CN104179118B - 抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器的设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器的设计方法及装置，该方法采用竖向刚度大、结构强度高、弹性模量可调的磁流变弹性体作为支座主体，通过支座刚度的调整来实现桥墩-梁结构在大载荷作用下的抗冲隔振；采用能提供大阻尼且介质无沉降的磁流变脂阻尼器作为减振器件，在阻尼器两端用球形铰链连接方式来提高其三维转动能力，通过阻尼的调节抑制墩-梁位移并进一步减振耗能；磁流变弹性体支座、磁流变脂阻尼器和控制器共同构成桥墩抗冲隔振支承装置，控制器通过检测桥梁的冲击振动状态来智能地调整支座-阻尼器的刚度、阻尼，提高墩-梁结构强度和阻尼比，在桥梁受到大载荷冲击振动时，缓减或隔离冲击的传递并抑制墩-梁移位，保障桥梁结构安全。

Description

抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器的设计方法及装置

技术领域

本发明涉及一种大冲击载荷下桥梁结构的抗冲减振及灾害防护技术，特别涉及一种抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器的设计方法及装置。

背景技术

桥梁在面临地震、爆炸、车辆过载与撞击、船撞桥墩等大载荷作用威胁时，常在墩-梁结合处产生很大的冲击破坏力和移位，轻则引起墩-梁结构损伤、重则造成坍塌，给人民生命财产和国民经济发展带来危害。目前，降低墩-梁结构在大冲击载荷下的动态响应并提高其缓冲隔振能力，已成为桥梁结构抗冲防护工程领域亟待解决的关键问题。

为了提高桥墩隔减振及缓冲能力，通常在桥的梁与墩(台)之间设置被动支座(如钢支座、橡胶支座、特殊抗震支座等类型)，它具有较高的垂向刚度和较低的水平弹性(刚度)，能够一定程度地通过延长结构振动周期来减少冲击振动对桥梁上部结构的破坏力。传统被动支座在一般振动载荷作用下虽然具有良好的隔减振性能，但在大载荷冲击下却无法“智能”地调节自身刚度、提升竖向强度来抵抗冲击力和大变形，也无法产生较大的阻尼/形变来耗散瞬间大能量，因而在大水平剪切力作用下会产生破坏性的位移，总体上缺乏良好的抗冲击和振动隔离的兼容能力，成为桥梁结构安全体系中的最薄弱环节，常引发墩-梁移位、落梁等震害发生，给墩-梁结构的抗冲防护带来极大的隐患。

桥墩支座是连接桥梁上部结构与桥墩(台)之间的纽带，其性能直接决定了梁-墩结构的隔减振和抗冲能力。桥墩支座的发展经过了钢支座、橡胶垫支座、平面滑动橡胶支座和盆式橡胶支座等。近年来，国内外学者开始采用半主动与被动减振结合的方式来设计桥梁支承装置，如采用可调阻尼的磁流变液阻尼器与被动橡胶支座配合，可在一定程度抑制支承系统的振动能量。但即使采用了阻尼可调器件和被动支座结合方式，其抗冲能力也是有限的，因为(大载荷)冲击发生的持续时间非常短(可在几十毫秒内)，最大动态载荷通常发生在前几个周期，仅仅调节阻尼是不够的，还需要能自适应调节刚度来改变结构的固有频率(振动周期)、提高结构强度和抗冲能力。所以，探索把可调刚度、阻尼的磁流变弹性体元件和磁流变脂器件同时用于桥墩抗冲支承装置研究，通过刚度、阻尼的智能调节来提高结构强度(或调整共振频率)和阻尼比，在桥梁受到大载荷冲击及振动的紧急时刻，去缓减或隔离冲击振动力(能量)的传递并抑制墩-梁移位，双管齐下保障墩-梁结构安全就显得尤为重要。

因此，探索利用剪切、拉伸模量及各向刚度可调的磁流变弹性体支座替代桥墩被动支座，用阻尼可调的磁流变脂器件替代有介质沉降缺点的一般流体阻尼器，提出基于刚度阻尼耦合作用的抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器设计方法及系统装置，为在大冲击载荷下的桥墩半主动抗冲隔振系统提供保护，对保障墩-梁结构安全有十分重要的学术意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器的设计方法及其装置，将磁流变弹性体支座和磁流变脂阻尼器组合使用，结合冲击振动状态控制器，保障大载荷冲击振动下的墩-梁结构安全。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器的设计方法，该方法采用弹性模量可调的高强度磁流变弹性体作为支座主体，通过支座刚度的调整来实现桥的墩-梁结构的抗冲隔振；采用阻尼大范围可调的磁流变脂阻尼器作为减振器件，通过阻尼(力)的调节抑制墩-梁移位并进一步减振耗能；将磁流变弹性体支座、磁流变脂阻尼器和控制器共同构成桥墩抗冲隔振支承装置，通过检测桥梁的冲击振动状态来智能地控制支座-阻尼器的刚度、阻尼，提高墩-梁结构强度(或调整共振频率)和阻尼比，缓减或隔离冲击振动力(能量)的传递并抑制墩-梁位移，从而保障桥梁结构安全。

进一步，所述磁流变弹性体支座包括金属片、橡胶、磁流变弹性体单元、磁芯、电磁线圈、钢壳；在支座内，金属片、橡胶和磁流变弹性体单元间隔排布，构成金属片-橡胶层-磁流变弹性体单元层；其中，磁流变弹性体单元由高分子聚合物和微米尺度的铁磁性颗粒组成，在通电线圈的磁场作用下铁磁性颗粒可形成链或柱状等有序聚集结构。这样，能显著改变其剪切模量，以磁流变弹性体为核心设计的智能支座能在冲击振动载荷作用的初期快速调节自身刚度、提升竖向强度，调整墩-梁结构的固有频率并降低破坏性位移和抵抗冲击力；并且磁流变弹性体支座在不注入控制量(或控制失效)时，该结构中金属片-橡胶层-弹性体单元层仍具有被动支座的基本功能，从而保证支座“失效安全”。

进一步，在该设计方法中，所述的磁流变脂阻尼器包括圆筒、活塞、线圈绕组、磁流变脂、永磁体、活塞杆、压力补偿器；其中，磁流变脂是以溶胶作为连续相的母液，将微米级的磁性颗粒均匀地分散到其中而形成，在通电线圈产生的励磁电流磁场作用下，磁流变脂中的铁磁颗粒会形成链状结构，并通过与永磁体磁场叠加，使得中低等振动工况条件下线圈的励磁电流为零，从而降低阻尼器能耗。在大载荷冲击的后期，磁流变脂阻尼器对冲击残余和振动的衰减能力较强，可抑制墩-梁结构的振动能量并限制墩-梁的纵横向位移；通过在阻尼器两端采用球形链接方式，提升其三维转(移)动水平和抑制墩-梁空间位移的能力。

本发明还提供了一种抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器系统：该系统包括磁流变弹性体支座、磁流变脂阻尼器和逻辑控制器，三者共同构成桥墩抗冲隔振支承装置；通过传感器检测桥的墩-梁结构的冲击振动状态，逻辑控制器根据冲击振动的大小划分控制等级，根据不同等级计算出对应的输入到支座-阻尼器的驱动电流，通过对磁流变弹性体支座和磁流变脂阻尼器的刚度、阻尼的快速调节，来实现桥的墩-梁结构的抗冲隔振、限位和耗能功能，保障桥梁结构安全。

本发明的有益效果在于：本发明从大载荷冲击下保证桥墩-梁的安全角度出发，采用基于可调刚度、阻尼的磁流变弹性体及磁流变脂技术，利用剪切、拉伸模量及各向刚度可调的磁流变弹性体支座替代桥墩被动支座，使得桥墩支座在冲击载荷下可以“智能”地调节自身刚度来改变结构的固有频率(振动周期)、提升竖向强度来抵抗冲击力和大变形；用阻尼可调的磁流变脂器件替代有介质沉降缺点的一般流体阻尼器，使得阻尼器在桥梁受到冲击及振动的紧急时刻，能进一步通过调节阻尼比去缓减冲击振动力(能量)的传递并抑制墩-梁移位。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为磁流变支座-阻尼器构成的桥墩抗冲隔振型复合支承系统示意图；

图2为失效安全的磁流变弹性体支座设计原理图；

图3为可三维转动的低能耗磁流变脂阻尼器设计原理图；

图4为抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器可控支承装置的构成示意图。

具体实施方式

本发明涉及的基于可调刚度阻尼技术的抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器设计方法及系统装置，其技术方案主要涉及刚度可调的磁流变弹性体支座、阻尼可控的磁流变脂阻尼器和冲击振动控制器的设计。在大冲击载荷初期，通过快速调节磁流变弹性体支座的刚度、提升竖向强度，来调整墩-梁结构的固有频率并提升其抵抗冲击振动破坏的能力；在冲击振动的后期，通过磁流变脂阻尼器产生较大的阻尼(力)来调节结构阻尼比，耗散能量并减小支座位移，且阻尼器的两端采用球形铰链可变安装方式，可全方位转动来抑制各方向冲击振动作用下的支座-阻尼器的位移；控制器设置在该磁流变支座-阻尼系统当中，与支座-阻尼器采用一体化设计，它内部采用电流分档逻辑控制，可根据传感器采集的振动冲击状态计算出磁流变支座-阻尼器对应的驱动电流值，使得该抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器系统装置做出相应等级的快速响应。

基于可调刚度阻尼的抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器系统装置，可分为磁流变弹性体支座、磁流变脂阻尼器及冲击振动状态控制器三部分。

1.磁流变弹性体支座：

磁流变弹性体支座由金属片、橡胶、磁流变弹性体单元、磁芯、电磁线圈、钢壳等组成，且结构中的金属片、橡胶、磁流变弹性体单元分层交替分布，构成金属片-橡胶单元-磁流变弹性体单元的组合方式；其中，磁流变弹性体单元是由高分子聚合物(如橡胶等)和微米尺度的铁磁性颗粒组成，混合有铁磁性颗粒的聚合物在外加磁场作用下具有固化特性，使铁磁性颗粒在磁场方向形成链或柱状等有序聚集结构，能显著改变其剪切模量，因此磁流变弹性体支座具有水平剪切模量、垂向拉伸(挤压)模量可产生明显变化的能力，从而使得其刚度可调，且其装置具有无需密封、性能稳定、响应迅速的特点。当不注入控制量(或控制失效)时，磁流变弹性体支座结构中金属层-橡胶-弹性体仍可构成被动支座，具备基本的隔减振能力，从而保证“失效安全”。

2.磁流变脂阻尼器：

磁流变脂阻尼器包括圆筒、活塞、线圈绕组、磁流变脂、永磁体、活塞杆、压力补偿器等。磁流变脂是以溶胶作为连续相的母液，将微米级的磁性颗粒均匀地分散到其中而形成，其特征在于在外加磁场作用下，铁磁颗粒会形成链状结构，且通过励磁电流磁场与永磁体磁场叠加，使得中低等振动工况条件下线圈的励磁电流为零，从而降低阻尼器能耗；在大载荷冲击的后期，磁流变脂阻尼器对冲击残余响应衰减能力较强，可在一定程度抑制桥墩支承系统的振动能量，进而限制梁-墩的纵横向位移，提高支座-阻尼系统的减振耗能水平。

在磁流变脂阻尼器两端采用球形铰链连接方式，其特征在于该器件两端可三维转(移)动，使得通过阻尼(力)调节可以在三维空间上抑制墩-梁位移并进一步提升其空间减缓振动的能力。

3.控制装置：

桥墩冲击振动状态控制装置包括：用来检测和判断冲击振动状态的加速度传感器、力传感器、位移传感器；采用分级控制的逻辑控制器，可根据传感器采集的振动冲击状态快速计算出磁流变支座-阻尼器对应的刚度、阻尼值；把控制器的输出信号转换成磁流变支座-阻尼器对应的驱动电流值的电流驱动器，促使该桥墩支座-阻尼系统做出不同等级的快速响应。

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，磁流变支座-阻尼器共同构成的桥墩抗冲隔振型复合支承系统涉及桥面冲击力、磁流变弹性体支座、两端带有球形铰链的磁流变脂阻尼器、地面冲击力、桥墩等。当桥面或地面受到大载荷冲击时，桥墩支座-阻尼器系统中的传感器会采集到冲击振动能量状态，控制器根据冲击振动能量的等级对电流进行分级计算输出刚度阻尼控制值，经过电流驱动器把最佳刚度阻尼值转换成磁流变支座、阻尼器的驱动电流，使得复合式支座-阻尼系统中的磁流变弹性体支座和磁流变脂阻尼器可快速调节自身刚度和阻尼、提升竖向强度来抵抗冲击力及破坏性位移，提高墩、梁结构的抗冲隔振兼容能力。当遭遇的地震强度较大或发生爆炸、车船撞击时，隔震支座非线性行为极为突出且产生过大变形时,为防止支座自身破坏，且因梁、墩之间相对位移过大从而引发主梁间的碰撞和落梁的状况发生，磁流变脂阻尼器会及时对冲击残余进行响应，调节自身阻尼比，去缓减或隔离来自多方向的冲击振动力(能量)的传递并抑制墩-梁移位。通过磁流变弹性体支座和磁流变脂阻尼器协同作用，共同保障危急时刻下的桥梁结构安全。

如图2所示，刚度可调的失效安全型磁流变弹性体支座，由线圈绕组、磁芯、橡胶、金属片、磁流变弹性体单元、钢壳等组成，它放置于桥的梁下部和墩顶部之间。其具体设计步骤如下：

1)在设计磁流变弹性体支座时，先用Maxwell电磁学软件对其结构进行建模，根据不同基体材料、磁颗粒形状及密度、磁链，橡胶-金属片的层数、弹性体单元的厚度及分布等，对磁流变弹性体支座进行仿真分析，找到最佳配比关系，使得磁流变弹性体支座在大载荷冲击下能提供最大的剪切拉伸模量。

2)磁流变弹性体是使用高分子聚合物来代替磁流变液的油基或水基的液态基体，将微米级磁性颗粒散布在粘塑性态的高分子聚合物基体中，固化后形成的复合材料。将电磁线圈均匀地缠绕在磁芯上，然后按照仿真分析得到的结果，以最优的材料配比来制备弹性体单元；根据优化后的结构分层，来放置橡胶-金属片单元以及磁流变弹性体单元，周围用钢壳保护。

3)当有大冲击载荷出现时，与磁流变弹性体支座配合使用的控制器会判断冲击振动状态并使电流驱动器分级控制电流输入，支座中的线圈绕组通电后，在磁场作用下磁流变弹性体内部颗粒被磁化后，产生相互作用力，在磁流变弹性体受到形变时，这些磁力在其内部形成反向力矩，增强材料抵抗变形能力。因此，磁流变弹性体在外加磁场下会产生磁致模量和磁致阻尼，磁流变弹性体支座的水平剪切模量、垂向拉伸(挤压)模量可产生明显变化，从而使得其能自适应调节刚度来改变结构的固有频率(振动周期)、提高墩-梁结构的强度和抗冲能力。

本发明中的磁流变弹性体支座在不注入控制量(或控制失效)时，该结构中金属层-橡胶层-弹性体单元仍构成被动支座，从而保证了支座结构的“失效安全”。

如图3所示，可三维转动的低能耗磁流变脂阻尼器，由圆筒、运动主杆、活塞、绕组、永磁铁、磁流变脂、压力补偿器、球形链接等组成，它同样放置于桥的梁下部和墩顶部之间。

设计时，先根据Maxwell软件对磁流变脂阻尼器模型进行仿真分析，找到磁流变脂材料的最佳组成成份配比，再制备磁流变脂材料，放置于圆筒内，上下分别有端盖和活塞，端盖以下是压力补偿器，活塞连着运动主杆，活塞上方安置有永磁铁以及电磁绕组，由圆筒构成封闭空间，制成磁流变脂阻尼器件。

通过励磁电流磁场与永磁体磁场叠加，使得中低等振动工况条件下线圈的励磁电流为零，从而降低阻尼器能耗。磁流变脂中的铁磁颗粒将沿外加磁场方向成链排列，使得表观粘度和剪切模量可以发生显著的变化，且链状结构的形成阻止了磁流变脂的自由流动并使其具备一定的剪切屈服应力。采用球形铰链连接方式使得该器件两端具有三维转(移)动能力，通过阻尼(力)调节来提高桥梁结构在突发大载荷下的横向耗能水平，可以抑制墩-梁的空间位移并进一步提升减振能力。

如图4所示，磁流变弹性体支座、磁流变脂阻尼器和控制器采用一体化设计，当大载荷冲击出现时，控制器通过传感器采集加速度、力和位移等冲击振动信息，通过对冲击能量的等级进行判断计算出最佳的缓冲隔振刚度阻尼可控值，然后由电流驱动器根据控制结果施加给磁流变弹性体支座和磁流变脂阻尼器对应的驱动电流值，通过对桥墩磁流变支座-阻尼器系统装置的刚度阻尼值的快速调节，共同减小冲击振动能量并抑制桥的墩-梁位移，为桥梁结构安全提供更为坚实的保障。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器的设计方法，其特征在于：该方法采用弹性模量可调的高强度磁流变弹性体作为支座主体，通过支座刚度的调整来实现桥的墩-梁结构的抗冲隔振；采用阻尼大范围可调的磁流变脂阻尼器作为减振器件，通过阻尼的调节抑制墩-梁移位并进一步减振耗能；将磁流变弹性体支座、磁流变脂阻尼器和控制器共同构成桥墩抗冲隔振支承装置，通过检测桥梁的冲击振动状态来智能地控制支座-阻尼器的刚度、阻尼，提高墩-梁结构强度和阻尼比，缓减或隔离冲击振动力的传递并抑制墩-梁位移，从而保障桥梁结构安全。

2.根据权利要求1所述的一种抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器的设计方法，其特征在于：所述磁流变弹性体支座包括金属片、橡胶、磁流变弹性体单元、磁芯、电磁线圈、钢壳；在支座内，金属片、橡胶和磁流变弹性体单元间隔排布，构成金属片-橡胶层-磁流变弹性体单元层；其中，磁流变弹性体单元由高分子聚合物和微米尺度的铁磁性颗粒组成，在通电线圈的磁场作用下铁磁性颗粒可形成链或柱状有序聚集结构。

3.根据权利要求1所述的一种抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器的设计方法，其特征在于：在该设计方法中，所述的磁流变脂阻尼器包括圆筒、活塞、线圈绕组、磁流变脂、永磁体、活塞杆、压力补偿器；其中，磁流变脂是以溶胶作为连续相的母液，将微米级的磁性颗粒均匀地分散到其中而形成，在通电线圈产生的励磁电流磁场作用下，磁流变脂中的铁磁颗粒会形成链状结构，并通过与永磁体磁场叠加，使得中低等振动工况条件下线圈的励磁电流为零，从而降低阻尼器能耗。

4.一种抗冲隔振型桥墩磁流变支座-阻尼器装置系统，其特征在于：该系统包括磁流变弹性体支座、磁流变脂阻尼器和逻辑控制器，三者共同构成桥墩抗冲隔振支承装置；通过传感器检测桥的墩-梁结构的冲击振动状态，逻辑控制器根据冲击振动的大小划分控制等级，根据不同等级计算出对应的输入到支座-阻尼器的驱动电流，通过驱动电流的变化实现对磁流变弹性体支座和磁流变脂阻尼器的刚度、阻尼的快速调节，来实现桥的墩-梁结构的抗冲隔振、限位和耗能功能，保障桥梁结构安全。