CN104879431B - 一种组合式磁流变弹性体智能隔震支座 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式磁流变弹性体智能隔震支座，属于结构控制领域。主要由受力子组件、励磁子组件、传感器和控制器组成。所述受力子组件从内至外由同轴的圆形磁流变弹性体‑钢板硫化叠层、环形铅芯及环形磁流变弹性体‑钢板硫化叠层组成，所述励磁子组件自内而外依次由同轴的铁芯、线圈、绝缘层和导磁钢圈组成，支座内部即可形成磁回路；所述传感器安装在上连接板和下连接板，控制器据信号调节支座的剪切刚度。本发明充分利用材料的力学和电磁特性，空间利用率和磁场利用率高，磁场均匀且漏磁少，线圈尺寸得以大幅缩减，降低了生产、使用和维护成本，且外形同铅芯橡胶支座类似，便于设计和施工。

Description

一种组合式磁流变弹性体智能隔震支座

技术领域

本发明属于结构半主动控制技术领域，涉及一种以磁流变弹性体为关键材料，刚度和阻尼可通过磁场调节的组合式磁流变弹性体智能隔震支座。

背景技术

橡胶支座隔震技术是一种成熟的结构被动控制技术，其减振效果明显，在近年来的几次大地震中，大量采用橡胶隔震支座技术的结构都经受住了检验。这种被动控制技术实施简单，可靠性强，但其缺陷是在地震时，结构不能根据不同类型的地震波输入调整自身的刚度和阻尼。在长周期地震作用下，结构可能引发共振，导致隔震支座位移超出承受能力而发生整体破坏这一灾难性后果。例如1994年的北岭地震，采用隔震的建筑破坏就较为严重。近年来，刚度和阻尼可即时调节的磁流变弹性体隔震支座的应用研究受到关注。磁流变弹性体的刚度和阻尼可随磁场变化，且响应时间在毫秒量级，还不存在磁流变液的沉淀和泄漏问题。磁流变弹性体隔震支座的出现，使得隔震技术发生了由被动控制向半主动控制的转变。然而，现有的磁流变弹性体隔震支座均采用线圈外置的方式，虽然形成了闭合的磁回路，但是磁场在磁流变弹性体中的分布非常不均匀，且漏磁现象严重。为了保证能提供足够强的磁场，往往需要很大尺寸的线圈线圈尺寸往往大于支座本身。巨大的线圈不仅使支座的生产、使用、维护成本成倍增加，也给设计支座布置方案和施工带来严重的不便。此外，巨大的线圈外置时还需要留出支座变形的空间，这就必须增加支座和线圈的间隙，加剧了漏磁现象。漏磁还会对周围环境，尤其是附近的电子设备产生影响。另外，为了改善结构隔震性能，有时需要减小支座的刚度和阻尼，而现有的磁流变弹性体支座一般只能增加刚度和阻尼，实现逆向调节需要长时间提供磁场，只利用线圈几乎难以实现逆向调节。

因此，重新进行磁路设计，减少线圈的用料和能耗，降低漏磁，并改进支座的外观，对设计出实用的磁流变弹性体智能隔震支座是十分有必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在保证支座隔震性能前提下，如何使用较少的电能给支座提供一个稳定、均匀且磁场强度满足要求的磁场，降低支座的生产、使用和维护成本，并尽量消除磁场对周围环境的影响。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种组合式磁流变弹性体智能隔震支座，包括受力组件、励磁组件、传感器和控制器；所述受力组件由至少两个受力子组件构成，每个受力子组件从内至外由同轴的圆形磁流变弹性体-钢板硫化叠层、环形铅芯及环形磁流变弹性体-钢板硫化叠层组成；所述励磁组件由至少一个励磁子组件构成，每个励磁子组件从内至外依次由同轴的铁芯、线圈、绝缘层和导磁钢圈组成；所述传感器包括上部结构传感器和下部基础传感器，分别安装在上连接板和下连接板上；控制器根据信号改变支座的剪切刚度；整个支座由保护橡胶层包裹。

所述的组合式磁流变弹性体智能隔震支座，受力子组件和励磁子组件沿竖直方向交替排列，励磁子组件的数目比受力子组件少一个。所述的组合式磁流变弹性体智能隔震支座，将各个励磁子组件的内置线圈并联。

所述的组合式磁流变弹性体智能隔震支座，其特征是环形铅芯灌注在圆形磁流变弹性体-钢板硫化叠层和环形磁流变弹性体-钢板硫化叠层之间，环形铅芯的尺寸和位置可以根据设计需要进行调整。

与现有技术相比，本发明的效果和益处是：

其一，一种组合式磁流变弹性体智能隔震支座，将线圈内置，极大缩短了线圈和磁流变弹性体之间的距离，且圆形磁流变弹性体-钢板硫化叠层和环形磁流变弹性体-钢板硫化叠层形成的闭合磁回路绝大部分是磁流变弹性体，最大限度地利用了每个线圈产生的磁场，因此线圈的尺寸得以大幅度削减，支座的生产、使用和维护成本大幅度降低，且支座外部几乎无漏磁现象。

其二，一种组合式磁流变弹性体智能隔震支座，线圈和磁流变弹性体层错开布置，线圈无需为磁流变弹性体预留变形空间，因而变形不会对线圈产生不利影响；采用多个线圈分段供磁的方式，磁流变弹性体最大限度地靠近磁源，有利于保证磁感应强度调节达到使用需要；对称结构亦保证了磁场分布均匀。

其三，一种组合式磁流变弹性体智能隔震支座，圆形磁流变弹性体-钢板硫化叠层和环形磁流变弹性体-钢板硫化叠层之间灌注环形铅芯，既能增加支座的阻尼，又能隔磁以形成闭合磁回路；同时，线圈周围采用硬质绝缘层，如陶瓷等材料，兼具绝缘、隔磁、隔热并限制环形铅芯竖向变形的效果。

附图说明

图1为本发明组合式磁流变弹性体智能隔震支座的结构竖向剖面示意图。

图2为本发明的一种组合式磁流变弹性体智能隔震支座实施例的A-A截面示意图。

图3为本发明的一种组合式磁流变弹性体智能隔震支座实施例的B-B截面示意图。

图4为本发明的一种组合式磁流变弹性体智能隔震支座实施例的磁力线分布图。

图中：1上连接板；2环形磁流变弹性体-钢板硫化叠层；3环形铅芯；

4圆形磁流变弹性体-钢板硫化叠层；5铁芯；6线圈；7绝缘层；

8导磁钢圈；9下连接板；10上部结构传感器；11控制器；

12下部基础传感器；13保护橡胶层；14磁力线。

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见图1至图3。由竖向剖面图图1可知，本实施例由4个受力子组件、3个励磁子组件、2个传感器10、12和1个控制器11组成。与上连接板1、下连接板9相连的两个受力子组件由三层磁流变弹性体和两层钢板交叠硫化成一体，并在圆形磁流变弹性体-钢板硫化叠层4和环形磁流变弹性体-钢板硫化叠层2之间灌注环形铅芯3；中间两个受力子组件则由四层磁流变弹性体和三层钢板交叠硫化并灌注环形铅芯3；所述3个励磁子组件的铁芯5的上下表面焊接钢板，线圈6缠绕在铁芯上，并覆盖绝缘层7，套上导磁钢圈8。所述的导磁钢圈8上有预留孔，引出线圈6导线。受力子组件和励磁子组件交替叠放在一起置于上连接板1和下连接板9之间，通过硫化形成整体，再将保护橡胶层13通过硫化与各部件粘结。最后，在上连接板1和下连接板9上分别安装好上部结构传感器10和下部基础传感器12；控制器11通过数据线和导线分别与2个传感器10、12和线圈6相连。A-A截面示意图图2主要显示励磁子组件的平面布置，B-B截面示意图图3主要显示受力子组件的平面布置。

所述的上连接板1，下连接板9，铁芯5，导磁钢圈8，钢板均由导磁材料制成。磁流变弹性体、钢板、线圈的尺寸均应由磁场有限元分析得出优化的几何尺寸，并应满足现有橡胶隔震支座设计规范的相关要求。

所述的磁流变弹性体，是在硅橡胶基体中添加磁致颗粒，在外加磁场作用下固化制成的智能材料。磁流变弹性体中存在磁致颗粒形成的链状或柱状的有序结构，在磁场作用下，该材料的刚度和阻尼均会增加；当撤去磁场，材料的刚度和阻尼恢复到无磁场的状态。磁流变弹性体具有响应快，可逆性好的优点。

本发明的磁力线走向如图4所示：线圈6激发磁场，铁芯5增加磁感应强度；磁力线经由铁芯5、圆形磁流变弹性体-钢板硫化叠层4、上连接板1、环形磁流变弹性体-钢板硫化叠层2、钢圈8、下连接板9回到铁芯5，形成完整的回路。

下面简述本发明的工作过程。

当结构受到地震、强风荷载等作用时，传感器10、12会感知上部结构和下部基础的运动情况，将感知信号输入控制器11，控制器按照事先设计好的控制策略，控制线圈6的输入电流，改变支座的磁感应强度，从而改变支座的刚度和阻尼，达到控制结构震动的目标。

Claims (2)

1.一种组合式磁流变弹性体智能隔震支座，该组合式磁流变弹性体智能隔震支座包括受力组件、励磁组件、传感器和控制器；其特征在于，

所述受力组件由至少两个受力子组件构成，每个受力子组件从内至外由同轴的圆形磁流变弹性体-钢板硫化叠层、环形铅芯及环形磁流变弹性体-钢板硫化叠层组成；

所述励磁组件由至少一个励磁子组件构成，每个励磁子组件从内至外依次由同轴的铁芯、线圈、绝缘层和导磁钢圈组成；

所述传感器包括上部结构传感器和下部基础传感器，分别安装在上连接板和下连接板上；

控制器根据信号改变支座的剪切刚度；

受力子组件和励磁子组件沿竖直方向交替排列，励磁子组件的数目比受力子组件少一个；励磁子组件中各个励磁子组件的内置线圈并联。

2.根据权利要求1所述的组合式磁流变弹性体智能隔震支座，其特征在于，环形铅芯灌注在圆形磁流变弹性体-钢板硫化叠层和环形磁流变弹性体-钢板硫化叠层之间，环形铅芯的尺寸和位置根据设计需要进行调整。