CN103806569A - 一种电流变弹性体智能隔震支座 - Google Patents

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马宁
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Abstract

一种电流变弹性体智能隔震支座，属于建筑结构减震技术领域。其特征是包括上连接板、下连接板、电流变弹性体、电极板、绝缘层、正极导线、负极导线和外包保护层。电极板个数为偶数，相邻电极板之间夹一层电流变弹性体。电流变弹性体采用介电颗粒填充聚合物制备而成。由上至下，各电极板分别与正极导线和负板导线交替连接。本发明的效果和益处是能够根据不同的地震波为主体结构提供不同的水平刚度，有效减小各类地震灾害对建筑结构和桥梁结构的破坏，且具有结构简单、体积较小、成本较低、可靠性好等优点。

Description

一种电流变弹性体智能隔震支座
技术领域
本发明属于建筑结构减震技术领域，特别是涉及一种电流变弹性体智能隔震支座。
背景技术
基础隔震技术是目前技术最成熟、应用最广泛的抗震技术。其基本原理是：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，从而达到减小地震反应的目的。
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，90%以上的隔震结构采用叠层橡胶支座作为隔震元件。隔震层的设计要求是：一、使主体结构在多遇地震作用下减震幅度尽可能大；二、使隔震层在罕遇地震作用下的最大侧移尽量小。普通的隔震装置虽然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；反之，当减小隔震层位移时，上部结构的剪切响应增大。因此，传统基础隔震技术对于短周期地面运动影响下的中短周期结构、及远震场地的隔震结构，其减震效果较好，但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造成不利的影响。
混合控制是解决上述矛盾的途径之一，其思想是：在传统的基础隔震系统上，加上主动控制或半主动控制元件，或增加其它被动控制方式，应用现代控制理论，对结构相应进行实时控制。理论上，混合控制不仅可改善基础隔震的适应性，还能提高隔震效果。但在实际应用中，由于系统复杂、可靠性较低，混合控制系统并未得到推广应用。
另一个解决问题的途径是设置限位保护装置，其基本思想是在原有隔震装置的基础上设置挡土墙、弹性缓冲装置等限位保护装置，当隔震装置的水平位移超过设定值时，限位保护装置对隔震层施加弹性作用力,以限制位移变形的进一步增大。实际应用中，由于设置限位装置导致结构复杂，且提供的弹性作用力无法自适应调节，其实际效果并不理想。
近年来，磁流变弹性体的出现为解决这一问题提供了新的途径。磁流变弹性体通常由橡胶和铁磁性颗粒复合制备而成，成型过程中施加磁场可使颗粒在基体中形成有序的预结构。磁流变弹性体的剪切模量等动态力学性能可通过磁场实时、可逆调节。因此，以磁流变弹性体取代橡胶制作的智能隔震支座，其剪切刚度可以通过磁场调节，可以应用于基于主动调频的振动控制领域。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。
基于上述思想，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。
遗憾的是，基于磁流变弹性体的隔震支座仍然未能得到推广应用。其主要原因在于：磁流变弹性体智能隔震支座的刚度需要通过磁场进行调节，而磁场则采用电磁线圈提供；要获得较大的刚度调节幅度，所需施加的磁场较大（一般不小于0.5T），因此必须采用较大的电磁线圈，从而带来一系列的问题，如智能隔震支座的体积较大、质量较重、成本昂贵、结构复杂、散热困难等。
电流变弹性体是一种新型的智能材料，可采用介电颗粒填充聚合物制备而成。其主要特点是，剪切弹性模量等力学性能可通过电场调节。显然，施加电场要远较施加磁场容易的多。因此，与磁流变弹性体相比，电流变弹性体的最大优势在于可以避免因施加磁场而导致的一系列问题。
因此，基于电流变弹性体，开发一种结构简单、体积较小、质量较轻、成本低廉的新型智能隔震支座，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：以电流变弹性体为核心材料，提供一种结构简单、体积较小、质量较轻、成本低廉的新型智能隔震支座，解决传统隔震系统结构复杂、刚度不能根据不同地震波输入主动调节的问题。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：一种电流变弹性体智能隔震支座，包括上连接板1、下连接板7、电流变弹性体4、电极板3、绝缘层2、正极导线5、负极导线6、外包保护层8；其特征在于：电极板3个数为偶数，相邻电极板3之间为电流变弹性体4；最上层电极板3与上连接板1之间布置绝缘层2；最下层电极板3与下连接板7之间布置绝缘层2；从上至下，电极板3与正极导线5和负板导线6交替连接；在电流变弹性体4与电极板3组成的叠层外围包覆外包保护层8。
电流变弹性体4和电极板3的形状为圆形，且电流变弹性体4的直径小于电极板3的直径；电流变弹性体4和电极板3通过粘合剂连接。
电流变弹性体4由微米级或纳米级介电颗粒填充聚合物制备而成。电极板3为钢板或铜板。
上连接板1和下连接板7为圆形或方形钢板。绝缘层2和外包保护层8由高分子材料制备而成；绝缘层2通过粘合剂与电极板3、上连接板1及下连接板7连接。
本发明的效果和益处是：一种电流变弹性体智能隔震支座将一般隔震技术与变刚度主动控制技术整合，解决了普通隔震技术不能同时减小上部结构剪力和隔震层位移的问题，避免了混合控制系统、设置限位系统及磁流变弹性体智能隔震系统的结构复杂、可靠性差、体积较大、成本较高等问题。本发明的电流变弹性体智能隔震支座可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是电流变弹性体智能隔震支座结构示意图。
图中：1上连接板；2绝缘层；3电极板；4电流变弹性体；5正极导线；6负极导线；7下连接板；8外包保护层。
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。本实施例主要包括上连接板1、下连接板7、电流变弹性体4、电极板3、绝缘层2、正极导线5、负极导线6、外包保护层8；其中，电流变弹性体4为圆形，由纳米二氧化钛颗粒填充天然橡胶制备而成，颗粒体积含量为30%；在成型过程中沿厚度方向施加电场，使二氧化钛颗粒形成有序的链状预结构；电极板3为圆形钢板，其直径较电流变弹性体4大5mm；电流变弹性体4个数为5层，电极板3个数为6层，相邻的电极板3之间夹一层电流变弹性体4；电流变弹性体4与电极板3采用粘合剂连接。
上连接板1及下连接板7为圆形钢板；绝缘层2为天然橡胶；最上层电极板3与绝缘层2粘接，绝缘层2与上连接板1粘接；最下层电极板3与绝缘层2粘接，绝缘层2与下连接板7粘接。
由上至下，第1、3、5层电极板3与正极导线5焊接，第2、4、6层电极板3与负极导线6焊接。
外包保护层8为天然橡胶，包覆于电流变弹性体智能隔震支座外围。
所述的一种电流变弹性体智能隔震支座的各部分尺寸，包括上连接板1与下连接板7的直径及厚度，电流变弹性体4的直径和厚度，电极板3的直径及厚度，绝缘层2的厚度等参数需根据拟安装结构的动力学参数、拟控制的刚度范围、拟承受的地震波的频率、电流变弹性体的性能等计算求得。

Claims (10)

1.一种电流变弹性体智能隔震支座，包括上连接板（1）、下连接板（7）、电流变弹性体（4）、电极板（3）、绝缘层（2）、正极导线（5）、负极导线（6）、外包保护层（8）；其特征在于：电极板（3）个数为偶数，相邻电极板（3）之间为电流变弹性体（4）；最上层电极板（3）与上连接板（1）之间布置绝缘层（2）；最下层电极板（3）与下连接板（7）之间布置绝缘层（2）；从上至下，各电极板（3）与正极导线（5）和负板导线（6）交替连接；在电流变弹性体（4）与电极板（3）组成的叠层外围包覆外包保护层（8）。
2.根据权利要求1所述的一种电流变弹性体智能隔震支座，其特征在于：电流变弹性体（4）和电极板（3）的形状为圆形，且电流变弹性体（4）的直径小于电极板（3）的直径；电流变弹性体（4）和电极板（3）通过粘合剂连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种电流变弹性体智能隔震支座，其特征在于：电流变弹性体（4）由微米级或纳米级介电颗粒填充聚合物制备而成。
4.根据权利要求1或2所述的一种电流变弹性体智能隔震支座，其特征在于：电极板（3）为钢板或铜板。
5.根据权利要求3所述的一种电流变弹性体智能隔震支座，其特征在于：电极板（3）为钢板或铜板。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种电流变弹性体智能隔震支座，其特征在于：上连接板（1）和下连接板（7）为圆形或方形钢板。
7.根据权利要求3所述的一种电流变弹性体智能隔震支座，其特征在于：上连接板（1）和下连接板（7）为圆形或方形钢板。
8.根据权利要求4所述的一种电流变弹性体智能隔震支座，其特征在于：上连接板（1）和下连接板（7）为圆形或方形钢板。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的一种电流变弹性体智能隔震支座，其特征在于：绝缘层（2）和外包保护层（8）由高分子材料制备而成；绝缘层（2）通过粘合剂与电极板（3）、上连接板（1）及下连接板（7）连接。
10.根据权利要求6所述的一种电流变弹性体智能隔震支座，其特征在于：绝缘层（2）和外包保护层（8）由高分子材料制备而成；绝缘层（2）通过粘合剂与电极板（3）、上连接板（1）及下连接板（7）连接。
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