一种桥梁橡胶支座的性能监测方法
技术领域
本发明涉及桥梁结构健康监测领域，具体涉及一种桥梁橡胶支座的性能监测方法。
背景技术
桥梁支座是连接桥梁上部结构和下部结构的重要部件，它能将桥梁上部结构的反力和变形(位移和转角)可靠的传递给桥梁下部结构，从而使梁体的受力和变形情况与理论计算图式相符合，其质量和性能直接影响桥梁的使用性和耐久性。由于施工不良或者后期运营等原因，橡胶支座病害相当普遍，主要表现为支座脱空、承压不均匀、支座板扭曲断裂、焊缝开裂、支座位移大于容许偏差、支座产生永久变形以及固定栓销切断等。支座受力不均或脱空将改变结构受力模式，导致主梁内力、横梁内力、支座反力发生变化，损坏主梁、桥面和墩台，降低支座使用寿命。
桥梁常规安全监测系统中，常常会监测主梁与墩台的相对位移或支座的竖向压强，从而对倾覆滑移等失稳病害进行监测。由于支座的性能会影响桥梁的长期耐久性能，及时修复更换支座能够减少继发病害，延长桥梁的服役时间，减少综合养护费用。但支座病害较为普遍，缺乏对支座工作性能统一的评判标准，无法对众多的支座病害中客观量化地评估维修更换的优先级。
如果对既有桥梁安装竖向压强传感器则需要顶升梁体，不仅花费巨大，也可能操作不当而导致桥梁开裂。通过构建支座相关的性能监测指标，对支座的工作性能进行评估，进而可以对混凝土梁桥结构的整体工作性能的评估提供依据。因此我们有必要针对现有技术的不足，而提供一种桥梁橡胶支座的性能监测方法。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提出一种桥梁橡胶支座的性能监测方法，其能够及时检测出桥梁橡胶支座的健康状态。
为了实现上述目的，本发明提出的一种桥梁橡胶支座的性能监测方法，包括如下步骤：
S1:计算橡胶支座理论水平刚度，根据桥梁结构数据和支座材料数据计算出橡胶支座理论水平刚度；
S2:计算橡胶支座摩擦滑移后水平刚度，根据支座产品试验数据计算出橡胶支座的临界水平刚度；
S3:计算橡胶支座刚度系数指标，根据监测到大气温度变化和支座相对位移变化计算出橡胶支座刚度系数指标；
S4:对比理论范围与指标数值，并对支座性能进行评价；
S5:辅助养护优先级决策。
优选的，S1中，计算橡胶支座理论水平刚度的方法为：
K1＝GA/t，
式中，G由橡胶支座本身材料确定，A为支座与主梁的接触面积，t为橡胶支座橡胶层的总高度。
优选的，S2中，橡胶支座发生摩擦滑移后水平刚度大幅减小，满足水平剪力超过临界摩擦力的条件,橡胶支座的水平摩擦力如下式所示：
Fmax＝μN,
式中，μ为滑动摩擦系数，N为支座所承担的竖向作用力；
在发生摩擦滑移后，橡胶座水平刚度满足下式：
K2＝μN/xy，
式中，xy为临界相对位移。
优选的，S3中，包括步骤S301，
可用线性关系描述水平剪力与相对位移的关系，如公式所示：
F(x)＝kx
式中，k为橡胶支座的等效剪切刚度，x为橡胶上部结构与墩顶的相对位移。
优选的，S3中，还包括步骤S302，水平剪力的来源主要为横荷载、动荷载、环境温度变化、混凝土收缩徐变作用，如公式所示：
F(x)＝FD+FL+FT+FC
在实际工程中，桥梁健康监测系统通常是在桥梁结构修建完成后安装的此时恒载与收缩徐变作用已完成，后期安装的传感器无法测量因其产生的相对位移，因此相对位移仅收温度与交通荷载作用下的水平剪切力影响：
F(x)＝FT+FL＝kxT+kxL
式中，FT为由温度产生的水平剪力，FL为由交通荷载产生的水平剪力，xT为由温度变化产生的相对位移，xL为由交通荷载产生的相对位移，当没有交通荷载时，相对位移的产生全部由温度变化而产生，当交通荷载通过桥梁时，由于通行时间短，相对位移的变化全部由交通荷载而产生。
优选的，S3中还包括步骤S303,
由于交通载荷所产生支座水平力的情况复杂且对监测的频率要求高，仅考虑温度变化梁体热胀冷缩效应造成的水平力的情况,在主梁梁端与桥墩之间安装位移传感器，监测支座的相对位移，同时测量大气温度，定义橡胶支座刚度系数指标如下：
K3＝ΔT/Δx
式中，ΔT为连续监测时间节点之间的温度变化量，Δx为连续监测时间节点之间的位移变化量。
优选的，在S4中，将橡胶支座刚度系数指标K3与橡胶支座理论水平刚度K1、橡胶支座摩擦滑移后K2范围进行比较；
若K3与K1相等，说明当前支座性能状况较好；
若K3落入K2临界范围以内，则说明橡胶支座的等效水平刚度减小，橡胶支座的橡胶层可能发生老化开裂或支座脱空病害；
若K3超出K2临界范围以外，则说明超过达到摩擦滑移的临界值，橡胶支座达到失效状态。
本发明具有以下有益效果：
本发明提出的一种桥梁橡胶支座的性能监测方法，其能够客观量化评价橡胶支座实际性能，解决了橡胶支座性能评价缺乏量化依据的问题，对众多的支座病害中客观量化地评估维修更换的优先级。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。
图1是本发明提出的一种桥梁橡胶支座的性能监测方法流程图。
图2是板式橡胶支座剪切变形图。
图3是橡胶支座侧向力与位移模型图。
具体实施方式
下面将结合附图、通过对本发明的优选实施方式的描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。
实施例
如图1所示，本发明提出的一种桥梁橡胶支座的性能监测方法，包括如下步骤：
S1:计算橡胶支座理论水平刚度，根据桥梁结构数据和支座材料数据计算出橡胶支座理论水平刚度。
在本实施例中，计算橡胶支座理论水平刚度的方法为：
K1＝GA/t，
式中，G由橡胶支座本身材料确定，A为支座与主梁的接触面积，t为橡胶支座橡胶层的总高度。
橡胶支座的弹性模量Ee和剪切模量Ge可由试验确定。常用的氯丁橡胶的硬度要求为邵氏55°～60°，适用于温度不低于-25℃的地区。根据国内资料，弹性模量的值可由下式确定:
Ee＝5.4GeS2
式中：S为支座的平面形状系数，由下式计算：
式中，a0为矩形支座短边长，b0为矩形支座长边长，t为支座中间层单层橡胶片的厚度，d0为圆形支座的直径。
常温下橡胶支座剪切模量Ge值可取1000kPa。
如图2所示，当支座仅发生剪切变形时，不同橡胶层与钢板层之间没有发生相对滑移，支座顶部与底部所发生的相对位移等于橡胶层的剪切变形长度，如下式所示：
式中，δ为支座的相对位移，t为橡胶层的总高度，γ为橡胶层的剪切角，G为剪切模量，τ为作用在支座上的平均剪应力，可以用下式计算：
式中，V为作用在支座上的剪力，A为支座与主梁的接触面积。综上可以剪力作用力与支座相对位移关系如下式：
因此，当支座仅发生剪切变形而未发生摩擦滑动时，作用在支座上的水平剪力与支座的相对位移呈线性关系，受氯丁橡胶的剪切模量、支座的与主梁的接触面积、支座橡胶层的厚度影响。当发生橡胶层老化开裂或支座脱空时，支座的等效水平刚度会发生变化。
S2:计算橡胶支座摩擦滑移后水平刚度，根据支座产品试验数据计算出橡胶支座的临界水平刚度。
如图3所示，在本实施例中，橡胶支座发生摩擦滑移后水平刚度大幅减小，满足水平剪力超过临界摩擦力的条件,橡胶支座的水平摩擦力如下式所示：
Fmax＝μN,
式中，μ为滑动摩擦系数，N为支座所承担的竖向作用力；
在发生摩擦滑移后，橡胶座水平刚度满足下式：
K2＝μN/xy，
式中，xy为临界相对位移。
综上所述，当发生摩擦滑移时，支座水平刚度大幅减小，发生摩擦滑移的临界位移受支座竖向作用力、滑动摩擦系数、支座剪切刚度影响。如果发实局部脱空或支座开裂等病害，发生摩擦滑移的临界位移会减小，从而发生摩擦滑移，支座等效水平刚度会大幅减小。
S3:计算橡胶支座刚度系数指标，根据监测到大气温度变化和支座相对位移变化计算出橡胶支座刚度系数指标。
在本实施例中，S3包括步骤S301、S302和S303,
S301，可用线性关系描述水平剪力与相对位移的关系，如公式所示：
F(x)＝kx
式中，k为橡胶支座的等效剪切刚度，x为橡胶上部结构与墩顶的相对位移。
S302，水平剪力的来源主要为横荷载、动荷载、环境温度变化、混凝土收缩徐变作用，如公式所示：
F(x)＝FD+FL+FT+FC
在实际工程中，桥梁健康监测系统通常是在桥梁结构修建完成后安装的此时恒载与收缩徐变作用已完成，后期安装的传感器无法测量因其产生的相对位移，因此相对位移仅收温度与交通荷载作用下的水平剪切力影响：
F(x)＝FT+FL＝kxT+kxL
式中，FT为由温度产生的水平剪力，FL为由交通荷载产生的水平剪力，xT为由温度变化产生的相对位移，xL为由交通荷载产生的相对位移，当没有交通荷载时，相对位移的产生全部由温度变化而产生，当交通荷载通过桥梁时，由于通行时间短，相对位移的变化全部由交通荷载而产生。
S303，由于交通载荷所产生支座水平力的情况复杂且对监测的频率要求高，仅考虑温度变化梁体热胀冷缩效应造成的水平力的情况,在主梁梁端与桥墩之间安装位移传感器，监测支座的相对位移，同时测量大气温度，定义橡胶支座刚度系数指标如下：
K3＝ΔT/Δx
式中，ΔT为连续监测时间节点之间的温度变化量，Δx为连续监测时间节点之间的位移变化量。
S4:对比理论范围与指标数值，并对支座性能进行评价。
橡胶支座的水平刚度主要由叠层橡胶提供，受剪力作用时叠层橡胶首先发生剪切变形，当其所承受的水平荷载超过摩擦材料的最大静摩擦力时，带动摩擦材料一起运动。
当橡胶支座仅发生剪切变形而未发生摩擦滑动时，作用在橡胶支座上的水平剪力与橡胶支座的相对位移呈线性关系，受氯丁橡胶的剪切模量、支座的与主梁的接触面积、支座橡胶层的厚度影响。
当发生摩擦滑移时，支座水平刚度大幅减小，发生摩擦滑移的临界位移受支座竖向作用力、滑动摩擦系数、支座剪切刚度影响。
在本实施例中，将橡胶支座刚度系数指标K3与橡胶支座理论水平刚度K1、橡胶支座摩擦滑移后K2范围进行比较；
若K3与K1相等，说明当前支座性能状况较好；
若K3落入K2临界范围以内，则说明橡胶支座的等效水平刚度减小，橡胶支座的橡胶层可能发生老化开裂或支座脱空病害；
若K3超出K2临界范围以外，则说明超过达到摩擦滑移的临界值，橡胶支座达到失效状态。
S5:辅助养护优先级决策。
在本实施例中，优先对橡胶支座达到失效状态的桥梁进行辅助养护和维修，其次再对橡胶层发生老化开裂或支座脱空病害的桥梁进行辅助养护。
上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。
