摘要：本项目以影响桥梁健康与安全的重要构件支座为对象，通过协同创新，多学科交叉融合，基于先进的纳米导电橡胶传感技术，采用理论分析、数值仿真、材料与模型试验等研究手段，突破大量程压力传感、多维测力自感应支座结构、远程监测数据无线传输与识别、支座状态评估和预警决策等关键技术，集成开发具备实时数据采集、自动处理、准确评估和远程预警等功能的桥梁智能支座状态监测与安全评估系统。可有效规避现有大型桥梁健康监测系统监测指标多、数据实时处理分析困难、效率低、维护费用高等问题，对各类桥梁具有普遍适用性，可实现对多座桥梁支座的实时在线监测、安全评估和多级预警，并具备智能化的风险对策分析和管理功能，有助于改变现有落后低效的桥梁管养模式，有效提高桥梁全寿命期安全性、经济性和防灾减灾能力。本项目研究成果为建设高效低碳的智能交通系统提供依据，为城市的正常经济秩序提供保障，有利于健全跨部门的主动、预应式社会安全和应急信息管理体系，推进智慧城市、智能交通、物联网的建设，为社会的全面、协调、可持续发展提供有力的基础设施支撑，对我国交通强国战略的实现具有一定贡献。

　　关键词：智能盆式橡胶支座；薄膜式纳米导电橡胶压力传感器；支座状态多维分级评估；数据采集与传输设备；支座健康监测系统

　　一、研究背景

　　“智慧地球”概念的提出明确了桥梁、公路、铁路、隧道等公共交通运输系统是其重要组成部分，同时十九大报告首次明确了建设“交通强国”的发展战略，提升交通基础设施全寿命周期的安全性、经济性和智能化成为一重大战略方向。

　　桥梁作为智慧城市公共交通系统的重要组成部分，在中国经过几十年建设的快速发展，中国已一跃成为世界上桥梁数量最多的国家。根据2021年交通运输部行业发展统计公报显示，截至2021年底全国公路桥梁96.11万余座，建设速度将逐渐接近峰值，现在及未来我国将长期面临艰巨的桥梁运营期的管养问题。如何保障桥梁运营期的安全性、提高管养效率，已成为交通基础设施管理部门及工程界共同面临的巨大挑战，而桥梁运营服务期间的健康监测和安全评估又具有促进经济发展和保障生命安全、社会稳定的双重战略意义。上世纪八十年代以来，针对桥梁健康状况的实时监测、评估和预警技术已成为学术界、工程界的研究热点，并且在一些大型特殊桥梁工程中取得了一定范围的应用。但实践证明，现有桥梁结构健康监测和安全评估系统由于传感、数据分析、损伤识别等方面理论和技术上的局限性，智能化程度较低，尚不能满足桥梁的智能化管养需求。目前，普通桥梁管养维护仍普遍采用人工定期巡检、试验检测、专家评估的方式进行，费时费力，效率低下，智能化程度不高，而且难以保证评估的准确度，突发的结构病害仍不可避免。因此，提高桥梁运维和管养技术的智能化水平是提高桥梁工程寿命和耐久性的重要保证，研发针对桥梁结构安全的智能监测技术和设备已成为必然选择和重要出路。

　　桥梁支座普遍存在于各类桥梁中，是桥梁上、下部结构之间传递荷载、保证桥体安全、调节形变的重要构件，通过监控支座受力评价桥梁结构健康状况，成为一种直接而高效的提升桥梁安全性的智能化途径。但桥梁支座安装位置隐蔽，传统的人工检测方法无法准确判断其损伤及破坏程度。研发具备自感应能力的桥梁支座，开发桥梁智能支座健康监控系统，根据支座构造和病害特征，挖掘支座多维受力与病害指标间的内在关联关系是准确、实时评估支座健康状况的唯一途径，有助于实现对桥梁病害的及时发现和处理，有效降低桥梁失效风险。但目前，关于桥梁智能支座方面的研究仍较少，支座状态智能化评估技术也处于空白，急需突破。因此，针对桥梁智能支座传感技术、数据传输技术、支座结构的研发和支座状态评估系统的建立，在填补国内外多项技术空白、及时获取服役桥梁运行状态、病害分析、安全预警及智能养护决策等方面具有重要的工程与科学价值。

　　本项目创新性提出了基于智能传感技术的桥梁支座状态监测与安全评估关键技术研究，其显著优势在于：1）桥梁支座普遍存在于大中小型桥中，支座性能直接影响桥梁安全性，本项目可通过有效传感技术直接监测支座损伤，无需经过复杂且不确定的损伤识别过程，使得支座性能评估的准确性和精度更高；2）规避了现有大型桥梁监测系统数据庞杂、实时分析困难的弊端，运行效率更高；3）桥梁支座的专项研发，不仅有利于桥梁进行针对性的养护措施，还适用于各类大中小型桥梁支座，其推广价值及产业化前景更好。本项目还将在纳米导电橡胶压力传感技术、分布式测力型智能支座装置、长期监测数据的无线传输与处理技术、桥梁安全实时评估技术等方面取得突破，建立通用型路网级桥梁智能支座健康监测和在线安全评估系统，实现对服役桥梁支座运行状态的及时获取、病害分析、安全预警及养护决策，填补国内外多项技术空白，对构建服役桥梁支座健康状况高精度、量化无损检测技术体系具有重要的工程与科学价值。

　　本项目着眼于现代交通基础设施信息化管理以及智能化的迫切需求，致力于桥梁安全性和防灾减灾能力，以桥梁支座为研究对象，基于先进适用的纳米导电橡胶压力传感技术，结合对智能支座装置的研发、无线传输及信号处理技术的研究，实现对路网级多类桥梁支座性能、受力状态的实时监测和高效利用。这将促进城市桥梁智能管养体系的建立，推进城市管理智能化，为建设高效低碳的智能交通系统提供依据，为城市的正常经济秩序提供保障，为社会的全面、协调、可持续发展提供有力的基础设施支撑。通过在广东省先行先试，也将对我国交通强国战略的实现具有重要意义。

　　二、研究思路

　　本项目针对桥梁支座建立一套完备的在线状态监测与安全评估系统，该系统同时具备智能化、实时化、远程化、自动化、集成化等特性。目前，针对技术现状仍需解决以下几个关键技术问题：

　　1）研发适宜监测桥梁支座受力的大量程纳米导电橡胶压力传感技术，以提高支座监测指标的准确度和传感器耐久性。

　　2）研发具备分布压力监测和自感应功能的桥梁智能支座。基于精细化结构设计，优化支座结构，植入传感单元，形成新型自感应支座结构，实现支座压力分布式监测要求，更为全面、实时的掌控桥梁支座工作状态，并实现产品化。

　　3）研究桥梁支座长期与实时监测数据的高效、综合处理技术。针对长期在线监测产生的海量数据，研究科学方法实现数据的特征挖掘、分析，建立影响支座安全的多指标评判体系。

　　4）研发集数据采集、传输、处理各模块为一体的，适用于桥梁支座长期监控的便携式监测硬件系统。实现对监测数据高频率、高精度、多通道的采集、对监测信号有/无线多通信方式的传输，对硬件系统的多方式供电，提高监控系统布置的灵活性。

　　5）研究建立桥梁支座安全评估软件平台、风险预测和对策发布机制。针对支座状态评估等级，结合工程经验，建立匹配的预警和处理策略，切实服务于桥梁智能管养。

　　本项目是一系统性工程，包括针对传感技术的理论和试验研究、针对桥梁智能支座性能的数值仿真分析和试验研究、集信号采集、传输、处理技术为一体的软硬件开发等多目标的任务分工。针对不同的研究内容采取的研究方法主要有理论分析、高精度数值仿真分析、实验研究、实际工程应用等。整个研究的实施步骤如图 1所示。

图 1 技术方案实施步骤

　　三、研究内容

　　为提高桥梁设施全寿命期的安全性和管养经济型，本研究以影响桥梁健康与安全的重要构件支座为对象，基于先进的纳米导电橡胶传感技术，研发具备实时数据采集、自动处理、准确评估、远程预警和决策的桥梁智能支座健康监控系统，主要研究内容如下：

　　（1）大量程纳米导电橡胶压力传感技术

　　本项目开展了大量程纳米导电橡胶压力传感技术研究。研发出了一种适用于桥梁支座高压状态长期监测的大量程纳米导电橡胶薄膜压力传感器，建立了稳定的制备工艺，实现了小批量制作。

　　首先，选用PDMS（信越KE-1310ST、陶熙DOW-184）为基体材料，导电CNTs 为导电填料成功制作了0 ~ 13.9 MPa的小量程纳米导电橡胶传感器。之后，对基体材料和导电填料进行了优化，选用高强度气相硅胶为基体材料，从瓦克R01-40、中晨蓝光GS-1040U、中晨蓝光GS-1050U、中晨蓝光GS-110/2s、迈图TSE260-7U中，优选中晨蓝光GS-1050U为最佳基体；从黒钰超导电炭黑Beablack-SCT、益瑞石360G、ZD-CNTs、普通导电炭黑CB中，优选Beablack-SCT为最佳导电填料；并优化对密炼工艺进行了优化，研究了Beablack-SCT导电炭黑在GS-1050U的最佳使用阈值为6.0% ~ 6.5% 质量分数。进一步的，对纳米导电橡胶传感器的结构进行了第一层为防止应力集中的高分子缓冲层、第二层为不锈钢外封装保护层的双层封装结构设计。同时，对传感器稳定性进一步优化，分别用单层双电极结构提升传感器的灵敏度，利用真丝织物为骨架制备了具有织物纹理的导电橡胶复合材料薄膜，制作的薄膜传感器厚度控制在0.5 ~ 2.0 mm范围，大大提升了传感器在0 ~ 40 MPa高压力条件下的稳定性能，使得研制压力传感器能满足桥梁支座应力监测的量程及尺寸要求，提升了传感器的动态压电信号稳定性和线性度，提高了传感器压电信号响应速度，确保了所研制压力传感器具有较好的响应恢复特性、重复性和机械稳定性。最终研发的大量程纳米导电橡胶薄膜压力传感器满量程输出可达40 MPa，厚度仅1.8 mm，输出电阻信号ln(R/Ω)与压强信号ln(P/MPa)呈良好线性关系：ln(R/Ω) = 17.88788 - 1.453ln(P/MPa)，线性相关系数R2达0.99824，拟合度高，线性一致性好。

　　（2）具备自感应功能的桥梁智能盆式橡胶支座研发

　　在基本不改变传统盆式橡胶支座结构形式和基本功能的前提下，本项目通过在常规盆式橡胶支座钢盆侧壁开孔、嵌入自主研发的纳米导电橡胶压力传感器，研制出一种具备多点应力监测功能和自感应能力的桥梁智能盆式橡胶支座，图2即为双向滑动智能盆式橡胶支座结构示意图。

图2 双向滑动智能盆式橡胶支座结构示意图

　　注：1-顶板；2-不锈钢滑板；3-聚四氟乙烯板；4-中间支撑板；5-盆座；6-橡胶板；7-密封垫圈；8-防尘圈；9-垫片；10-固定脚；11-纳米导电橡胶压力传感器；12-锁紧螺母。

　　智能盆式橡胶支座主要由顶板、橡胶板、纳米导电橡胶压力传感器、紧固装置和盆座组成。其中，顶板用于与桥梁固定连接，盆座用于与桥墩固定连接，盆座内固定设置有橡胶板，顶板的下端面与橡胶板的上端面在顶板重力作用下接触，盆座的侧壁沿周向设置有四个同一高度且贯穿盆座侧壁的传感器通道，纳米导电橡胶压力传感器设在传感器通道内并与橡胶板侧壁通过紧固装置刚好接触。此时，设置在盆座内的橡胶板侧面和底面均受限于盆座，使得橡胶板在受到经顶板传递来的压力后变形，并挤压沿盆座周向设置的4个纳米导电橡胶压力传感器，进而基于各压力传感器监测到的橡胶板横向压力反推支座承受竖向载荷，评估支座当前转动和滑移状态。同时，纳米导电橡胶压力传感器沿盆座侧壁周向设置，使得压力传感器不参与支座结构受力，从而能够长期、稳定的监测支座所受竖向载荷，并通过各压力传感器监测值间的偏差，评估支座是否有偏载或局部脱空的状况。

　　以示范应用工程山竹沟垌中桥为例，通过整体桥梁模型分析，完成了对适用于该工程的智能盆式橡胶支座选型；通过精细化数值仿真分析，从支座竖向设计承载力、橡胶板和聚四氟乙烯板容许压应力、支座钢构件受力性能、支座转角、支座容许位移量和压缩变形量、钢盆盆环上口径向容许变形量、承压橡胶边缘最大竖向变形量等9个维度，全面论证了所选盆式橡胶支座运用于示范工程的可行性。

　　最后，基于智能支座设计概念和选取的盆式橡胶支座尺寸，通过市场上成熟的桥梁支座生产厂商，加工出了可运用于示范工程的智能支座实物。

　　（3）智能盆式橡胶支座状态评估技术研究

　　本项目采用数值仿真分析与试验相结合的技术路线，开展了智能盆式橡胶支座状态评估技术研究。首先，基于智能支座各测点应力值随支座转动、滑移方向和量级不同的变化特点，提出了支座承受竖向荷载反演方法；其次，综合考虑四个测点应力变化，提出了标准化应力比概念，并基于此，给出了针对主梁正常使用极限状态、主梁承载能力极限状态、支座脱空、支座位移或转角超限等不同状态预警需求的预警阈值确定方法，系统地提出了一套支座状态评估和支座反力反演方法。

　　以示范应用工程山竹沟垌中桥为例，建立了可模拟该桥支座多种工作状态的支座全实体精细化模型，研究了多种支座转角和位移工况下，支座转角、位移与标准化应力比指标间的关联关系，明确了支座状态多级评估的各级阈值。进一步地，以施加在支座精细化模型的竖向荷载作为理论值，利用所提支座反力反演方法得到的竖向荷载作为估计值，通过误差分析表明竖向荷载最大估计误差不大于4.0%，验证了所提支座反力反演方法的可行性和有效性。

　　通过开展智能盆式橡胶支座承载力试验，发现智能支座在试验完成后，未出现橡胶板压坏、挤出，钢盆侧壁传感器孔等薄弱部位开裂等问题，支座各部件完好无损，验证了所设计智能盆式橡胶支座的承载能力可满足实际工程需求；通过开展智能盆式橡胶支座反力反演试验，修正了支座反力计算公式，进一步提高了支座反力估计值的精确度；通过开展智能盆式橡胶支座状态评估试验，给出了不同支座转角、位移工况下，智能支座转角、滑移量与支座四个应力监测值间的关联关系，验证了支座转角、位移状态评估方法的有效性和准确性，并基于测点应力比标定支座转角、位移状态的多级预警阈值，为智能支座在实际应用过程中的状态评估提供了具体的多级评判标准。

　　（4）桥梁智能支座状态监测与安全评估系统硬件模块研发

　　针对本项目研发的纳米导电橡胶压力传感器和智能支座，以及桥梁智能支座状态监测与安全评估系统高传输频率、高精度、适用性封装等新性能需求，对传感器参数进行设计，给出了相应的匹配电路集成设计方案，研发出了专用的多通道同步采集与传输设备，单个设备最大32个通道，采集频率100Hz内可调，并实现了两种传输方式切换，具有便携性和布置灵活的优势。详细介绍了构成数据采集节点的硬件功能模块设计，并综合考虑桥梁跨径、传输距离和现场铺设管线的可行性等问题，设计了支座应力监测数据有线、无线两种通信方式的传输方案；对桥梁智能支座状态监测与安全评估系统设计了蓄电池直接供电和太阳能供电等多种供电方案，并通过对市场上多种电源的工作原理、性能、使用寿命、成本费等的综合对比，给出了满足桥梁支座健康监测系统长期供电需求的各电源模块的选择。

　　制作了桥梁智能支座状态监测与安全评估系统硬件样机，实现了可自由切换的有线和无线两种传输模式，以及可自由切换的外接电源和太阳能板绿色能源供电两种供电形式，符合国家双碳发展方向的战略需求。

　　（5）桥梁智能支座状态监测与安全评估系统平台搭建

　　以桥梁支座的状态监测与安全评估技术为核心，基于研发的系统硬件设备，研发了配套的路网级桥梁智能支座状态监测与安全评估系统软件平台，可实时对多座桥梁的智能支座监测数据进行处理、存储、评估和发布预警信息。详述了该软件平台的框架、Windows客户端、Web客户端、移动客户端等三种客户端所能实现的数据查看和管理等功能。

　　开发完成上位机数据库系统和路网级桥梁智能支座状态监测与安全评估系统软件大平台，实现了对不少于2座桥梁、200个数据节点的同步实时监测、数据存储与处理，并能根据所设定的阈值条件，生成报警提示信息，为后续更多功能的开发留有扩容功能；具有多模块传感数据融合的特征。整个系统的可靠性不少于5k小时，建立的网络故障时的存储和续传应急机制，也已通过第三方检测机构鉴定。

　　四、创新点与特色

　　本项目的主要特色在于，以对桥梁整体安全有重要影响的支座结构为对象，从传感技术、智能支座结构、数据采集、处理、评估预警技术等方面开发了成套的软硬件，运行效率更高，为各类桥梁的健康监测、风险评估、智慧管养提供了一种有效的解决手段。主要的创新点包括：

　　（1）研发的大量程纳米导电橡胶压力传感器，量程达0 ~ 40 MPa，厚度1.8 mm，在桥梁支座高应力状态下工作性能指标表现良好，且明显优于市场上现有的同类传感器，解决了支座高压状态监测问题。

　　（2）研发的新型智能盆式橡胶支座，基本不改变传统支座结构和工作机理，具备分布压力监测功能和自感应能力，可同步监测四个测点应力，可全面反应支座的受力与变形状态，功能明显优于已有的一些单指标监测支座。

　　（3）首次基于盆式橡胶支座橡胶板的四个测点应力，提出了对支座承受竖向荷载、转角、水平位移的评估方法，以及针对支座脱空、荷载或变形超限等不同状态的预警方法。该方法兼顾支座应力监测的分布性和长期性，实现了对支座压力和形变状态的多维准确测算、多级预警。

　　（4）研发的智能支座压力监测采集与传输模块，具备高传输频率、多通信方式、多供电方式等特点，远距离无线传输可靠性高，便携性好，现场布置灵活，可推广性强。

　　（5）通过软硬件集成开发，首次搭建起路网级桥梁智能支座健康监测与在线安全评估系统，实现了对多座桥梁支座数据的实时在线采集、无线传输、处理分析、安全评估和及时预警等，并具备智能化的管理功能。

　　五、成果市场推广应用前景分析    

　　（1）纳米导电橡胶压力传感器

　　目前，纳米导电橡胶的研究以炭黑填充型为主，基于纳米导电橡胶的压力传感器多数仍处于研发阶段，而部分取得商业应用的纳米导电橡胶传感器，受到灵敏度、稳定性和量程的限制，尚无法满足桥梁等领域持续、高压状态下应力监测的需求。本项目研发了以纳米导电橡胶材料为传感单元基础的、不同量程和型号的压力传感器。其中，以单层双电极叉指电极为电极，以融合有真丝织物纹理的导电橡胶复合薄膜材料为传感材料，制成的传感器基本结构单元，通过双层封装结构封装制成了传感器。该传感器在0~40 MPa高压力条件下具有优良的稳定性能、灵敏度、压电信号响应速度以及线性度。基于此制成的新型智能支座实现了理念和技术的重大突破，对实现桥梁的智能管养有重大经济和社会效益。

　　开拓科研团队的业务内容和范围，将纳米导电橡胶压力传感技术在重点领域进行商业化应用，并不断迭代、优化纳米导电橡胶压力传感技术工业批量产方案和工艺技术。建立基于纳米导电橡胶传感技术的智能支座标准规范，并将以纳米导电橡胶传感技术为基础的智能支座技术在全国范围内推广，为桥梁安全提供保障，形成一套完善的设计分析理论和方法，以专利的形式确定桥梁支座压力传感器结构、确定工业生产相关标准，为广东企业在此领域的发展提供强有力的支撑。同时，努力将研制成果应用到实际施工过程中，基于物联网系统对传感器输出信号进行优化，建立桥梁智能支座状态监测与安全评估系统示范工程。

　　（2）桥梁智能盆式支座及状态监测与安全评估系统

　　支座在桥梁中发挥重要作用，影响桥梁的整体安全性；支座易发生病害，但又长期缺乏有效的监检测手段，实现支座状态的智能监测是提高桥梁智能管养水平的重要需求之一。本项目在基本不改变传统盆式橡胶结构和工作性能的基础上，开发了新型的具备分布式压力监测功能的自感应桥梁智能盆式橡胶支座，通过四点应力监测实现对支座服役状态的掌控，实现对支座受力与形变状态的实时评估和多级预警。

　　本项目研制的桥梁智能支座及支座状态监测与安全评估系统样机已在示范应用桥梁中投入使用，前期研究开展顺利，后期将进一步完善系统，并正式投产及推广至其他桥梁工程中应用，实现更大的经济和社会效益。可见，该产品具备良好的产业前景和市场潜力。

　　此外，本项目集成开发的桥梁智能支座状态监测与安全评估系统，对各类大中小型桥梁具有普遍适用性，可实现对多座桥梁支座的实时在线监测、安全评估和多级预警，并具备智能化的风险对策分析和管理功能，具有扩容功能。该系统将有效解决现有桥梁健康监测系统监测桥梁单一、监测目标多而杂、数据处理效率低下、维护费用高、智能化程度低等问题，具备良好的产业前景和市场潜力。

　　六、实施成效    

　　研究成果于2023年5月完成，得到了评审专家的一致认可，认为项目取得多项创新性成果，为桥梁支座的实时在线健康监测提供了解决方案，并进行了实桥应用，具有较高的推广应用价值。主要包括：

　　（一）本项目形成的相关技术、设备、软件等产品，已在湛江环城高速南三岛大桥工程中进行了实际应用，包括固定型、单向滑动型和双向滑动型三种支座，并为多个其他桥梁健康监测项目的设计与咨询提供了技术支持，近三年新增直接产值835万元，新增利润约86万元。

　　（二）本项目成功入选深圳市建设工程新技术推广目录，成为深圳市住建局未来推广和实现成果转化的新技术。

　　（三）本项目成果经科技成果等级，获广东省土木建筑学会科学技术奖（二等奖），为中小桥桥梁支座的智能管养提供一种直接而高效的解决方案，为桥梁智能支座的长期监测提供了便携式硬件系统和智能化、可视化的平台。