CN103382726A - 一种端承支撑结构减震消能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种端承支撑结构减震消能装置，主要包括绝磁异形护板、导磁刚性板、中心弹性环、电磁体、永磁体、磁流变液、V型弹性护板、变形伸缩囊、环向竖隔板、隔磁铜环、隔磁铜封塞、U型导磁铁芯、承柱、绝磁隔离护板、套件垫环、基础连接柱脚、设备承柱基础、接地螺栓、防护封壳、绝磁端承盘、调节环组、可调节传动导杆和加强顶封圈。本发明设置双摩擦斜环面，协调薄片永磁体、U型电磁铁输出磁场，利用磁流变液挤压流动式工作模式，充分发挥材料的抗拉压力学性能和磁流变液智能材料的特性，提出一种减震效果明显、安装实施简洁的端承支撑结构减震消能装置，可用于大质量集中质点或分布质点的单一支柱，特别是电力系统杆塔、塔架的抗震减灾。

Description

一种端承支撑结构减震消能装置

技术领域：

本发明公开一种端承支撑结构减震消能装置，主要用于大质量集中质点或分布质点的单一支柱或者横向支撑较弱的支柱的减震消能，属于结构振动控制领域。

技术背景：

我国水力资源丰富，近几十年来国内水力建设迅猛发展，大中型水电站在我国西南地区多有兴建。随着近期地震灾害近期频发，特别是在水力建设较多的西南地区，其发电送电设备及其支撑系统的抗震减灾工作显得尤为重要。电力供应作为国民经济重要的基础性设施，在其遭遇不可抗力期间或之后都应保有可靠的功能作用，电网设备广布的分布特点增加了发电送电设备支撑结构遭遇近场地震、不可抗力等强烈振动荷载的可能性，这种情况在世界上多有发生（如1994年northrige地震、2008年汶川地震等）。因此，发电送电设备支撑结构减震消能措施必须得以完善实施。在电网中高压架空送电线路中杆塔主要用来支持导线和地线，并使导线对地面及各个导线之间保持一定的距离，杆塔端部主要承载绝缘子等重型设备，这对抗震设防极为不利。

本发明以电网中高压架空送电线路中杆塔为例，提出了一种通过改进杆塔与基础的连接形式来实现减震目标，针对端承支撑结构减震消能新的装置措施。另外，电网转角杆塔、风力发电场中风力发电机的塔架等端承支撑结构的减震消能措施均可根据实际工程参数调整本发明的端承支撑结构减震消能装置相关设计参数，达到相应的抗震减灾设防目的。

通过改进支座形式来获得端承支撑结构良好抗震性能的做法，Michael Riley等有所尝试，并获得了一定的成效。其装置主要采用摩擦弹簧作为主要受力单元，但是摩擦弹簧在其行程末端会出现无限刚度引起的装置失效状况，且单一接触环面的结构形式易产生弹簧自锁，加速装置失效。

磁流变液（Magneto-rheological Fluid，MRF）是一种可控液态智能材料，其具备良好的力学性能，如高强度、低粘度、温度稳定性和瞬间模态变化等。在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性，而在强磁场作用下呈现出高粘度、低流动性的Bingham体特性。随着外加磁场变化，其表观粘度能够在毫秒级的时间内改变几个数量级，基本不存在时迟。磁流变液（MRF）在磁流变液装置（Magneto-rheological Fluid Devices，MRFD）中的运动形式主要有剪切式、阀式和挤压流动式等，其中以挤压流动式出力最大，且其应力应变曲线呈现指数形式递增的形式特征（S.A. Mazlan, 2009）。

本发明利用磁流变液的优良力学特性，结合绝磁异形护板和中心弹性环的V型凹槽，合理设置变形伸缩囊的结构形式，此发明能够消耗端承支撑结构大量地震能量，并通过调节输入激励电流大幅降低其加速度响应以及承柱底部变截面处的剪力，实现端承支撑结构大震不倒的抗震目标，适于持续地震序列或者突发振动荷载工况下的土木工程支承结构抗震。

                             

发明内容：

技术问题：

鉴于现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种端承支撑结构减震消能装置并提出一种装置布设方案。

技术方案：

本发明所述的一种端承支撑结构减震消能装置，其包括：绝磁异形护板、导磁刚性板、中心弹性环、电磁体、永磁体、磁流变液、V型弹性护板、变形伸缩囊、环向竖隔板、隔磁铜环、隔磁铜封塞、异形键、U型导磁铁芯、励磁线圈、承柱、绝磁隔离护板、套件垫环、基础连接柱脚、设备承柱基础、接地螺栓、防护封壳、绝磁端承盘、调节环组、可调节传动导杆和加强顶封圈。绝磁异形护板、导磁刚性板、中心弹性环、磁流变液、V型弹性护板和变形伸缩囊共同组成一个基本出力单元，每个基本出力单元内部上下两导磁刚性板之间的初始间距为2~4mm；电磁体和永磁体为提供可调磁场的辅助元件，其中导磁刚性板的内外环面均为斜面，且分别与中心弹性环和绝磁异形护板的环面相互彼此接触，接触面上预加接触预应力，斜面倾角轴心相对角度大小由上部荷载、材料摩擦系数和弹性模量等条件经过计算确定，双接触环面降低了自锁发生的概率，增加了机构的稳定性。所述变形伸缩囊径向截面面积沿径向呈两头小中部大的梭形，并由两个V型弹性护板环绕包裹填塞于上下两个中心弹性环之间，且其内外环分别环绕包裹于中心弹性环凹槽和绝磁异形护板凹槽中；所述导磁刚性板外环面与绝磁异形护板内环面组成第一接触摩擦斜环面，导磁刚性板内环面与中心弹性环外环面组成第二接触摩擦斜环面，导磁刚性板分别与绝磁异形护板和中心弹性环叠合而成的上述两个接触摩擦斜环面对称分布于在导磁刚性板内外环两侧；所述可调节传动导杆上下贯通穿过基本出力单元；所述永磁体和电磁体依次交替间隔布置，且电磁体绕线方向按照其所形成磁场方向与永磁体磁场方向以相邻相反的原则进行布置。所述隔磁铜封塞为刚度大的隔磁材料且其边缘间隔布置异形键，以连接相邻两个基本出力单元。

    中心弹性环和绝磁异形护板有V型凹曲面，两凹曲面相对布置，内层衬V型弹性护板包裹变形伸缩囊内外环面处，磁流变液充满变形伸缩囊。永磁体置于相邻两个基本出力单元之间的缝隙处，且由设置有异形键的隔磁铜封塞改变其磁场回路，使永磁体磁场利用率最大化，同时使磁流变液获得初始强度。电磁体置于每个基本出力单元的中心部位，其N极和S极同向设置，并有一道隔磁铜环改变磁力线走向形成如图6所示的优化磁路结构。当经过每个基本出力单元内磁流变液的永、电两种磁体产生的磁场方向相同时，本装置最大出力，调节电磁体励磁线圈的电流大小或者更改电磁体励磁线圈的电流方向，磁流变液刚度相对导磁刚性板的相对位移保持持续可调，解决了导磁刚性板彼此接触而导致的无限刚度问题，改善了装置的工作性能。

可调节传动导杆上端通过基本出力单元组件和基础连接柱脚固接，可调节传动导杆下端直接与接地螺栓固接，可调节传动导杆的上端部锥形凸起和调节环组一起用于调整基本出力单元组件和可调节传动导杆相对高度。本发明的一种端承支撑结构减震消能装置在现场安装时，宜与底部紧固螺栓交替间隔布置，先行连接可调节传动导杆与接地螺栓，再外套基本出力单元组件，最后加盖绝磁隔离护板和防护封壳。

相比现有技术，本发明具有明显优势：

1、本发明在导磁刚性板内外设置双摩擦斜环面使导磁刚性板受力趋于合理，最大限度地利用了材料的环形抗拉性能及环向抗压性能，设置绝磁异形护板和中心弹性环凹槽提供磁流变液受挤压流动耗能空间，薄片永磁体和U型电磁体提供协同交变磁场回路，并结合双摩擦斜环面提供回程往复力，成功利用了磁流变液力学性能最优的挤压流动式工作模式，克服了传统磁流变液挤压流动式装置由于本身磁路设计复杂磁路等问题而不易应用于实际工程的境况。

2、设置经过每个基本出力单元内磁流变液的两种磁体产生的磁场方向相同时，本发明出力最大，调节电磁体励磁线圈的电流大小或者更改电磁体励磁线圈的电流方向，磁流变液刚度相对导磁刚性板的相对位移保持持续可调，解决了导磁刚性板彼此接触而导致的无限刚度问题，避免了自锁现象的发生，两种磁体形式的设置增大了装置阻尼刚度的可调范围，改善了装置的工作性能。

3、本发明的一种端承支撑结构减震消能装置在对各种杆塔进行安装时，宜与柱脚紧固螺栓交替间隔布置，能够有效地降低加速度响应幅值，减轻设备支撑构件的振动荷载鞭梢效应；本发明仅仅是在基础连接柱脚上进行安装，并不需要对支撑设备的支撑构件进行搬离移动，能够有效的简化设备支撑构件抗震性能改造工程难度，安装方便，便于推广。 

附图说明：

图1为本发明结构示意图

图2为导磁刚性板剖面图

图3为变形阻尼囊剖面图

图4为V型弹性护板示意图

图5为励磁线圈绕组示意图

图6为磁路系统示意图

图7为一种装置布设方案举例示意图

图中：

1．	绝磁异形护板	2.	导磁刚性板
				3.	中心弹性环	11.	电磁体
12.	永磁体	13.	磁流变液
				21.	V型弹性护板	22.	变形伸缩囊
23.	环向竖隔板	24.	隔磁铜环
				25.	隔磁铜封塞	26.	异形键
27.	U型导磁铁芯	28.	励磁线圈
				31．	承柱	32．	绝磁隔离护板
33．	垫板套件	34．	基础连接柱脚
				35．	设备承柱基础	36．	接地螺栓
37．	防护封壳	51．	绝磁端承盘
				52．	调节环组	53．	可调节传动导杆
54．	加强顶封圈

具体实施方式： 

以下结合附图对本发明做进一步详细说明：

如图1所示一种端承支撑结构减震消能装置，它包括绝磁异形护板（1）、导磁刚性板（2）、中心弹性环（3）、电磁体（11）、永磁体（12）、磁流变液（13）、V型弹性护板（21）、变形伸缩囊（22）、环向竖隔板（23）、隔磁铜环（24）、隔磁铜封塞（25）、异形键（26）、U型导磁铁芯（27）、励磁线圈（28）、承柱（31）、绝磁隔离护板（32）、垫板套件（33）、基础连接柱脚（34）、设备承柱基础（35）、接地螺栓（36）、防护封壳（37）、绝磁端承盘（51）、调节环组（52）、可调节传动导杆（53）和加强顶封圈（54）；其中，绝磁异形护板（1）、导磁刚性板（2）、中心弹性环（3）、磁流变液（13）、V型弹性护板（21）和变形伸缩囊（22）共同组成一个基本出力单元，每个基本出力单元内部上下两导磁刚性板（2）之间的初始间距为2~4mm；变形伸缩囊（22）径向截面面积沿径向呈两头小中部大的梭形，并由两个V型弹性护板（21）环绕包裹填塞于上下两个中心弹性环（3）之间，且其内外环分别环绕包裹于中心弹性环（3）凹槽和绝磁异形护板（1）凹槽中，V型弹性护板（21）示意图如图4所示，其中，V形开口处有向内倾斜的坡口面，避免V型弹性护板（21）压缩变形时对变形伸缩囊（22）剪切破坏，坡口坡度正切值由本装置受力范围以及材料刚度计算确定；变形伸缩囊（22）内充满磁流变液（13），并由上下两对称放置的导磁刚性板（2）包围，导磁刚性板（2）为环盘形状，其剖面如图2所示，导磁刚性板（2）内外环面为倾向变形伸缩囊（22）的斜环面，此斜环面与中心弹性环（3）外环斜面对缝对接，并形成一个可以滑动的环形斜面，导磁刚性板（2）外表面斜面亦与绝磁异形护板（1）内表面斜面构成另一个可滑动的环形斜面，两环形斜面为正对称布置，以增大装置中绝磁异形护板（1）和中心弹性环（3）的回弹应力，导磁刚性板（2）环向应力分布趋于合理，降低了自锁现象发生的概率；永磁体（12）为中空盘形薄片状钕铁硼强磁铁，永磁体（12）位于两个基本出力单元之间的间隙中，并用一副隔磁铜封塞（25）置于永磁体（12）内外圈围，形成如图6所示的永磁体优化磁路；隔磁铜封塞（25）上间隔均匀布置异形键（26），如图2所示，以连接相邻两个基本出力单元协同工作。 电磁体（11）位于如图3所示的本发明装置中心部位，由U型导磁铁芯（27）和励磁线圈（28）组成，其中，励磁线圈（28）绕组分别按照顺时针方向或者逆时针方向绕U型导磁铁芯（27）进行平行绕线，且隔磁铜环（24）向心端分隔电磁体（11）U型内侧绕组，形成如图6所示的电磁体优化磁路；永磁体（12）和电磁体（11）依次交替间隔布置，且电磁体（11）绕线方向按照其所形成磁场方向与永磁体（12）磁场方向以相邻相反的原则进行布置，以形成磁力线分布合理密集的磁场回路，单个基本出力单元中励磁线圈绕组及其绕线方向举例如图5所示；环向竖隔板（23）位于电磁体（11）和中心弹性环（3）之间，环向竖隔板（23）具有优良的导磁特性和低的刚度系数K，以减缓或避免中心弹性环（3）径向变形位移时中心弹性环（3）对电磁体（11）的影响；绝磁端承盘（51）依照导磁刚性板（2）外轮廓做刻空预留凹槽处理，导磁刚性板（2）紧密固定于绝磁端承盘（51）预留凹槽中；绝磁端承盘（51）之间串联叠加多个基本出力单元，并由可调节传动导杆（53）上下贯通穿过基本出力单元，可调节传动导杆（53）下端与接地螺栓（36）固定连接，可用螺栓连接并加施焊接连接固定，可调节传动导杆（53）上端与绝磁端承盘（51）连接，并用加强顶封圈（54）做进一步加固处理，可调节传动导杆（53）上端部锥形凸起设置调节环组（52）对基本出力单元组件的相对高度进行优化调节，以达到最优减震控制效果；垫板套件（33）依据工程实际情况确定其中心孔径及其相关具体尺寸，垫板套件（33）与底部的绝磁端承盘（51）固定连接；绝磁隔离护板（32）设有外伸的圆环状板脚，绝磁隔离护板（32）、垫板套件（33）和基础连接柱脚（34）用高强螺栓连接固定加强，以承担上部承柱（31）传来的动荷载；接地螺栓（36）作为预埋件牢靠固接于设备承柱基础（35）之中，在对各种杆塔进行安装时，宜柱脚接地螺栓（36）与本发明的端承细长支撑结构减震消能装置交替间隔布置，图7为布设方案举例，此图中环形代表本发明的端承细长支撑结构减震消能装置；导磁刚性板（2）、中心弹性环（3）、V型弹性护板（21）、变形伸缩囊（22）、环向竖隔板（23）和U型导磁铁芯（27）均具有良好的导磁特性；绝磁异形护板（1）为绝磁弹性材料。

工作原理：

本发明的一种端承细长支撑结构减震消能装置主要由与基础连接柱脚和接地螺栓固接的基本出力单元组件及其辅助部件共同组成。一般支撑结构通过承柱基础地基反力提供支撑上部设备重力荷载和风荷载的承载力，地面振动荷载和风振荷载使连接承柱的基础连接柱脚与设备承柱基础之间产生相对位移，承柱顶部较大的设备质量进一步增大了振动荷载作用（地震荷载及风荷载等）下承柱顶部的最大加速度响应，致使承柱底部剪力成倍增加，当承柱底部剪力超出承柱柱脚紧固螺栓的抗剪强度时，底部螺栓失效，承柱倾覆，严重影响了设备的正常工作。基于端承细长支撑结构的受力特点，合理设计本发明的一种端承细长支撑结构减震消能装置，在固接于承柱基础的接地螺栓和连接上部设备的承柱柱脚之间优化设置可调阻尼刚度的消能装置能够大幅减弱或避免上述振动荷载的破坏。本发明的关键在于导磁刚性板分别与绝磁异形护板和中心弹性环组成的接触摩擦斜环面对、充满磁流变液的变形伸缩囊以及各个基本出力单元之间间隙中设置的片状永磁体和隔磁铜封塞，隔磁铜封塞为刚度大的隔磁材料且其边缘间隔布置异形键。在振动荷载作用下，柱脚与设备承柱基础之间的相对广义位移转化为绝磁端承盘施加于基本出力单元组件上的轴向压力，导磁刚性板外环面与绝磁异形护板内环面组成第一接触摩擦斜环面，导磁刚性板内环面与中心弹性环外环面组成第二接触摩擦斜环面，导磁刚性板分别与绝磁异形护板和中心弹性环叠合而成的上述两个接触摩擦斜环面对称分布于在导磁刚性板内外环两侧，导磁刚性板径向受压，而绝磁异形护板和中心弹性环受到环向应力，均衡了导磁刚性板内外环面应力，降低或避免了环面失效和自锁现象的发生，同时增大了装置滞回曲线饱满度和变形减震耗能能力。每个基本出力单元内部上下两导磁刚性板之间的初始间距为2~4mm，两导磁刚性板间的相对位移一部分转化为两个接触摩擦斜环面的摩擦位移和绝磁异形护板和中心弹性环的变形能，另一部分则转化为内置变形伸缩囊中磁流变液发生“硬化”-磁流变效应后的滞回变形能。一般常规动荷载（风荷载、设备动荷载和多遇地震荷载等）情况下，上下基本出力单元间设置的钕铁鹏强永磁体产生的磁场回路穿透变形伸缩囊及其内部的磁流变液，内置磁流变液在初始外加磁场作用下发生“硬化”-磁流变效应，从而变形伸缩囊表现出一定的强度，在导磁刚性板间相向运动时，磁流变液受到挤压，在变形伸缩囊内部沿径向分别朝绝磁异形护板内环凹面流动和中心弹性环外环凹面流动，磁流变液呈现出挤压流动式的工作模态，此时，磁流变液应力强度随应变的增加而变大，应力应变曲线表现为先升后平。非常规动荷载（爆炸冲击荷载、近场地震荷载或者罕遇地震荷载等）情况下，基本出力单元中心设置的电磁体产生的可调节磁场回路穿透变形伸缩囊及其内部的磁流变液，内置磁流变液在可调节外加磁场作用下发生“硬化”-磁流变效应，从而表现出可变的强度，导磁刚性板间剧烈相向运动时，磁流变液受到挤压，在变形伸缩囊内部沿径向朝绝磁异形护板内环凹面流动和中心弹性环外环凹面流动，磁流变液呈现出挤压流动式的工作模态，此时，磁流变液应力强度随应变的增加而激增，应力应变曲线表现为先升后平再呈指数上升。永磁体和电磁体的磁场方向依照顺次反极依次设置。外置控制器通过调节输入电流继而得到可变的磁场，进而内充磁流变液的变形伸缩囊的力学性能得以调节，确保每个基本出力单元的上下导磁刚性板间没有硬接触产生的无限刚度引起的装置失效。

Claims (2)

1.一种端承支撑结构减震消能装置，包括：绝磁异形护板、导磁刚性板、中心弹性环、电磁体、永磁体、磁流变液、V型弹性护板、变形伸缩囊、环向竖隔板、隔磁铜环、隔磁铜封塞、异形键、U型导磁铁芯、励磁线圈、承柱、绝磁隔离护板、套件垫环、基础连接柱脚、设备承柱基础、接地螺栓、防护封壳、绝磁端承盘、调节环组、可调节传动导杆和加强顶封圈，其特征在于：由绝磁异形护板、导磁刚性板、中心弹性环、磁流变液、V型弹性护板和变形伸缩囊共同组成基本出力单元，每个基本出力单元内部上下两导磁刚性板之间的初始间距为2~4mm；所述变形伸缩囊径向截面面积沿径向呈两头小中部大的梭形，并由两个V型弹性护板环绕包裹填塞于上下两个中心弹性环之间，且其内外环分别环绕包裹于中心弹性环凹槽和绝磁异形护板凹槽中；所述导磁刚性板外环面与绝磁异形护板内环面组成第一接触摩擦斜环面，导磁刚性板内环面与中心弹性环外环面组成第二接触摩擦斜环面，导磁刚性板分别与绝磁异形护板和中心弹性环叠合而成的上述两个接触摩擦斜环面对称分布于在导磁刚性板内外环两侧；所述可调节传动导杆上下贯通穿过基本出力单元；所述永磁体和电磁体依次交替间隔布置，且电磁体绕线方向按照其所形成磁场方向与永磁体磁场方向以相邻相反的原则进行布置。

2.根据权利要求1所述的一种端承支撑结构减震消能装置，其特征在于：所述隔磁铜封塞为刚度大的隔磁材料且其边缘间隔布置异形键，以连接相邻两个基本出力单元。

Images