基于光纤传感器的叠层橡胶隔震支座健康监测方法

技术领域

本发明涉及一种隔震支座健康监测方法，具体涉及一种基于光纤传感器的叠层橡胶隔震支座健康监测方法。

背景技术

叠层橡胶隔震支座被大量应用于建筑、铁路及桥梁等抗、减隔震结构领域。这些产品在使用过程中受到复杂的自身和环境载荷效应作用，不可避免的发生产品的损伤积累，影响建筑、桥梁及其他结构的使用安全。

现有的国家标准只对隔震支座进行型式检测和抽样检测，即在叠层橡胶隔震支座出厂后进行剪切试验与破坏试验，但对隔震支座随存放时间及使用时间产生的老化无法进行考核。因此会带来以下问题：

(1)不能及时有效的反映产品的健康状态，严重影响到了产品在后期使用过程中的可靠性；

(2)对已安装支座进行的检测必须由人工进行，作业难度高，危险系数高，工作量大；

(3)在检测与维护时无法准确判定特定支座的使用情况，若将支座全部替换，工程周期长、成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于光纤传感器的叠层橡胶隔震支座健康监测方法，能够实现对叠层橡胶隔震支座健康状态的远程实时监控，提高监测的时效性与准确性，减少人工作业量。

所述叠层橡胶隔震支座的健康监测包括：橡胶层的弹性监测以及橡胶层与钢板粘接面是否脱粘的检测；

步骤一：建立叠层橡胶隔震支座的失效判据：

所述失效判据指所述叠层橡胶隔震支座失效时，设置在所述橡胶层内部以及所述橡胶层与钢板粘接面上的光纤传感器读数的变化；

步骤二：加工预埋光纤叠层橡胶隔震支座：

叠层橡胶隔震支座进行硫化前，将光纤传感器检测端固定在监测位，所述监测位包括所述叠层橡胶隔震支座橡胶层内部以及橡胶层与钢板粘接面上；并将所述光纤传感器的输出端引出叠层橡胶隔震支座；

步骤三：叠层橡胶隔震支座健康监测数据的采集、传输与判读

采用间隔采样的方式读取所述光纤传感器的数据，并将读取的数据传输至处理终端；所述处理终端利用步骤一所建立的叠层橡胶隔震支座的失效判据，对叠层橡胶隔震支座的健康状态进行判读。

作为本发明的一种优选方式，所述步骤一中，对叠层橡胶隔震支座的失效形式进行建模，在所述光纤传感器的输出信号与叠层橡胶隔震的支座失效之间建立对应关系，具体步骤为：

101：进行预埋光纤传感器叠层橡胶隔震支座试样的加工，预埋光纤传感器的位置包括橡胶层与钢板粘接界面以及橡胶层内部；

102：对预埋光纤传感器叠层橡胶隔震支座试样进行纵向加载试验，读取光纤传感器读数，建立橡胶层受正压力大小与光纤传感器读数间的关系；

103：对预埋光纤传感器叠层橡胶隔震支座试样进行横向剪切试验，读取光纤传感器读数，建立橡胶层剪切变形大小与光纤传感器读数间的关系；

104：分阶段对预埋光纤传感器叠层橡胶隔震支座试样进行加速老化试验，等效设定的室温老化时间，并分别进行预埋光纤传感器叠层橡胶隔震支座试样横向刚度的测试，读取光纤传感器读数，建立橡胶层老化年限、橡胶层硬度、光纤传感器读数间三者间的关系；

105：对预埋光纤传感器叠层橡胶隔震支座试样进行剪切破坏试验，读取光纤传感器读数变化。

作为本发明的一种优选方式，所述步骤二中，预埋光纤叠层橡胶隔震支座的加工方式为：

201：在叠层橡胶隔震支座上封板和下封板表面刷胶，将光纤传感器检测端固定至设定的监测位置；

202：放入生胶片，完成叠层橡胶隔震支座的预成型，将光纤传感器的输出端引出叠层橡胶隔震支座的外橡胶包覆层；

203：将叠层橡胶隔震支座进行硫化成型；

204：将叠层橡胶隔震支座脱模，处理光纤传感器输出端并预留接口，完成预埋光纤叠层橡胶隔震支座的加工。

作为本发明的一种优选方式，为完成光纤传感器的铺设与引出，在叠层橡胶隔震支座上封板和下封板内开孔，将光纤传感器的光纤与其外层橡胶保护套一起埋入叠层橡胶隔震支座层间，并采用热固胶对孔隙进行密封；所述光纤传感器输出端收纳在上封板或下封板上加工的环槽中。

作为本发明的一种优选方式，所述步骤三中，当需要对两个以上叠层橡胶隔震支座进行健康监测时：

对每个待监测的叠层橡胶隔震支座进行编号，在每个叠层橡胶隔震支座的光纤传感器的输出口安装数据采集装置与无线发射器，按照设定时间间隔进行数据采样与发送；

监测终端接收每个叠层橡胶隔震支座上的光纤传感器发送的数据，利用步骤一所建立的叠层橡胶隔震支座的失效判据建对接收到的数据进行判读，给出每个叠层橡胶隔震支座健康状态的判定。

有益效果：

(1)本发明在叠层橡胶隔震支座内预埋光纤传感器，通过预先建立的叠层橡胶隔震支座的失效判据，能够实现对叠层橡胶隔震支座健康状态的远程实时监控，提高了叠层橡胶隔震支座健康状态监测的时效性与准确性，减少了人工作业量，在难以进行人工检测的场合也可以对支座的健康状态进行评估，使叠层橡胶隔震支座的使用与检测更加安全可靠。

(2)对库存的及生产过程中的后续叠层橡胶隔震支座均能够采用本发明的健康监测方法进行实时监测，且后续叠层橡胶隔震支座均可预埋光纤传感器，然后采用本发明的健康监测方法进行实时监测；由此检测后续叠层橡胶隔震支座在长时间库存条件下、型检过程中、生产过程中、安装于建筑物地基底部的工作条件下、或经受地震载荷作用后，产品的性能参数有无变化及这些条件对产品的性能影响。

(3)本发明的健康监测方法能够及时有效的反映叠层橡胶隔震支座的健康状态，保证以交付安装的产品在后期使用过程中的可靠性；且对已安装支座进行的检测由远程计算机进行，大大降低了工作量，减少安全隐患；能够准确判定支座的使用情况，维护与更换支座更加具有针对性，降低成本。

附图说明

图1为叠层橡胶隔震支座预埋光纤方法示意图；

图2为预埋光纤叠层橡胶四重片试样示意图；

其中：1-光纤传感器、3-环槽、4-外橡胶层、5-上钢板、6-中钢板、7-内橡胶层、8-下钢板

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。

本实施例提供一种简单可靠的叠层橡胶隔震支座健康监测方法，能够提高叠层橡胶隔震支座健康监测的时效性与准确性，并提高监测的自动化、集成化程度。

叠层橡胶隔震支座包括层叠并粘接在一起的橡胶层和钢板，由于叠层橡胶隔震支座的失效形式主要包括粘接界面脱粘与橡胶老化变硬；因此，叠层橡胶隔震支座的健康监测包括：橡胶层的弹性监测以及粘接面粘接效果(是否脱粘)的检测。

基于光纤传感器的叠层橡胶隔震支座健康监测的原理为：利用光纤传感器对广义应变的敏感检测，基于橡胶在老化后硬度变高的特性，在叠层橡胶隔震支座内部设定位置埋入光纤传感器；通过光纤传感器采集光信号反应隔震支座的内部特性，并转化为电信号输出至终端；在终端进行数据集成与处理，利用事先建立的支座失效判据对电信号进行判读，进而给出隔震支座健康状态的分析结果，最终达到对隔震支座健康监测的目的。

基于光纤传感器的叠层橡胶隔震支座健康监测方法主要包括以下步骤：

步骤一：建立叠层橡胶隔震支座的失效判据

利用试样建立叠层橡胶隔震支座的失效判据；叠层橡胶隔震支座的失效形式主要包括粘接界面脱粘与橡胶老化变硬，因此需要分别针对两种失效方式带来的光纤传感器读数变化进行采集；为形成可靠的隔震支座健康状态判读模型，需对隔震支座的失效形式进行建模，在光纤传感器输出的光电信号与隔震支座的失效之间建立对应关系。

具体的，叠层橡胶隔震支座失效判据的建立方式如下：

101：进行预埋光纤传感器叠层橡胶试样的加工，预埋光纤叠层橡胶试样(以下简称试样)可采用如图2所示的橡胶四重片的通用形式，即叠层橡胶隔震支座为四层结构，其从上往下依次为：上钢板5-外橡胶层4-中钢板6-内橡胶层7-下钢板8；预埋光纤传感器的位置包括橡胶与钢板粘接界面(如图2所示的上钢板5与外橡胶层4粘接界面E和C、中钢板6与内橡胶层7粘接界面H和B)以及橡胶内部(如图2所示的外橡胶层4内部F和D以及内橡胶层7内部G和A)；

102：对试样进行纵向加载试验，读取光纤传感器读数，建立橡胶受正压力大小与光纤传感器读数间的关系；

103：对试样进行横向剪切试验，读取光纤传感器读数，建立橡胶剪切变形大小与光纤传感器读数间的关系；

104：分阶段对试样进行加速老化试验，等效室温老化时间10年、20年……70年，并分别进行试样横向刚度的测试，读取光纤传感器读数，建立橡胶老化年限、橡胶硬度、光纤传感器读数间三者间的关系；

105：进行剪切破坏试验，观察光纤传感器读数变化。

步骤二：预埋光纤叠层橡胶隔震支座的加工：

预埋光纤叠层橡胶的加工方式如下：

201：在叠层橡胶隔震支座上封板和下封板表面刷胶，将光纤传感器检测端固定至设定的检测位置(橡胶与钢板粘接界面以及橡胶内部)，即在叠层橡胶隔震支座进行硫化前，完成光纤传感器的预埋；

202：放入生胶片，完成叠层橡胶隔震支座的预成型，将光纤传感器的输出端引出隔震支座的外橡胶包覆层，并进行保护；

203：将隔震支座进行硫化成型；

204：将隔震支座脱模，处理光纤传感器输出端并预留接口，完成预埋光纤叠层橡胶隔震支座的加工；通过光纤传感器输出端的预留接口获得光纤传感器输出信号，从而对隔震支座内部的情况进行检测；

叠层橡胶隔震支座预埋光纤的方式如图1所示，为了完成光纤传感器1的铺设与引出，在上、下封板内开孔，将光纤与其外层橡胶保护套一起埋入隔震支座层间，并采用热固胶对孔隙进行密封。光纤尾部传感器1引出线部分外侧包裹锡纸，并收纳在上、下封板的环槽3中，避免加压硫化过程中发生损坏。

步骤三：隔震支座健康监测数据的采集、传输与判读

采用间隔采样的方式读取光纤传感器的数据，并采用无线发射的方式将读取的数据传输至处理终端，然后利用步骤一所建立的隔震支座健康状态的失效判据，对每个隔震支座的健康状态进行判读并给出结果。一旦发现问题，就可以及时并准确的找到需要维护或更换的隔震支座，再采用人工的方式进行处理。

具体的，隔震支座健康监测数据的采集、传输与判读方式如下：

301：对监测区域内的每个隔震支座进行编号，在每个隔震支座光纤的输出口安装数据采集装置与无线发射器，按照预定时间间隔进行数据采样与发送；

302：监测终端接收每个隔震支座光纤传感器发送的数据，利用建立的叠层橡胶隔震支座失效判据对数据进行判读，给出每个隔震支座健康状态的判定；

303：在数据异常时报警，定位异常数据来源(即依据编号确定哪个隔震支座数据异常)及隔震支座失效原因，按照标准对失效的隔震支座进行维护、更换等处理。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。