CN101586641A - 自适应调节剪切性能的叠层型智能隔震支座 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自适应调节剪切性能的叠层型智能隔震支座，该支座主要由磁组件、传感器(8)和控制器(9)组成，其中：磁组件由交替叠放在一起、形状相同并硫化处理成整体的磁流变弹性体(2)、导磁钢板(3)，以及与磁流变弹性体分离的、缠绕在导磁铁芯(6)上的线圈绕组(5)组成，它们装在上、下连接板之间，由此形成了一个完整的闭合磁回路；在磁路中间设有大变形软磁材料(7)；传感器装在上连接板(1)的顶部，控制器通过数据线分别与传感器、线圈绕组相连。本发明能够根据外部响应自适应改变其剪切性能；与普通橡胶隔震支座比较，本支座隔震层层间位移小、可控性强；与智能复合隔震系统比较，本支座结构简单、稳定性好。

Description

自适应调节剪切性能的叠层型智能隔震支座
技术领域
本发明涉及结构隔震技术领域，特别是涉及一种基于弹性体流变智能材料，其刚度和阻尼可以智能调节的叠层型隔震支座。
背景技术
结构隔震技术已经是一种发展成熟的地震防护技术，其减震概念明确，效果明显，在几次大地震中，大量橡胶垫隔震房屋和桥梁等结构都成功经受考验。但是在近断层长周期速度和位移脉冲地震作用下，隔震建筑也发生了许多灾难性的结构破坏事件，引起了一些学者对隔震技术的有效性产生关注。比如，1994年1月17日Northridge大地震震害调查发现，在近震强烈地震作用下，多数隔震建筑遭到破坏，主要原因就是隔震层变形较大而使得隔震装置发生严重损坏。为此，许多人提出在橡胶支座上并联一个可调阻尼器(多数采用磁流变液阻尼器)，形成智能复合隔震系统。研究表明，只要合理调整阻尼器的参数，该系统在保护隔震结构遭受近震作用下的安全是相当有效的。然而，近断层地震运动是在地震的初始就给结构输入了很高的能量，磁流变液智能阻尼器中磁流变液材料的沉降问题大大的影响了智能复合隔震系统的性能，往往在磁流变液从沉降凝结状态恢复到流动状态使阻尼器能正常工作之前，地震作用就已经对隔震结构造成了严重损坏。
因此，进一步改进智能隔震装置，寻找新的结构振动控制方式是十分有必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种剪切性能自适应调节的叠层型智能可调隔震支座，该支座可以智能调节其水平等效刚度和等效阻尼比，以适应外部动力荷载的变化。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：主要由磁组件、传感器和控制器组成。其中：磁组件由交替叠放在一起、形状相同并硫化处理成整体的磁流变弹性体、导磁钢板，以及与磁流变弹性体分离的、缠绕在导磁铁芯上的线圈绕组组成，这些部件装在上、下连接板之间，由此形成了一个完整的闭合磁回路；在磁路中间设置了大变形软磁材料；传感器装在上连接板的顶部，控制器通过数据线分别与传感器、线圈绕组相连。
本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：
其一.本支座整体形成了一个闭合磁路，可以通过改变线圈绕组的电流来改变磁路中的磁通量；变化的磁通量垂直通过磁流变弹性体智能材料时，可以改变材料的储能模量和损耗因子，从而能够根据外部响应自适应改变本支座的剪切性能。
其二.在磁路中间设置了大变形软磁材料，该材料可以和上下连接板一起产生较大的隔震层位移(水平位移)，从而使得本支座在振动过程中，线圈绕组和铁芯不发生任何变形，保证了线圈的稳定性和支座的使用寿命。
其三.本支座相对于传统隔震装置而言，解决了在近断层长周期速度和位移脉冲地震作用下普通橡胶隔震支座制震效果不好的问题，并且具有隔震层层间位移小、安全性高、可控性强的优点。
其四.本支座相对于智能复合隔震系统而言，解决了智能复合隔震系统中磁流变液沉降对隔震效果的不利影响，具有结构简单、稳定性好的优点。
附图说明
图1为本发明叠层型智能隔震支座的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为本发明带有铅芯10的叠层型智能隔震支座的结构示意图。
图4为图3的俯视图。
图5为本发明叠层型智能隔震支座的磁力线走向图。
图6为本发明叠层型智能隔震支座两组线圈绕组5的磁力线走向图。
图中：1.上连接板；2.磁流变弹性体；3.导磁钢板；4.下连接板；5.线圈绕组；6.导磁铁芯；7.大变形软磁材料；8.传感器；9.控制器；10.铅芯；11.磁力线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供的自适应调节剪切性能的叠层型智能隔震支座(简称智能隔震支座)，其结构如图1至图2所示：主要由磁组件、传感器8和控制器9组成。其中：磁组件由交替叠放在一起、形状相同并硫化处理成整体的磁流变弹性体2、导磁钢板3，以及与磁流变弹性体2分离的、缠绕在导磁铁芯6上的线圈绕组5组成，这些部件装在上、下连接板之间，由此形成了一个完整的闭合磁回路；在磁路中间设置了大变形软磁材料7；传感器8装在上连接板1的顶部，控制器9通过数据线分别与传感器8、线圈绕组5相连。图2中主要显示隔震支座的形状，因此未显示传感器8和控制器9。
为了使磁流变弹性体2和导磁钢板3之间能协调变形，它们之间需进行硫化处理来增强弹性体与钢板之间的粘结性。
所述的磁流变弹性体2和导磁钢板3的形状，为圆形、矩形或者其他形状(如椭圆形)，因而使智能隔震支座做成圆形、矩形或者其他形状(如椭圆形)，以满足隔震建筑的安装要求。该磁流变弹性体可以是其他流变智能材料(如电流变弹性体等)，智能材料改变后，结构的尺寸需要从新计算分析，相应的电路材料会改变，但是结构形式保持不变。
所述磁流变弹性体2是磁流变材料的一个新的分支。它是由天然橡胶或者硅橡胶基体和磁性颗粒组成，混合有磁性颗粒的橡胶在外加磁场作用下固化，利用磁流变效应(即磁性颗粒在磁场方向形成链状聚集结构)使颗粒在橡胶基体中形成有序结构。固化后的这种有序结构使磁流变弹性体的储能模量大大提高，当撤走外部磁场，材料的储能模量又恢复正常，即磁流变弹性体的力学性能可以由外加磁场来控制。我们通过改变磁感应强度来控制磁流变弹性体2的力学性能就可以调节隔震支座的剪切性能，形成水平等效刚度和等效阻尼比均可调的智能隔震支座。
所述的大变形软磁材料7可为软磁合金、可变形永磁合金。这些材料具有很高磁导率和饱和磁感应强度的同时还具有很强的弹塑性性能，即使产生较大的剪切变形也不会影响其导磁性能。大变形软磁材料7可以装在上连接板1或者下连接板4与导磁铁芯6之间。
所述上连接板1、下连接板4、导磁钢板3、导磁铁芯6都由导磁材料(硅钢、磁性合金、低碳钢)制成。连接板和导磁钢板的厚度、导磁铁芯的宽度(直径)以及磁流变弹性体的厚度，都应该利用磁场有限元分析得出优化的几何尺寸，使得通过磁流变弹性体的磁感应强度达到最大。
本发明为了增强智能隔震支座的阻尼特性，还设有铅芯10，该铅芯装在磁流变弹性体2与导磁钢板3的中心部位，如图3至图4所示。该铅芯与磁流变弹性体2和导磁钢板3同轴心，并且形状相同，其边长(直径)根据实际情况确定。增加铅芯后，智能隔震支座的磁路分析需要重新进行磁场有限元计算。图4中主要显示隔震支座的形状和铅芯10的位置，因此未显示传感器8和控制器9。
本发明智能隔震支座的磁力线走向如图5至图6所示：线圈绕组激发磁场，导磁铁芯可以增强磁感应强度。磁力线由铁芯10开始，经过大变形软磁材料7、上连接板1、磁流变弹性体2、导磁钢板3、下连接板4，最后回到铁芯10，形成完整的闭合磁路。
本发明可以由一组线圈绕组5激励磁场，也可以由多组并联线圈绕组5激励磁场。图6显示了两组并联线圈绕组的磁力线走向图，两组线圈的磁力线都必须遵循右手规则，对于多组线圈绕组，磁力线同样要遵循右手规则。
下面简述本发明的工作过程。
首先，通过传感器8来感知外部动力作用情况，传感器将动力响应信号输入控制器9，该控制器会依据相应的控制策略发出控制信号来改变线圈绕组5中的电流，从而改变通过磁流变弹性体2的磁感应强度。
当地震侵袭时，本支座会剧烈振动使上连接板1和下连接板4之间产生较大的水平相对位移，该相对位移会破坏线圈绕组5而使得整个支座的磁场失效。为了保证线圈绕组5和导磁铁芯6在剧烈振动下不发生变形，我们在上连接板1(或者下连接板4)与导磁铁芯6之间装置了大变形软磁材料7。大变形软磁材料7会与上下连接板一起振动，从而保护了线圈绕组5的稳定性。

Claims (7)

1.一种自适应调节剪切性能的叠层型智能隔震支座，其特征是主要由磁组件、传感器(8)和控制器(9)组成，其中：磁组件由交替叠放在一起、形状相同并硫化处理成整体的磁流变弹性体(2)、导磁钢板(3)，以及与磁流变弹性体(2)分离的、缠绕在导磁铁芯(6)上的线圈绕组(5)组成，这些部件装在上、下连接板之间，由此形成了一个完整的闭合磁回路；在磁路中间设置了大变形软磁材料(7)；传感器(8)装在上连接板(1)的顶部，控制器(9)通过数据线分别与传感器(8)、线圈绕组(5)相连。
2.如权利要求1所述的叠层型智能隔震支座，其特征是磁流变弹性体(2)和导磁钢板(3)的形状为圆形。
3.如权利要求1所述的叠层型智能隔震支座，其特征是磁流变弹性体(2)和导磁钢板(3)的形状为矩形或者其他形状。
4.如权利要求1或2或3所述的叠层型智能隔震支座，其特征是磁流变弹性体(2)由其他流变弹性体智能材料替换。
5如权利要求1所述的叠层型智能隔震支座，其特征是该支座中设有铅芯(10)，该铅芯装在磁流变弹性体(2)与导磁钢板(3)的中心部位。
6.如权利要求1所述的叠层型智能隔震支座，其特征足大变形软磁材料(7)，其装在上连接板(1)或者下连接板(4)与导磁铁芯(6)之间。
7.如权利要求1所述的叠层型智能隔震支座，其特征是由一组线圈绕组(5)来激励磁场，或者由多组并联线圈绕组(5)来激励磁场。
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