CN102051924A

CN102051924A - 智能压电减震控制装置

Info

Publication number: CN102051924A
Application number: CN2009102211504A
Authority: CN
Inventors: 张纪刚; 欧进萍; 吴斌
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2011-05-11

Abstract

本发明涉及一种建筑物的防护装置，尤其涉及一种减少外界震动影响的防护装置。本发明的智能压电减震控制装置，包括框架以及设置在框架内的阻尼器，阻尼器采用摩擦阻尼器，摩擦阻尼器上设置压电陶瓷驱动器，摩擦阻尼器的四个边角分别通过防屈曲支撑构件与框架连接。本装置安装方便、便于拆卸，其耗能能力强，具有广泛的防震、抗震应用领域。

Description

智能压电减震控制装置

技术领域

本发明涉及一种建筑物的防护装置，尤其涉及一种减少外界震动影响的防护装置。

背景技术

传统的土木工程结构抗震设计通过结构构件的弹塑性变形来消耗地震能量，达到减轻地震作用的目的，但是结构构件的弹塑性耗能不可避免地会对结构造成损伤，甚至是不可修复的损伤。近年来所发生的大地震(如1994年美国Northridge，1995年日本神户，1999年台湾集集，2008年中国汶川)造成的严重结构破坏和重大财产损失已经暴露出传统抗震设计方法的这种缺陷。

耗能减振技术通过在结构中设置被动耗能装置，消耗本来由结构构件(例如梁柱结点)消耗的地震能量，大大减轻了结构的变形和损伤。目前已开发的耗能器主要有四类：摩擦耗能器、金属屈服耗能器、粘滞耗能器和粘弹性耗能器。摩擦耗能器因其耗能能力强、性能稳定、价格低廉，在工程中相对于其它三种方式更易于推广应用。Pall摩擦耗能器由Pall和Marsh于1982年提出，在加拿大、美国、印度和中国的多幢民用及工业建筑中得到应用。在Pall摩擦阻尼器的基础上又提出了T形芯板摩擦耗能器和可变摩擦耗能器等，都具有Pall摩擦耗能器四连杆变形机构，因此统称为Pall型摩擦阻尼器。Pall型摩擦阻尼器具有耗能能力强，不受支撑屈曲力的影响。

金属屈服耗能器的形式，如2008年2月27日公开的中国专利，公开号为CN101131005A，公开了一种金属屈服与摩擦阻尼器联合减震控制方法，其主要由耗能钢板、摩擦钢板、水平连接钢板组成，通过摩擦钢板和耗能钢板来实现分阶段耗能，通过调整摩擦钢板滑动槽的长度使消能器具有可调功能，其效果大大不如摩擦耗能器。

防屈曲支撑被认为是很有前途的一种耗能支撑，防屈曲支撑是一种可以防止支撑屈曲的一种耗能装置。防屈曲支撑的研究在国内则是刚刚起步，这种耗能器具有吨位大、耗能能力强、不受频率影响的优点。但是摩擦阻尼器在大震过后，摩擦阻尼器的支撑由于屈曲而不易拆卸，故结合摩擦阻尼器和防屈曲支撑的优点，提出了摩擦阻尼器与防屈曲支撑联合减震控制装置。

现有技术中，摩擦耗能器基本都是被动耗能装置，不能根据减震的需要而实时改变自身的特性，因而限制了其减震效果和使用范围。压电陶瓷是一种新型功能材料，它具有瞬间电致形变的特性，虽然形变量小，所需电场强度高，但需很大的应力才可以限制其变形，因此是一种良好的微驱动器。其具有在机械力的作用下，在两个端面出现符号相反而密度与机械应力成正比的束缚电荷，在电场的作用下，产生与电场强度成正比的变形或机械应力特征。

发明内容

本发明的技术效果克服上述缺陷，提供一种智能压电减震控制装置，其采用新型压电陶瓷驱动器，根据减震结构要求，利用压电陶瓷的伸缩变形来改变摩擦片的紧固力，从而实时调整摩擦力，可以使摩擦耗能力具有智能的特性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括框架以及设置在框架内的阻尼器，阻尼器采用摩擦阻尼器，摩擦阻尼器上设置压电陶瓷驱动器，摩擦阻尼器的四个边角分别通过防屈曲支撑构件与框架连接。

摩擦阻尼器与防屈曲支撑构件栓接。防屈曲支撑构件与框架栓接或铆接或焊接。摩擦阻尼器采用Pall摩擦阻尼器或T形芯板摩擦阻尼器或可变摩擦阻尼器。

Pall摩擦阻尼器包括十字芯板、横连板、竖连板、摩擦片、滑动螺栓、四角螺栓；十字芯板相对的两侧设有弧形槽孔，另两侧通过四角螺栓固定在竖连板上，十字芯板采用形状记忆合金材质；横连板与竖连板通过四角螺栓连接，横连板与十字芯板连接处通过摩擦片间隔；滑动螺栓固定在横连板上并贯通弧形槽孔，弧形槽孔的宽度大于滑动螺栓的直径；压电陶瓷驱动器设置在滑动螺栓与弧形槽孔之间。

T形芯板摩擦阻尼器包括T形芯板(根据需要可以为一层或多层)、横连板、竖连板、摩擦片、滑动螺栓、四角螺栓；T形芯板竖端设有弧形槽孔，横端通过四角螺栓固定在竖连板上，T形芯板采用形状记忆合金材质；横连板与竖连板通过四角螺栓连接，横连板与T形芯板竖端连接处通过摩擦片间隔；滑动螺栓固定在横连板上并贯通弧形槽孔，弧形槽孔的宽度大于滑动螺栓的直径；压电陶瓷驱动器设置在滑动螺栓与弧形槽孔之间。

槽孔中心线以下部两个四角螺孔中心连线的中点为圆心、以竖连板上两个螺孔中心距为半径，弧形槽孔宽度略大于滑动螺栓直径，弧形槽孔中心线弦长扣除滑动螺栓直径后应不小于结构最大层间变形限值。摩擦片采用耐久性好、摩擦系数高的摩擦材料，如汽车刹车片等。多层T形芯板摩擦耗能器通过四角螺栓上的支撑连接于结构中。结构发生侧向变形，将通过支撑带动耗能器侧向运动。当耗能器受力克服摩擦力后，由矩形变为平行四边形，横连板带动滑动螺栓在弧形槽孔中相对T形芯板作圆弧运动。摩擦片也随横连板运动，摩擦片与T形芯板间的相对摩擦运动将消耗外部输入能量，从而达到减轻振动的作用。

T形芯板摩擦阻尼器与Pall摩擦耗能器相比有如下优点：(1)可根据工程需要，灵活确定T形芯板的个数；增加了T形芯板的个数，可提高耗能器的摩擦力；(2)简化了芯板的平面形状，减少了加工面；(3)弧形螺栓槽孔由两个减少为一个，降低了加工量；(4)减少了两个安装螺栓，有利于提高加工精度。

可变摩擦阻尼器包括T形芯板、横连板、竖连板、摩擦片、滑动螺栓、四角螺栓；T形芯板竖端设有弧形槽孔，横端通过四角螺栓固定在竖连板上，T形芯板采用形状记忆合金材质；横连板与竖连板通过四角螺栓连接，横连板与T形芯板竖端连接处通过摩擦片间隔；滑动螺栓固定在横连板上并贯通弧形槽孔，弧形槽孔的宽度大于滑动螺栓的直径；；压电陶瓷驱动器设置在滑动螺栓与弧形槽孔之间；T形芯板竖端的端部为楔形，摩擦片采用相应的斜面，两者斜度相同。

T形芯板顶部有弧形槽孔，槽孔中心线以下部两个四角螺孔中心连线的中点为圆心、以竖连板上两个螺孔中心距为半径，弧形槽孔宽度略大于滑动螺栓直径，弧形槽孔中心线弦长扣除滑动螺栓直径后应不小于结构最大层间变形限值。多层T形芯板摩擦耗能器通过四角螺栓上的支撑连接于结构中。结构发生侧向变形，将通过支撑带动耗能器侧向运动。当耗能器受力克服摩擦力后，由矩形变为平行四边形，横连板带动滑动螺栓在弧形槽孔中相对T形芯板作圆弧运动。摩擦片也随横连板运动，并且与T形芯板的相对运动位弧线平动，即摩擦片的运动既有水平分量，也有竖直分量。因此，当结构位移增大时，耗能器由矩形变为平行四边形，T形芯板楔形端头相对摩擦片和横连板作抽出运动，摩擦力减小；当结构位移减小时，耗能器耗能器由平行四边形变回为矩形，T形芯板楔形端头相对摩擦片和横连板作挤进运动，摩擦力增大。这样，可变摩擦阻尼器就利用摩擦耗能机制实现了粘滞耗能器的基本特征：位移最大(即速度最小)时恢复力最小，位移最小(即速度最大)时恢复力最大。可变摩擦耗能器同时具备了Pall摩擦耗能器和粘滞耗能器的优点，同时也克服了各自的缺点。可变摩擦耗能器与T形芯板摩擦阻尼器相比，只是在于T形芯板由平面换成了斜面。

压电陶瓷的压电特性使压电陶瓷驱动器具有激励功率小、响应速度快、储能能力大的特点。

本装置安装方便、便于拆卸，其耗能能力强，具有广泛的防震、抗震应用领域。

附图说明

图1为本发明的外形结构示意图；

图2为本发明的实施例1的十字芯板结构示意图；

图3为本发明的实施例1摩擦阻尼器结构示意图；

图4为本发明的实施例1摩擦阻尼器仰视结构示意图；

图5为本发明的实施例2的T形芯板结构示意图；

图6为本发明的实施例2摩擦阻尼器结构示意图；

图7为本发明的实施例2摩擦阻尼器侧面结构示意图；

图8为本发明的实施例3摩擦阻尼器侧面结构示意图。

具体实施方式

本装置包括框架1以及设置在框架内的阻尼器，阻尼器采用摩擦阻尼器2，摩擦阻尼器2上设置压电陶瓷驱动器13，摩擦阻尼器2的四个边角分别通过防屈曲支撑构件3与框架1连接。

实施例1

摩擦阻尼器2采用Pall摩擦阻尼器，摩擦阻尼器2与防屈曲支撑构件3栓接，防屈曲支撑构件3与框架1焊接。Pall摩擦阻尼器包括十字芯板4、横连板5、竖连板6、摩擦片7、滑动螺栓8、四角螺栓9；十字芯板4相对的两侧设有弧形槽孔10，另两侧通过四角螺栓9固定在竖连板6上；横连板5与竖连板6通过四角螺栓9连接，横连板5与十字芯板4连接处通过摩擦片7间隔；滑动螺栓8固定在横连板5上并贯通弧形槽孔10，弧形槽孔10的宽度大于滑动螺栓8的直径；压电陶瓷驱动器13设置在滑动螺栓8与弧形槽孔10之间。

实施例2

摩擦阻尼器2采用T形芯板摩擦阻尼器，摩擦阻尼器2与防屈曲支撑构件3栓接。防屈曲支撑构件3与框架1栓接。T形芯板摩擦阻尼器包括T形芯板11、横连板5、竖连板6、摩擦片7、滑动螺栓8、四角螺栓9；T形芯板竖端设有弧形槽孔10，横端通过四角螺栓8固定在竖连板6上，T形芯板11采用形状记忆合金材质；横连板5与竖连板6通过四角螺栓9连接，横连板5与T形芯板11竖端连接处通过摩擦片7间隔；滑动螺栓8固定在横连板5上并贯通弧形槽孔10，弧形槽孔10的宽度大于滑动螺栓8的直径；压电陶瓷驱动器13设置在滑动螺栓8与弧形槽孔10之间。

实施例3

基本同实施例2，摩擦阻尼器2采用可变摩擦阻尼器，摩擦阻尼器2与防屈曲支撑构件3栓接。防屈曲支撑构件3与框架1铆接。可变摩擦阻尼器包括T形芯板11、横连板5、竖连板6、摩擦片7、滑动螺栓8、四角螺栓9；T形芯板竖端设有弧形槽孔10，横端通过四角螺栓9固定在竖连板6上；横连板5与竖连板6通过四角螺栓9连接，横连板5与T形芯板11竖端连接处通过摩擦片7间隔；滑动螺栓8固定在横连板5上并贯通弧形槽孔10，弧形槽孔10的宽度大于滑动螺栓8的直径；T形芯板11采用形状记忆合金材质。T形芯板11竖端的端部12为楔形，摩擦片7采用相应的斜面，两者斜度相同；压电陶瓷驱动器13设置在滑动螺栓8与弧形槽孔10之间。

Claims

1.一种智能压电减震控制装置，包括框架以及设置在框架内的阻尼器，其特征在于阻尼器采用摩擦阻尼器，摩擦阻尼器上设置压电陶瓷驱动器，摩擦阻尼器的四个边角分别通过防屈曲支撑构件与框架连接。

2.根据权利要求1所述的智能压电减震控制装置，其特征在于摩擦阻尼器与防屈曲支撑构件栓接。

3.根据权利要求1或2所述的智能压电减震控制装置，其特征在于防屈曲支撑构件与框架栓接或铆接或焊接。

4.根据权利要求1所述的智能压电减震控制装置，其特征在于摩擦阻尼器采用Pall摩擦阻尼器或T形芯板摩擦阻尼器或可变摩擦阻尼器。

5.根据权利要求4所述的智能压电减震控制装置，其特征在于Pall摩擦阻尼器包括十字芯板、横连板、竖连板、摩擦片、滑动螺栓、四角螺栓；十字芯板相对的两侧设有弧形槽孔，另两侧通过四角螺栓固定在竖连板上；横连板与竖连板通过四角螺栓连接，横连板与十字芯板连接处通过摩擦片间隔；滑动螺栓固定在横连板上并贯通弧形槽孔，弧形槽孔的宽度大于滑动螺栓的直径；压电陶瓷驱动器设置在滑动螺栓与弧形槽孔之间。

6.根据权利要求4所述的智能压电减震控制装置，其特征在于T形芯板摩擦阻尼器包括T形芯板、横连板、竖连板、摩擦片、滑动螺栓、四角螺栓；T形芯板竖端设有弧形槽孔，横端通过四角螺栓固定在竖连板上；横连板与竖连板通过四角螺栓连接，横连板与T形芯板竖端连接处通过摩擦片间隔；滑动螺栓固定在横连板上并贯通弧形槽孔，弧形槽孔的宽度大于滑动螺栓的直径；压电陶瓷驱动器设置在滑动螺栓与弧形槽孔之间。

7.根据权利要求4所述的智能压电减震控制装置，其特征在于可变摩擦阻尼器包括T形芯板、横连板、竖连板、摩擦片、滑动螺栓、四角螺栓；T形芯板竖端设有弧形槽孔，横端通过四角螺栓固定在竖连板上；横连扳与竖连板通过四角螺栓连接，横连板与T形芯板竖端连接处通过摩擦片间隔；T形芯板竖端的端部为楔形，摩擦片采用相应的斜面，两者斜度相同；滑动螺栓固定在横连板上并贯通弧形槽孔，弧形槽孔的宽度大于滑动螺栓的直径；压电陶瓷驱动器设置在滑动螺栓与弧形槽孔之间。