2．1 测力调力支座

测力调力支座同时将调力技术和光纤光栅测力技术集为一体，可实现力值进行调整并可对支座受力进行实时监测的球型支座产品，具备对支座受力情况实时监测和传输功能，当监测到支座受力不均匀度或地基沉降超过设计容许值时，可以对支座进行调力，以使支座的受力重新达到合理范围内，能减少因受力不均匀对梁体及墩部造成的损伤。测力调力支座根据其原理在球型支座上设置有光纤光栅测力模块及支座调力系统。光纤光栅测力模块与支座外围的解调仪通过光缆连接，当支座受到竖向承载力时，光纤光栅测力模块能准确感知压应力并传输到解调仪上显示出来。调力系统包括支座内部调力系统和外部加注设备调力系统，支座内部调力系统调力层，调力层包括密封板、调力填充垫板、调力填充管道及进出通道内螺纹预留孔，密封板的周边与容纳腔的侧壁密封贴合，调力填充垫板设置在对应调力层的密封板的下方，调力填充垫板的顶面与密封板的底面贴合，调力填充垫板内设置调力填充管道，进出通道内螺纹孔设置在容纳腔的侧壁，调力填充管道与进出通道内螺纹相连，外部加注设备调力系统通过进出通道内螺纹孔与调力填充管道连通。

测力调力支座其关键在于在确保支座承载力、水平力、转角、位移等性能情况下将测力构造和调力系统设计组合与支座结构集成一体，调力采用双组份填充材料，为防止双组份填充材料凝固后将把原有的管道结构堵塞，避免无法进行后续的调力，确保调力球型支座的多次调力功能的正常进行力值调整，将每次调力设计成多腔体多管道相互独立结构，采确保每次调力结构互不干涉，前次调力后对其他的调力结构不产生影响，保证了后续调力的填充管道及密封圈不受影响，确保每次调力的可行性。测力调力支座满足桥梁支座性能使用要求，也是一种大负荷传感器，可对作用在支座上的载荷进行监测读取；同时，也是一种大吨位的“千斤顶”，可在持荷状态下对支座的受力进行调整。

2．2 支座数据集群采集技术

支座数据集群采集系统是一个以测力支座为核心部件、以数据自动采集模块和远程数据传输模块为辅助设备，借助现代通信网络和远程监测平台组成的支座测力监测联网系统。支座测力系统由光纤光栅测力模块、光纤光栅解调仪、有线或无线传输装置和供电系统等设备组成。安装在不同桥墩位置的多个或单个支座上光纤光栅测力模块通过感知测力弹性体的压应力变化输出压力波长信号输送到解调仪上，解调仪经过对波长信号分析计算，经无线网络或有线网络实现远距离传输发送至终端设备，终端设备接收数据、分析及处理后直观显示支座实际荷载并与支座正常使用荷载进行对比，同时，结合数据采集技术，实现数据采集和分析保存等的自动化，出现异常时进行报警，实现远距离对支座载荷进行监测。

2．3 支座测力调力及集群采集技术特点

（1）支座实现无极调力功能：通过外接设备注入填充材料使支座力值发生变化，无须将梁体顶升后再调整，支座可在额定承载下实现载荷调力，同步动态测力、调力，根据梁体受力情况，设定该点的调力目标，以调整受力力值达到预期。（2）全程监测可控：在进行缓慢均匀支座调力过程中，整个调力工作有序可控，各类数据通过传输进行集中，统一指挥，全程可控效果。（3）采用光纤光栅测力元件光波信号变化检测支座承载力，不需要提供电源，抗干扰能力强，内置温度变化补偿修正，可对使用该系统的所有桥梁的支座受力状况实现集中监测与管理。

3 支座测力调力及集群采集技术应用

某一跨江直塔斜拉桥主跨跨度：100+218+100米,主塔设计采用测力调力支座，以便对主塔支座的受力情况进行监测，该桥设计采用塔梁固接体系，上部结构的重力和活载反力需经支座传递到桥墩，因此，设置的支座规格最大达到75MN。由于桥梁的施工周期较长，桥梁的上部构造需在支座安装后才进行施工，为避免施工过程中损坏线路及测力系统，为了便于施工，在支座安装时暂未布线安装解调仪系统。结合施工进度制定在上部结构施工过程中某些施工节点进行人工数据采集方案，以便了解施工过程中上部载荷的变化，支座安装后，及时对支座上的光纤光栅测力模块进行置零，分别在主桥合拢前、主桥合拢后、布线（大型施工设备拆除）、索力调整后、铺装混凝土等节点对支座进行人工数据采集。调力测力支座设计完成后，按照相关规定严格遵守供货检验规定，完成供货安装。结合实际施工进度，根据制定的人工数据采集方案，在相关节点到现场进行数据采集，记录各采集时间、现场温度及支座竖向承载力等数据。

从记录的数据可知，合拢前后各单个支座受力变化不大，总载荷跟随梁体重量的增加稍微增长，布线时已将桥面的大型施工设备拆除，各单个支座受力和总荷载随梁体重量的减少而减少，调整索力后，梁体的受力点发生了变动，各个支座受力发生了相应的变化，但总荷载与布线时基本一致，桥面铺装混凝土后，增加桥面混凝土的重量，各单个支座受力和总荷载随铺装混凝土的增加而增大。

施工完成对所有测力调力支座进行接线解调仪系统，借助通信网络发送至远程监测平台进行集群自动采集，实现了多点连续自动采集分析。支座现场不需提供电源，光纤光栅测力模块内置温度变化补偿，消除了温度变化引起的差异，早晚温度变化对测力没有影响，所有测力调力支座测出的总荷载与理论计算载荷基本一致，误差小于3%，对支座受力状况实现集中监测与管理，为后期该桥梁健康运营、安全评估和科学管养提供了有效的科学依据。

4 结语

支座测力调力及集群采集技术创造性的将光纤光栅测力传感技术、“千斤顶”持荷调整顶升技术与桥梁支座技术的有机结合成一体，借助现代通信网络和远程监测平台形成的支座载荷集群数据采集系统。该技术具有实时监测支座的受力数据并对其进行处理、分析、保存、预警功能，可以反映桥梁结构施工质量，并可以准确了解结构各截面的内力分布情况，对桥梁设计理论的可靠性和设计的合理性作出验证；通过监测超静定桥梁结构的支点反力，可准确、简便地计算出超静定桥梁结构的实际内力分布情况，并根据支点反力和结构内力的分布评估桥梁的支承状态和及其受力的安全性。该技术为桥梁工程结构的健康运营、安全评估和科学管养提供有效的科学依据，使我国的桥梁工程的建设和智慧交通网发展具有良好的技术经济效益。