本實(shí)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(cè)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(gè)國(guó)家的實(shí)際橋梁工程中得到了大量的應(yīng)用。球型鋼支座是一種橋梁中比較常用的支座形式，應(yīng)用比較廣泛，它傳力可靠，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，并且能更好地適應(yīng)支座大轉(zhuǎn)角的需要，球型鋼支座通過(guò)球面?zhèn)髁?，不出現(xiàn)力的徑縮現(xiàn)象，通過(guò)球面聚四氟乙烯板的滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)支座的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小，而且轉(zhuǎn)動(dòng)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(wú)關(guān)，支座各向轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)性能的影響，特別適用于低溫地區(qū)。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)角時(shí)，球型鋼板產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，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(duì)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(gè)橋梁的安全性能。支座失效將導(dǎo)致整個(gè)橋梁的整體倒塌，造成不可估量的嚴(yán)重后果，因而支座的長(zhǎng)期安全性就顯得尤為重要。對(duì)于球形鋼支座而言，金屬構(gòu)件也會(huì)隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。對(duì)于不同的工作環(huán)境下，支座的耐久性如何，支座是否會(huì)因?yàn)榻饘贅?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(zhǎng)期健康情況來(lái)看，對(duì)隔震支座健康狀況的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)隔震支座的受力情況的監(jiān)測(cè)主要依靠壓力傳感單元，而傳感單元測(cè)得壓力后的數(shù)據(jù)信息需要通過(guò)引線導(dǎo)出，就需要在支座上做微孔以用于引出導(dǎo)線，進(jìn)而導(dǎo)致支座整體的力學(xué)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(huì)造成巨大的安全隱患；另外，傳感單元的更換也是當(dāng)前支座技術(shù)領(lǐng)域面臨的一個(gè)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(duì)傳感單元進(jìn)行更換，則需更換整個(gè)支座，成本高且操作復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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

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

本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

本實(shí)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(shè)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(shè)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(shè)有壓力傳感單元。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，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(jìn)一步改進(jìn)，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(jìn)一步改進(jìn)，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(jìn)一步改進(jìn)，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(dǎo)電橡膠，所述納米導(dǎo)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(jìn)一步改進(jìn)，在所述墊板承受橫向力的側(cè)邊設(shè)有限位單元。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述限位單元為條狀鋼條或限位塊，且通過(guò)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(shí)用新型提供了一種監(jiān)測(cè)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(cè)得的支座壓力傳輸至數(shù)據(jù)輸出單元。

本實(shí)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(cè)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(jìn)一步改進(jìn)，所述監(jiān)控中心包括數(shù)據(jù)接收單元、服務(wù)器、監(jiān)測(cè)單元、分析單元以及人機(jī)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(wù)器、監(jiān)測(cè)單元、分析單元、以及人機(jī)交互單元。

本實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)支座受力狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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(duì)支座做引線微孔，保證支座的力學(xué)性能不受影響。

3、本實(shí)用新型智能支座系統(tǒng)能夠?qū)毫鞲袉卧獪y(cè)得的壓力數(shù)值即時(shí)傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心再對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反映支座的健康狀態(tài)。

附圖說(shuō)明

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

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

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

圖4是本實(shí)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(shí)用新型智能支座系統(tǒng)的模塊連接示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果進(jìn)行清楚、完整地描述，以充分地理解本實(shí)用新型的目的、特征和效果。顯然，所描述的實(shí)施例只是本實(shí)用新型的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例，基于本實(shí)用新型的實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的其他實(shí)施例，均屬于本實(shí)用新型保護(hù)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(shí)施情況，通過(guò)添加或減少聯(lián)接輔件，來(lái)組成更優(yōu)的聯(lián)接結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型中的各個(gè)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(shí)用新型智能球形鋼支座實(shí)施例一的具體結(jié)構(gòu)。如圖1所示，本實(shí)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(shè)有頂套筒11a，底支座板12a的下表面固設(shè)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(shè)有平面滑板17，球型鋼板13下表面與底支座板12之間設(shè)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(dòng)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(dāng)然，在不同的實(shí)施例中，凹陷球形面可以設(shè)置于球型鋼板14上，而相同曲率的外凸球形面則設(shè)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(dòng)面即可。

優(yōu)選地，在此較佳實(shí)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(shí)用新型智能球形鋼支座采用納米橡膠傳感器14實(shí)時(shí)對(duì)支座的受力狀況進(jìn)行檢測(cè)進(jìn)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(jiǎn)單，因而不影響支座的各項(xiàng)力學(xué)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(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于5000萬(wàn)次。

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

在此較佳實(shí)施例中，墊板15和納米橡膠傳感器14設(shè)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(shè)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(shí)施例中，墊板15也可設(shè)置于頂支座板11的上方，只需保證其與頂支座板11層疊設(shè)置并在二者之間設(shè)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(guò)螺栓與頂支座板11固定連接且抵靠于墊板15的側(cè)邊，當(dāng)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(shí)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(duì)納米橡膠傳感器14進(jìn)行更換，若要進(jìn)行更換時(shí)，先將限位單元16取下，再使用頂升設(shè)備將頂支座板11連同上方的構(gòu)筑物一同頂起，便可對(duì)納米橡膠傳感器14進(jìn)行更換。

為了準(zhǔn)確測(cè)量整個(gè)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(dǎo)線由墊板15和頂支座板11之間的間隙引出，不需要對(duì)支座本身做任何導(dǎo)線引出孔，有效保證支座的各項(xiàng)力學(xué)性能。

圖2示出了本實(shí)用新型智能球形鋼支座實(shí)施例二的具體結(jié)構(gòu)。該實(shí)施例與實(shí)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(shè)置于底支座板22的下方。

如圖2所示，本實(shí)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(guò)螺栓固連并抵靠于墊板25的側(cè)邊，頂套筒21a固設(shè)于頂支座板21上表面，底套筒22a固設(shè)于墊板25的下表面。

同樣地，在不同的實(shí)施例中，墊板25也可設(shè)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(shè)置并在二者之間設(shè)置納米橡膠傳感器24即可。

該實(shí)施例中，納米橡膠傳感器24在更換時(shí)，將限位單元26取下后，再需要同時(shí)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(shí)頂起，再進(jìn)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(jī)構(gòu)將上述構(gòu)件在頂升的過(guò)程中鎖緊為一體。

圖3示出了本實(shí)用新型智能球形鋼支座實(shí)施例三的具體結(jié)構(gòu)。該實(shí)施例與實(shí)施例一的區(qū)別就在于限位單元36不僅對(duì)墊板35進(jìn)行限位，其延伸端36a還對(duì)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(shè)定了相對(duì)滑動(dòng)的范圍，在延伸端36a上設(shè)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(shí)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(dǎo)電橡膠內(nèi)部導(dǎo)電粒子之間的距離以及由導(dǎo)電粒子形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，表現(xiàn)出導(dǎo)電橡膠的電阻率及電阻發(fā)生變化，引起測(cè)量電信號(hào)的變化，進(jìn)而根據(jù)導(dǎo)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(qiáng)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(dǎo)電橡膠14b填充?？椢飳?4a的材料組織密實(shí)，具有一定的厚度、彈性和強(qiáng)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(hào)或高號(hào)氨綸、高彈錦綸等彈性纖維織成。同時(shí)，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(guò)程中覆蓋在其上的納米導(dǎo)電橡膠溶液能夠滲入到空隙，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。所述的納米導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)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(fù)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(jìn)行稱重，倒入攪拌機(jī)中，在室溫下，進(jìn)行機(jī)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(dǎo)電橡膠溶液。

S2、合成：準(zhǔn)備多塊大小相同的高強(qiáng)度織物，在模具底板平鋪一織物層，將S1中制備的納米導(dǎo)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(dǎo)電橡膠傳感元件的厚度需要，可繼續(xù)重復(fù)涂覆納米導(dǎo)電橡膠溶液和增鋪織物層的過(guò)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(guò)模具上下頂?shù)装宓倪B接作用，給納米導(dǎo)電橡膠材料施加一定的壓力，保證其厚度的均勻性和密實(shí)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(shè)計(jì)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(hù)層即完成大量程薄片式柔性納米導(dǎo)電橡膠壓力傳感器的制作。

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

監(jiān)測(cè)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(gè)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(wú)線交換機(jī)，其將壓力數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，UPS為監(jiān)測(cè)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(wù)器、監(jiān)測(cè)單元、分析單元、人機(jī)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(wú)線交換機(jī)，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(wù)器、監(jiān)測(cè)單元、分析單元和人機(jī)交互單元，服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與控制，監(jiān)測(cè)單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)監(jiān)測(cè)，分析單元?jiǎng)t對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)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(shí)用新型智能支座系統(tǒng)通過(guò)對(duì)支座的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、監(jiān)測(cè)及分析，能夠即時(shí)了解、判斷支座的健康狀況，保證支座的使用安全。

以上是對(duì)本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例進(jìn)行了具體說(shuō)明，但本實(shí)用新型并不限于所述實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本實(shí)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(qǐng)權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。