一种隔震支座水平位移监测装置与方法

技术领域

本发明涉及隔震支座位移测量技术领域，更具体的说是涉及一种隔震支座水平位移监测装置与方法。

背景技术

地震是一种危害极大的突发式自然灾害，地震中发生的房屋结构震害给人们带来了难以承受的损失。传统抗震思想以“小震不坏、中震可修、大震不倒”为设防目标，建筑结构依靠结构的变形来吸收并消耗地震能量。然而，当遭遇大地震时，完全依靠结构难以吸收并消耗巨大的地震能量。为了从根本上减小结构的地震能量输入，研究人员将目光由传统“抗震”转向“隔震”。与传统抗震技术不同，隔震技术的设防策略立足于“隔”，利用专门的隔震元件，在建筑之间设置隔震层，阻隔地震能量向上部结构传递。隔震支座是隔震结构体系中的关键构件，在安装和使用的过程中由于受到复杂的自身与环境的影响，会造成结构系统损伤，导致其抵抗自然灾害能力下降，给建筑物带来一定的安全隐患，增加地震造成人员伤亡的风险。对隔震支座进行健康测量，能有效评估结构的健康状态、了解结构性能退化情况、预测结构剩余寿命并对其进行加固修复或发出警报。

传统的隔震支座评估方式是人工评估，依据人为的外观检查、荷载试验等对其健康状态作出评估。然而，大型建筑中隔震支座不仅数量多且安装位置较高，人工评估方式不仅耗时耗力，还会增加测量人员的安全风险。随着传感器技术、信息采集技术以及测试分析技术的发展，结构健康测量在大型化、复杂化的工程中受到了高度重视并得到了广泛的应用。CN212153728U，一种建筑隔震支座测量装置通过设置位移传感器、激光发射器、摄像头和反光板实现四方向位移测量；CN214666598U，公开了一种隔震支座变形测量工具，通过使用弹性件和伸缩测量组件实现竖向位移测量；CN209295936U，公开了可检测位移的橡胶支座及其位移测量系统，通过使用滑动组件和位移检测装置实现横向和竖向位移测量。上述隔震支座位移监测装置，虽然无需人工干预情况就可以检测隔震支座位移，但仍存在一定的局限性，主要体现在：①隔震支座水平位移测量时需同时使用多个位移传感器，这种多个传感器组合实现多自由度位移测量的方法会存在多轴累计误差，导致测量精度下降。②随着传感器数量的增加，传感器布置及大量的信号传输线会导致测量装置成本增加。③每个传感器都需要单独设计安装位置，带来测量系统结构上的复杂。

因此，提供一种基于单个位移传感器即可实现多自由度位移测量的隔震支座水平位移监测装置，减少传感器的数量，提高测量精度、降低成本、简化结构的方案是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种隔震支座水平位移监测装置与方法，解决现有技术中使用多个位移传感器分别测量隔震支座水平方向位移方法测量精度低、成本高、结构复杂、安装困难的缺陷，实现了用一个传感器测量水平方向位移，为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种隔震支座水平位移监测装置，安装在隔震支座上，所述隔震支座包括第一连接板、第二连接板和支座；还包括：固定端、移动端、弹性元件、感知元件和采集装置；

所述固定端与第二连接板固定连接，所述移动端与第一连接板固定连接；或所述固定端与第一连接板固定连接，所述移动端与第二连接板固定连接；

所述弹性元件一端与固定端连接，另一端与移动端连接；所述感知元件粘接在所述弹性元件上；所述采集装置与感知元件电性连接，通过采集感知元件电阻变化值监测隔震支座第一连接板与第二连接板之间的水平相对位移。

可选的，所述固定端包括第二法兰盘，所述第二法兰盘通过升降螺丝与升降座固定连接；所述升降座沿轴向设置第二螺纹孔，所述升降座通过第二螺纹孔与隔震支座第二连接板螺栓连接；

所述移动端包括第一法兰盘，所述第一法兰盘沿轴向设置第一螺纹孔，所述第一法兰盘通过第一螺纹孔与隔震支座第一连接板螺栓连接。

可选的，所述监测装置两端设置升降座，所述升降座通过螺纹孔与隔震支座连接板螺栓连接，所述升降座通过螺纹孔与法兰盘固定连接。

可选的，所述弹性元件呈圆柱状，为热塑性聚氨酯弹性材料。

可选的，所述采集装置包括电桥和放大电路，通过电桥将感知元件形变产生的电阻变化信号转化为电压变化信号。

可选的，所述监测装置两端设置有升降座，通过调节升降座适配隔震支座第一连接板与第二连接板的间距。

可选的，所述感知元件为应变片，所述应变片贴附固定于所述弹性元件表面，所述应变片采集弹性元件的形变。

可选的，所述监测装置两端上设置有水平仪，通过水平仪检验是否水平。

可选的，所述放大电路通过运算放大器，对信号进行放大。

可选的，一种隔震支座水平位移监测方法，包括：

步骤1：将一种隔震支座水平位移监测装置安装在隔震支座第一连接板与第二连接板间；

步骤2：隔震支座第一连接板位移带动所述移动端或所述固定端，使所述弹性元件发生形变；

步骤3：所述感知元件受力，所述感知元件电阻值发生变化；

步骤4：所述采集装置将所述感知元件电阻变化信号转化为电压变化信号。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种隔震支座水平位移监测装置与方法，具有以下有益效果：

本发明提供的一种隔震支座水平位移监测装置，应用于隔震支座变形监测，通过一个传感器实现X方向、Y方向的位移监测。

本发明提供的一种隔震支座水平位移监测装置，设置升降座，可以通过调节升降座适配隔震支座两连接板间的高度，便于安装。

本发明提供的一种隔震支座水平位移监测装置，核心部件是弹性元件，可以通过更换不同长度的弹性元件适配隔震支座两连接板间的高度，弹性元件成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种隔震支座水平位移监测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种隔震支座水平位移监测装置的结构主视图；

图3是本发明实施例提供的一种隔震支座水平位移监测装置的尺寸图；

图4是本发明实施例提供的一种隔震支座水平位移监测装置的应变片布片方案图；

图5是本发明实施例提供的一种隔震支座水平位移监测装置的电压输出电桥图；

图6是本发明实施例提供的一种隔震支座水平位移监测装置的电压放大电路图；

图7是本发明实施例提供的一种隔震支座水平位移监测装置应用于隔震支座位移监测的安装图；

图8是本发明实施例提供的一种隔震支座水平位移监测装置应用于隔震支座位移监测的使用状态图；

图9是本发明实施例提供的一种隔震支座水平位移监测装置的3次循环X方向位移对应的输出电压值点线图；

图10是本发明实施例提供的一种隔震支座水平位移监测装置的X方向拟合后位移对应的输出电压值点线图；

图11是本发明实施例提供的一种隔震支座水平位移监测装置的3次循环Y方向位移对应的输出电压值点线图；

图12是本发明实施例提供的一种隔震支座水平位移监测装置的Y方向拟合后位移对应的输出电压值点线图。

其中，1-1：第一法兰盘；1-2：第二法兰盘；1-3：升降螺丝；1-4：升降座；1-5：第一螺纹孔；1-6：第二螺纹孔；2：弹性元件；3：感知元件；4：水平仪；5-1：隔震支座第一连接板；5-2：隔震支座第二连接板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种隔震支座水平位移监测装置，安装在隔震支座上，所述隔震支座包括第一连接板、第二连接板和支座；还包括：固定端、移动端、弹性元件2、感知元件3和采集装置；

所述固定端与第二连接板固定连接，所述移动端与第一连接板固定连接；或所述固定端与第一连接板固定连接，所述移动端与第二连接板固定连接；

所述弹性元件2一端与固定端连接，另一端与移动端连接；所述感知元件3粘接在所述弹性元件上；所述采集装置与感知元件3电性连接，通过采集感知元件电阻变化值监测隔震支座第一连接板与第二连接板之间的水平相对位移。

进一步的，一种隔震支座水平位移监测方法，包括：

步骤1：将一种隔震支座水平位移监测装置安装在隔震支座第一连接板与第二连接板间；

步骤2：隔震支座第一连接板5-1位移带动所述移动端或所述固定端，使所述弹性元件2发生形变；

步骤3：所述感知元件3受力，所述感知元件电阻值发生变化；

步骤4：所述采集装置将所述感知元件电阻变化信号转化为电压变化信号。

进一步的，如图1所示，本发明提供了一种隔震支座水平位移监测装置，适用于测量隔震支座两连接板之间的水平相对位移。本实施例中以测量隔震支座两连接板间水平相对位移为例进行详细阐述；

如图1所示，固定端包括第二法兰盘1-2，第二法兰盘1-2通过升降螺丝1-3固定在升降座1-4上，弹性元件2一端插入第二法兰盘1-2，升降座1-4使用螺钉安装在隔震支座第二连接板5-2上；移动端包括第一法兰盘1-1，弹性元件2另一端插入第一法兰盘1-1，第一法兰盘1-1使用螺钉安装在隔震支座第一连接板5-1上。第一法兰盘1-1在盘面沿轴向设置第一螺纹孔1-5，升降座在座面沿轴向设置第二螺纹孔1-6，便于螺纹固定；

如图1所示，弹性元件2呈圆柱状，通常由热塑性聚氨酯弹性材料组成，在其他实例中也可以是其他蠕变小、抗断裂性能好的非金属、橡胶类材料。本实例中，弹性元件2的横截面为圆形；

如图1所示，感知元件3为应变片，可测弹性元件2上的应变变化，对隔震支座水平位移监测装置而言，应变越大传感器灵敏度越高，可通过弹性元件2最大应变区域来确定应变片的贴片位置。

进一步的，，在So l i dworks中建立多种不同形状的弹性元件模型。弹性元件模型不易施加载荷和约束，为了模拟实际变化，还应建立对应的法兰盘模型组成装配体。将上述模型导入ANSYS Workbench对其进行静态结构仿真分析。

进一步的，通过仿真的仿真结果表明，两侧圆柱中间四棱柱体的最大应变区域分散且不规则，两侧四棱柱中间圆柱体的最大应变区域分散且不规则，八棱柱体最大应变区域小且接近固定端法兰盘，四棱柱体最大应变区域集中在棱柱上，小圆角四棱柱体应变区域呈犄角状，大圆角四棱柱体应变区域呈犄角向中间靠拢状，圆柱体最大应变区域集中且距离固定端法兰盘有一定的距离，通过对不同形状的弹性元件模型做相同形变的有限元分析可以得出，圆柱体的最大应变区域最集中且距离法兰盘有一定的距离，最适合贴应变片。

进一步的，如图4所示，感知元件3为若干应变片，若干应变片用粘贴的方式设于弹性元件2圆柱体上。本实施例中，隔震支座水平位移监测装置若干应变片粘贴位置有如下几种：如图4所示，是将弹性元件2表面展开，若干应变片的粘贴方式图。图中R1、R3用作X位移方向的测量，R2、R4用作Y位移方向的测量。

进一步的，如图5所示，将应变片R1、R3与桥路1连接，则应变片只对位移X敏感，当移动端产生沿X方向位移时，R1增加、R3减小，或R1减小、R3增加，且R1、R3的变化量大小相等；当移动端产生沿Y正方向位移时，R1、R3不变。当移动端产生沿Z方向位移时，R1、R3同时增加或减小且变化量相等，由于R1、R3接入相邻的桥臂所以抵消了Z方向位移的作用；

如图5所示，将应变片R2、R4与桥路2连接，则应变片只对位移Y敏感，当移动端产生沿Y方向位移时，R2增加、R4减小，或R2减小、R4增加，且R2、R4的变化量大小相等；当移动端产生沿X方向位移时，R2、R4不变；当移动端产生沿Z方向位移时，R2、R4同时增加或减小且变化量相等，由于R2、R4接入相邻的桥臂所以抵消了Z方向位移的作用。

进一步的，如图3所示，定义L为第一法兰盘1-1与第二法兰盘1-2之间弹性元件的长度，定义l为任一点距离第二法兰盘1-2的距离，定义S为弹性元件2截面面积，定义D为弹性元件2截面直径，定义E为弹性元件2的弹性模量，定义x为弹性元件2在X方向上的平移量，定义y为弹性元件2在Y方向上的平移量，定义z为弹性元件2在Z方向上的平移量。

在X方向施加位移载荷时，X方向位移与该方向力的关系为：

式中，E为弹性元件2的弹性模量，I为弹性元件2的惯性矩，F

在Y方向施加位移载荷时，Y方向位移与该方向力的关系为：

式中，F

X方向力与应变关系为：

ε

Y方向力与应变关系为：

根据以上关系，X方向应变与位移的关系为：

Y方向应变与位移的关系为：

感知元件3通常为应变片，由应变片本身特性可知

式中，ΔR为应变片阻值变化量，R为应变片阻值，k为应变片的灵敏系数。

应变片作为一种将结构应变转换为电阻变化的无源传感器，其电阻变化可通过电桥电路进一步转换为电压或电流的变化。

当弹性元件2向X方向产生弯曲时，粘贴在弹性元件2表面的应变片就会和弹性元件2产生协同变形，弹性元件2产生的形变可以近似看作是应变片的形变，应变片电阻值发生变化，采用如图7左图所示差动电桥电路转化为电压变化。可得输出电压U

式中，R

输出电压U

可得输出电压U

灵敏度K为：

因此，隔震支座水平位移监测装置的灵敏度与弹性元件2的长度、弹性元件2的直径、感知元件3的灵敏系数、输入电压有关。

进一步的，如图6所示，差动电桥输出电压属于微弱电压信号范畴，为了把微弱信号放大到正常被感知的水平，需要借助于放大电路；

如图6所示，使用OP07运算放大器对信号进行放大，该器件具有低偏移、低功耗、高精度和高共模抑制比的优点；

如图6所示，使用的电桥激励芯片为TL431，它是一款微型3引脚的可控精密稳压源，其工作温度范围为-10℃-85℃。

进一步的，如图7所示，将一种隔震支座水平位移监测装置安装在隔震支座上第一连接板与第二连接板间。

进一步的，如图8所示，隔震支座第一连接板空间位移带动移动端产生空间位置变化，移动端产生空间位置变化使弹性元件2产生形变，若干感知元件3受力，若干感知元件3电阻值发生变化，采集装置将所述感知元件电阻变化信号转化为电压变化信号，以计算隔震支座第一连接板在空间产生的位置变化。

如图8所示，隔震支座水平位移监测装置的移动端随隔震支座第一连接板移动在空间产生位置变化，当隔震支座第一连接板沿X(Y)方向运动时，集中力作用在弹性元件2上，弹性元件2产生弯曲变形，若干应变片受力，若干应变片电阻值发生变化，采集装置将所述感知元件电阻变化信号转化为电压变化信号，电压变化与X(Y)方向位移成对应关系。

进一步的，如图1所示，水平仪4设置于固定端或移动端上，检验是否水平。

进一步的，对位移传感器的静态性能进行测试：

将隔震支座水平位移监测装置固定后，移动端向X方向移动时，以5mm为步长，依次拉移动端至满量程40mm，每个位移点处停留3～5s，待输出电压稳定，记录此时电压数据，然后再依次减小位移至零。该过程连续测试3个循环。

如图9所示，3次循环实验中每个位移点对应的输出电压值。

如图10所示，6组数据取求取算术平均值，并采用最小二乘法对数据进行直线拟合后位移对应的输出电压值。

由拟合直线可知，在量程为40mm时，传感器的X方向位移灵敏度为63.11mV/mm，线性相关系数为0.9990，线性度为1.74％，迟滞误差为0.76％，重复性误差为0.62％，由方和根法可计算出传感器总精度为2.00％。

进一步的，对位移传感器的静态性能进行测试：

将隔震支座水平位移监测装置固定后，移动端向Y方向移动时，以5mm为步长，依次拉移动端至满量程40mm，每个位移点处停留3～5s，待输出电压稳定，记录此时电压数据，然后再依次减小位移至零。该过程连续测试3个循环。

如图11所示，3次循环实验中每个位移点对应的输出电压值。

如图12所示，6组数据求取算术平均值，并采用最小二乘法对数据进行直线拟合后位移对应的输出电压值。

由拟合直线可知，在量程为40mm时，传感器的位移灵敏度为63.24mV/mm，线性相关系数为0.9989，线性度为1.85％，迟滞误差为1.21％，重复性误差为0.56％，由方和根法可计算出传感器总精度为2.28％。

本实施例所提供的隔震支座水平位移监测装置，应用于隔震支座变形监测，实现了通过一个监测装置就可以监测水平方向的位移。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。