CN102733483A - 一种变刚度隔震一体化智能支座 - Google Patents

Abstract

一种变刚度隔震一体化智能支座，属于建筑结构减震技术领域。其特征是包括上连接板（1）、下连接板（4）、导磁钢板（2）、磁流变弹性体（3）、励磁线圈（5）、导磁铁芯（6）、聚合物基复合永磁材料（7）、铅芯（8）、导线通道（9）、上连接螺栓孔（10）、下连接螺栓孔（11）、驱动电源（12）。磁流变弹性体（3）和导磁钢板（2）为圆环形或方环形。励磁线圈（5）和导磁铁芯（6）设置于支座内部。聚合物基复合永磁材料（7）为闭合磁路提供偏置磁场。本发明的效果和益处是将隔震与变刚度一体化、结构简单、抗干扰性强、刚度可双向调节，能够根据不同的地震波为结构提供不同的水平刚度，有效减小地震灾害对建筑结构和桥梁结构的破坏。

Description

一种变刚度隔震一体化智能支座

技术领域

本发明属于建筑结构减震技术领域，特别是涉及一种变刚度隔震一体化智能支座。

背景技术

在各种结构抗震体系中，技术、理论发展最成熟，应用最广泛的是基础隔震技术。基础隔震是在建筑物与上部结构之间设置隔震装置，形成隔震层，把结构与基础隔离开，利用隔震装置来隔离或耗散地震能量，以避免或减少地震能量向上部结构输入，从而降低地震反应、实现减震目的。隔震层竖向刚度大，而横向抗推刚度小，并可提供较大阻尼，因此能显著降低结构的整体振动频率，延长结构的自振周期，消散地震能量。同时由于附加阻尼使结构的加速度反应降低，使结构动位移主要集中于隔震层，而上部结构类似一刚体，其层间相对位移很小，结构基本上处于弹性工作状态，从而可避免建筑物破坏与倒塌。

目前，实际应用的隔震装置包括叠层橡胶支座、摩擦滑移隔震元件、滚动元件、以及柔性柱等四类。其中，叠层橡胶支座应用最多，迄今90%以上的隔震结构采用该元件。隔震装置的设置可以延长结构自振周期并增大结构阻尼，但不能同时减小上部结构的剪力和隔震层的位移。当上部结构剪力响应减小时，位移响应一定会增大。因此，基础隔震对于短周期地面运动影响下的中短周期结构和远震场地的隔震结构而言，其减震效果比较好，但是近震场地的长周期和位移脉冲运动会对隔震建筑的抗震性能和设计带来不利的影响。隔震层的设计要求是既要使结构在多遇地震作用下减震幅度尽可能大, 又要使隔震层在罕遇地震作用下的最大侧移尽量小。

为了解决橡胶支座的限位问题，研究人员提出混合控制策略：即在普通的基础隔震系统上，加上主动控制或半主动控制元件，或增加其他被动控制方式，应用现代控制理论，对结构相应进行实时控制。研究发现，应用混合基础隔震，不仅可改善基础隔震的适应性，还能提高隔震效果。最常用的是将基础隔震与磁流变阻尼器混合，构成主动变阻尼隔震混合控制系统。某些主动或半主动控制元件也可提供可调的刚度，但无法提供竖向的支撑作用，只能作为横向的限位控制元件，与隔震基础联合作用进行混合控制。这些混合控制系统虽然效果良好，但结构复杂，其可靠性较低。

设置限位保护装置是另一种控制隔震层位移的方法，其思想是在原有隔震装置的基础上设置第二道防线的过载保护措施，如挡土墙、弹性缓冲限位装置等，当隔震装置的水平位移超过一定值时，弹性缓冲装置对隔震层施加一定的弹性作用力, 与橡胶支座的恢复力一起限制变形的继续增大。然而，设计限位装置的办法使得结构较为复杂，且提供的弹性作用力不可调节，自适应性差。

磁流变材料在磁场的作用下，其流变特性可发生连续的、迅速的和可逆的变化。其中，最典型的是磁流变液，作为一种性能优良的智能材料，磁流变液已经应用于汽车座椅减振器、刹车器以及土木结构阻尼器等领域。磁流变弹性体是磁流变材料的一个新的分支，是磁流变液的固体形式。它主要由高分子聚合物（如橡胶）和铁磁性材料组成，混合有铁磁性颗粒的聚合物在外加磁场作用下固化，利用磁致效应，使颗粒在基体中形成有序结构。其宏观表现是剪切模量等性能可通过磁场调节。由于磁流变弹性体兼有磁流变液材料的优点，又具有弹性体的优点，克服了磁流变液沉降、稳定性差等缺点。磁流变弹性体的优势使其可以应用于基于主动调频的振动控制领域，大大简化机械结构，完成一些传统材料难以实现的功能。

磁流变弹性体作为智能隔震装置在结构调频控制中的基本工作原理是：在地震波输入以高频成分为主时，通过对磁流变体的刚度调节，使隔震系统的固有频率远离地震频率，将结构的周期调谐至抗震设计反应谱中的长周期范围内，从而减小输入主体结构的能量；在地震波输入以低频成分为主时，通过刚度调节，避免隔震层的层间位移超过限值，并将结构的周期调谐至抗震设计反应谱中的短周期范围内。

申请号为200810111674.3的中国发明专利申请中公开了一种竖向变刚度隔震支座，该支座中设置了锥形的变刚度曲面板，可以被动地调节隔震支座在竖直方向上的刚度。

申请号为201010225126.0的中国发明专利申请中公开了一种变刚度隔震支座，该支座包括内支座和外支座，之间留有空隙，可在不同受力状态下提供不同的水平刚度和阻尼力。

申请号为201010225114.8的中国发明专利申请中公开了另一种变刚度隔震支座，该支座包括上支座和下支座，之间通过中隔板连接，可以在不同受力状态下提供不同的水平刚度和阻尼力。

申请号为200910062822.1的中国发明专利申请中公开了一种自适应调节剪切性能的叠层型智能隔震支座，该支座由磁组件、传感器和控制器组成，磁组件由圆形磁流变弹性体和圆形导磁钢板交替层叠构成，驱动磁场由外接磁路提供。

上述发明专利均可改变隔震层的刚度，从而为结构提供不同的刚度和阻尼力，然而它们的结构较为复杂；除申请号为200910062822.1的中国发明专利外，其它专利均不能实现对隔震层刚度的主动调节；但申请号为200910062822.1的中国发明专利中，线圈绕组需要从支座外部施加，使得装置体积较大，不便于应用，此外，由于没有预加偏置磁场，只能增大磁场将支座的剪切刚度调大，而无法将其刚度调小。

因此，开发一种结构简单、磁路内置于支座、含偏置磁场、能够将变刚度与隔震一体化的智能支座，对于减小建筑结构及桥梁结构在地震下的振动响应具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的是：提供一种结构简单、磁路内置、含偏置磁场、刚度可以根据结构受力状态双向调节的智能隔震支座，解决已有隔震系统结构复杂、刚度不能根据不同地震波输入双向调节的问题。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：一种变刚度隔震一体化智能支座，包括上连接板1、下连接板4、导磁钢板2、磁流变弹性体3、励磁线圈5、导磁铁芯6、聚合物基复合永磁材料7、铅芯8、导线通道9、上连接螺栓孔10、下连接螺栓孔11、驱动电源12；其特征在于：上连接板1、导磁钢板2、磁流变弹性体3、下连接板4组成隔震单元；励磁线圈5、导磁铁芯6、聚合物基复合永磁材料7安置于上连接板1与下连接板2轴心，导磁铁芯6与下连接板4一体化成型或焊接，聚合物基复合永磁材料7设置于上连接板1与导磁铁芯6之间，组成励磁单元；上连接板1、导磁钢板2、磁流变弹性体3、下连接板4、励磁线圈5、导磁铁芯6、聚合物基复合永磁材料7组成闭合磁路；励磁线圈（5）的导线经导线通道9穿出与驱动电源12连接，形成供能单元；上连接板1通过上连接螺栓孔10由螺栓与结构连接，下连接板4通过下连接螺栓孔11由螺栓与基础连接。

磁流变弹性体3和导磁钢板2交替层叠；磁流变弹性体3和导磁钢板2的形状为圆环形或方环形；磁流变弹性体3由微米级或纳米级软磁性颗粒填充聚合物制备而成。

在上连接板1中心与下连接板4中心之间设置导磁铁芯6，导磁铁芯6为圆柱体或长方体；在上连接板1中心与导磁铁芯6上表面之间设置聚合物基复合永磁材料7；聚合物基复合永磁材料7采用硬磁性颗粒填充聚合物制备而成，并预先充磁，为闭合磁路提供偏置磁场，解决了现有磁流变弹性体减振器件刚度只可调大不能调小的问题，避免了上连接板1在随结构振动时对导磁铁芯5及励磁线圈6的破坏。

导磁铁芯6上缠绕一组或多组励磁线圈5，励磁线圈6及导磁铁芯5设置于支座内部，避免了外置励磁单元易受干扰的问题，具有构造简单的特点；励磁线圈5的导线经导线通道9穿出与驱动电源12连接；导线通道9设置在上连接板1或下连接板4上。

在励磁线圈5外围设置2根或2根以上的圆柱状或长方体状铅芯8，铅芯8上表面与上连接板1连接，铅芯8下表面与下连接板4连接。

本发明的效果和益处是：一种变刚度隔震一体化智能支座将被动隔震技术与变刚度主动控制技术一体化，避免了混合控制系统的结构复杂性，结构简单、抗干扰性强、刚变既可调大也可调小。本发明的变刚度隔震一体化智能支座根据结构不同的受力状态或不同的地震波，为结构提供不同的水平刚度，能满足建筑物和桥梁在不同等级、周期特性的地震动下的隔震要求，减小结构的地震响应，最大程度地避免灾害的发生，保障人民的生命财产安全。

附图说明

图1是变刚度隔震一体化智能支座结构示意图。

图2是变刚度隔震一体化智能支座剖面图。

图中：1上连接板；2导磁钢板；3磁流变弹性体；4下连接板；5励磁线圈；6导磁铁芯；7聚合物基复合永磁材料；8铅芯；9导线通道；10上连接螺栓孔；11下连接螺栓孔；12驱动电源。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明的具体实施方式参见图1和图2。本实施例主要包括上连接板1、下连接板4、导磁钢板2、磁流变弹性体3、励磁线圈5、导磁铁芯6、聚合物基复合永磁材料7、铅芯8、导线通道9、上连接螺栓孔10、下连接螺栓孔11和驱动电源12；其中，上连接板1、导磁钢板2、磁流变弹性体3、下连接板4组成隔震单元；励磁线圈5、导磁铁芯6、聚合物基复合永磁材料7安置于上连接板1与下连接板2轴心，导磁铁芯6与下连接板4一体化成型或焊接，聚合物基复合永磁材料7设置于上连接板1与导磁铁芯6之间，组成励磁单元；上连接板1、导磁钢板2、磁流变弹性体3、下连接板4、励磁线圈5、导磁铁芯6、聚合物基复合永磁材料7组成闭合磁路；励磁线圈5的导线经导线通道9穿出与驱动电源12连接，形成供能单元；上连接板1通过上连接螺栓孔10由螺栓与结构连接，下连接板4通过下连接螺栓孔11由螺栓与基础连接。

所述的磁流变弹性体3和导磁钢板2为圆环形或方环形，呈交替层叠。

所述的磁流变弹性体3由微米级或纳米级软磁性颗粒填充聚合物制备而成；所选的软磁性颗粒包括但不限于羰基铁粉，非晶软磁粉，钴粉和镍粉；所选的聚合物包括包括但不限于橡胶、热塑性树脂和热固性树脂；磁流变弹性体的剪切弹性模量可由磁场实现可逆、实时的控制，磁场强度越大，剪切弹性模量越大。

所述的导磁铁芯6为圆柱体或长方体，与下连接板4一体化成型或焊接，导磁铁芯6的上表面与聚合物基复合永磁材料7粘接。

所述的聚合物基复合永磁材料7采用永磁铁氧体粉末或稀土永磁粉末与聚合物复合制备，聚合物包括但不限于橡胶、热固性树脂和热塑性树脂；其下表面与导磁铁芯6粘接，上表面与上连接板1粘接。

所述的导线通道9设置于上连接板1或下连接板4上，励磁线圈5的导线经导线通道9穿出与驱动电源12连接。

所述的上连接板1、下连接板4、导磁钢板2及导磁铁芯6都由导磁性较好的材料制成，这些材料包括但不限于硅钢和低碳钢。

所述的铅芯8为圆柱体或长方体，数目为2根或2根以上，设置于励磁线圈5与磁流变弹性体3之间，上表面与上连接板1固接，下表面与下连接板4固接，且围绕导磁铁芯6对均匀分布；

所述的一种变刚度隔震一体支座的各部分尺寸，包括上连接板1与下连接板4的直径及厚度，磁流变弹性体3的层数、内径、外径及厚度，导磁钢板2的层数、内径、外径及厚度，励磁线圈的内径、外径及匝数，聚合物基复合永磁材料7的磁性能参数及尺寸，铅芯8的数量及尺寸等参数需根据结构的动力学参数、拟控制的刚度和阻尼范围、拟承受的地震波的频率、磁流变弹性体的性能等计算求得。

Claims (6)

1.一种变刚度隔震一体化智能支座，包括上连接板（1）、下连接板（4）、导磁钢板（2）、磁流变弹性体（3）、励磁线圈（5）、导磁铁芯（6）、聚合物基复合永磁材料（7）、铅芯（8）、导线通道（9）、上连接螺栓孔（10）、下连接螺栓孔（11）、驱动电源（12）；其特征在于：上连接板（1）、导磁钢板（2）、磁流变弹性体（3）、下连接板（4）组成隔震单元；励磁线圈（5）、导磁铁芯（6）、聚合物基复合永磁材料（7）安置于上连接板（1）与下连接板（2）轴心，导磁铁芯（6）与下连接板（4）一体化成型或焊接，聚合物基复合永磁材料（7）设置于上连接板（1）与导磁铁芯（6）之间，组成励磁单元；上连接板（1）、导磁钢板（2）、磁流变弹性体（3）、下连接板（4）、励磁线圈（5）、导磁铁芯（6）、聚合物基复合永磁材料（7）组成闭合磁路；励磁线圈（5）的导线经导线通道（9）穿出与驱动电源（12）连接，形成供能单元；上连接板（1）通过上连接螺栓孔（10）由螺栓与结构连接，下连接板（4）通过下连接螺栓孔（11）由螺栓与基础连接。

2.根据权利要求1所述的一种变刚度隔震一体化智能支座，其特征在于：磁流变弹性体（3）和导磁钢板（2）交替层叠；磁流变弹性体（3）和导磁钢板（2）的形状为圆环形或方环形；磁流变弹性体（3）由微米级或纳米级软磁性颗粒填充聚合物制备而成。

3.根据权利要求1所述的一种变刚度隔震一体化智能支座，其特征在于：在上连接板（1）中心与下连接板（4）中心之间设置导磁铁芯（6），导磁铁芯（6）为圆柱体或长方体。

4.根据权利要求1所述的一种变刚度隔震一体化智能支座，其特征在于：在上连接板（1）中心与导磁铁芯（6）上表面之间设置聚合物基复合永磁材料（7）；聚合物基复合永磁材料（7）采用硬磁性颗粒填充聚合物制备而成，并预先充磁，为闭合磁路提供偏置磁场。

5.根据权利要求1所述的一种变刚度隔震一体化智能支座，其特征在于：导磁铁芯（6）上缠绕一组或多组励磁线圈（5），励磁线圈（5）的导线经导线通道（9）穿出与驱动电源（12）连接；导线通道（9）设置在上连接板（1）或下连接板（4）上。

6.根据权利要求1所述的一种变刚度隔震一体化智能支座，其特征在于：在励磁线圈（5）外围设置2根或2根以上的圆柱状或长方体状铅芯（8），铅芯（8）上表面与上连接板（1）连接，铅芯（8）下表面与下连接板（4）连接。

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