CN106121078B - 一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑，内管的中部外套设两个永久磁铁，永久磁铁外套设隔磁环，永久磁铁和隔磁环的左右两侧固定设置活塞，活塞外套设有圆缸筒，圆缸筒的两端固定设置密封端板，圆缸筒、内管、活塞与密封端板的密封空间内填充磁流变液；内管的两端分别套设有左侧碟簧和右侧碟簧，左侧碟簧和右侧碟簧的两端分别设置碟簧端板，碟簧端板和密封端板的中心开孔套设在内管上，碟簧端板和密封端板上分别设有四个导向轴孔，导向轴套设在导向轴孔内。通过阻尼通道宽度的变化，活塞挤压磁流变液克服在永久磁场作用下固化产生的随位移幅值的增加而增加的剪切屈服力，构件起滑力较小，拥有较好的耗能能力。

Description

一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑

技术领域

本发明涉及磁流体阻尼器技术领域，具体涉及一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑。

背景技术

地震是危及人民生命财产的突发式自然灾害。已有研究表明，结构震后的残余变形角大于0.5％时，维修成本便大于重建成本。当建筑物遭遇高于本地区设防烈度的强地震作用时，即使保持了结构的整体完整性，但由于变形过大、部分构件的严重破坏而需要大范围的加固修复，甚至只能推倒重建造成了巨大的浪费，影响了人们的正常生活。为此，国内外学者近年提出将“可恢复功能结构”作为地震工程合作的大方向。可恢复功能结构是指地震(设防或罕遇地震)后不需修复或在部分使用状态下稍许修复即可恢复其使用功能的结构，不仅能够消耗地震传输给结构的能量，而且震后能够很快的恢复其正常使用功能，帮助人们尽快恢复正常生活，如摇摆墙、自复位框架、可更换结构构件、自复位构件等。

目前自复位构件主要有形状记忆合金自复位阻尼器、预应力筋自恢复耗能支撑。形状记忆合金自复位阻尼器充分利用了形状记忆合金的超弹性性能，旗形滞回曲线饱满，减少甚至消除了残余变形，但是形状记忆合金的性能受温度影响，并且在变形后需要通过对形状记忆合金加热才能使其恢复到变形前的状态，升温可能会对阻尼器的其它组件产生不利影响且造价昂贵；采用预应力筋的自恢复耗能支撑由于预应力筋弹性变形小的缺点，满足不了典型框架结构层间位移及大变形结构的需求。

自复位构件在工程应用中关键的问题是如何根据结构振动强度确定耗能构件合适的起滑力，现有自复位耗能构件的阻尼力不随位移幅值变化而改变，自复位构件进入耗能阶段时的起滑力至少为阻尼力与预压力之和，起滑力通常较大。如果在建筑结构的抗震和抗风设计中按强振作用工况设计耗能构件，则该构件在弱振作用下不会滑动，不容易进入耗能阶段，不能有效耗散外部输入的能量。而如果按弱振工况确定构件起滑力，则耗能构件在强振作用下将因出力吨位过小，致使结构响应过大而达不到理想的减振和耗能效果。

磁流变液是近年来出现的一种新型智能材料。在磁场的作用下，磁流变液可以在毫秒级的时间内由流动性良好的牛顿流体转变为高粘度、低流动性的Bingham粘塑性体，活塞挤压磁流变液克服在阻尼通道固化的剪切屈服力提供阻尼力，制成的磁流变阻尼器具有出力大、能耗低、响应快等优点，但传统的磁流体阻尼器没有复位功能，不能提供恢复力，通常震后具有较大的残余变形，不能有效保证地震下结构的安全。

因此，需要提供一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑，解决现有自复位构件起滑力较大的问题，同时兼顾磁流变液和碟簧的优点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑，通过阻尼通道宽度的变化，活塞挤压磁流变液克服在永久磁场作用下固化产生的剪切屈服力随位移幅值的增加而增加。受压碟簧不仅可以作为恢复材料提供恢复力，而且叠加后的碟簧在工作时具有一定的耗能能力，变形后不需要采取任何措施即可恢复到变形前的状态。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑，包括导向轴组合、内管组合、自复位装置和耗能装置，所述内管组合包括内管、碟簧端板挡块和内管端部挡块，所述导向轴组合包括导向轴和导向轴螺母，所述自复位装置包括左侧碟簧、右侧碟簧和碟簧端板，所述耗能装置包括圆缸筒、密封端板、活塞、永久磁铁、隔磁环和磁流变液。

所述内管的中部外套设两个永久磁铁，所述永久磁铁外套设隔磁环，所述永久磁铁和隔磁环的左右两侧固定设置活塞，所述活塞外套设有圆缸筒，所述圆缸筒的内壁上对应活塞处设有凹槽，所述圆缸筒的两端固定设置密封端板，所述圆缸筒、内管、活塞与密封端板的密封空间内填充磁流变液；本装置实现阻尼力的随位移幅值变化而变化的方式为间隔设置活塞与圆缸筒内侧之间1.5mm或6.5mm不等的空隙(阻尼通道)。磁流变液在磁场作用下的固化产生的剪切屈服强度与磁场强度成正比，而磁场强度又与阻尼通道的宽度成反比。所述圆缸筒内径发生变化，使构件工作时圆缸筒与活塞间隙发生变化，形成不等的阻尼通道。故在装置响应的初始阶段，阻尼通道较宽，磁场强度小，磁流变液剪切屈服强度小，随着位移的增大，阻尼通道逐渐减小，磁场强度随之变大，磁流变液剪切屈服强度也不断提高。因此，支撑起滑力为碟簧预压力和初始等效库仑阻尼力之和，在往复响应的过程中，其阻尼力随位移幅值的增加而增大，这样既保证了支撑具有较小的起滑力，尽快进入工作状态，又提供了持续可靠的耗能能力，消减输入结构的能量。

所述内管的两端分别套设有左侧碟簧和右侧碟簧，所述左侧碟簧和右侧碟簧的两端分别设置碟簧端板，内侧碟簧端板外侧端的内管上固定设置碟簧端板挡块，外侧碟簧端板外侧端的内管上固定设置内管端部挡块；

所述碟簧端板和密封端板的中心开孔套设在内管上，所述碟簧端板和密封端板上分别设有四个导向轴孔，所述导向轴套设在导向轴孔内，所述碟簧端板的外侧端和密封端板的外侧端的导向轴上固定设置导向轴螺母。碟簧端板给左侧碟簧和右侧碟簧施加初始的压缩变形，从而使内管与导向轴成为一个整体。

优选地，所述内管的左端固定设置内管连接板，所述导向轴的右端固定设置导向轴连接板，所述导向轴连接板外侧端的导向轴上固定设置导向轴螺母。内管连接板和导向轴连接板分别与建筑结构上(下)层连接。

优选地，所述左侧碟簧和右侧碟簧的内径大于内管的外径，所述左侧碟簧和右侧碟簧的外径小于对角导向轴之间的距离。这样可以保证左侧碟簧和右侧碟簧可以在内管上相对滑动，左侧碟簧和右侧碟簧不与导向轴相接触。

优选地，所述碟簧端板的中心开孔直径大于内管的外径，保证碟簧端板可以在内管上相对滑动，所述密封端板的中心开孔直径大于内管的外径。这样可以保证密封端板与内管相对滑动。

优选地，所述碟簧端板和密封端板上的导向轴孔的直径大于导向轴的外径。这样可以保证碟簧端板和密封端板与导向轴可以相对滑动。

优选地，所述导向轴、圆缸筒、活塞和内管的材质为45号钢。所述左侧碟簧和右侧碟簧的材质为60CrMnA的热轧碟簧钢。所述密封端板、碟簧端板、碟簧端板挡块、内管端部挡块、内管连接板和导向轴连接板的材质为Q345钢。所述隔磁环的材质为06Cr19Ni10的304不锈钢。所述永久磁铁为圆环状钕铁硼磁铁。

本发明的有益效果如下：

本发明的一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑由于采用了以上技术方案，不仅拥有较好的耗能能力，在卸载以后能恢复到初始状态，地震作用后减少甚至消除了结构的残余变形，而且装置起滑力仅为初始较小的阻尼力和预压力之和，在结构受到较低的震动影响下，既不提供较大的刚度又能确保可靠的耗能能力，可以尽快进入工作。结构的位移响应越大，装置提供的阻尼力就越大，消耗的能量就越多，确保了结构在强振作用下理想的减振和耗能效果。此装置内部通过机械连接传力，组装简单，使用方便，具有更高的可靠性，大大减少了焊接范围，避免了因焊接导致的钢材金相组织和机械性能发生变化及焊接残余应力，构件受力性能更加稳定。

与运用形状记忆合金的自复位阻尼器及运用预应力钢筋的自恢复耗能支撑相比，具有以下有益效果：

(1)与运用形状记忆合金的自复位阻尼器相比，碟簧在其弹性变形范围内不需采取任何措施即可恢复到变形前的状态，而形状记忆合金在变形后需要对其进行加热处理才能恢复到变形前的状态。

(2)与运用预应力钢筋的自恢复耗能支撑相比，在弹性变形范围内，碟簧的变形能力远大于预应力钢筋的变形能力，能够满足典型结构层间位移的需求，从而增大构件的耗能能力。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明的一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑的结构示意图。

图2示出本发明图1中的G部放大图。

图3示出本发明的一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑的导向轴组合结构示意图。

图4示出本发明的一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑的内管组合结构示意图。

图5示出本发明图1中的A-A方向剖面示意图。

图6示出本发明图1中的B-B方向剖面示意图。

图7示出本发明图1中的C-C方向剖面示意图。

图8示出本发明图1中的D-D方向剖面示意图。

图9示出本发明图1中的E-E方向剖面示意图。

图10示出本发明图1中的F-F方向剖面示意图。

图中各标记如下：1导向轴，2圆缸筒，3内管，4密封端板，5碟簧端板，6碟簧端板挡块，7内管端部挡块，8导向轴螺母，9活塞，10永久磁铁，11隔磁环，12磁流变液，13内管连接板，14导向轴连接板，15左侧碟簧，16右侧碟簧。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1-图10所示，一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑，包括导向轴组合、内管组合、自复位装置和耗能装置，所述内管组合包括内管3、碟簧端板挡块6和内管端部挡块7，所述导向轴组合包括导向轴1和导向轴螺母8，所述自复位装置包括左侧碟簧15、右侧碟簧16和碟簧端板5，所述耗能装置包括圆缸筒2、密封端板4、活塞9、永久磁铁10、隔磁环11和磁流变液12。

如图2所示，所述内管3的中部外套设两个永久磁铁10，所述永久磁铁10外套设隔磁环11，所述永久磁铁10和隔磁环11的左右两侧固定设置活塞9，所述活塞9外套设有圆缸筒2，所述圆缸筒2的内壁上对应活塞9处设有凹槽，所述圆缸筒2的两端固定设置密封端板4，所述圆缸筒2、内管3、活塞9与密封端板4的密封空间内填充磁流变液12。

所述内管3的两端分别套设有左侧碟簧15和右侧碟簧16，所述左侧碟簧15和右侧碟簧16的两端分别设置碟簧端板5，内侧碟簧端板5外侧端的内管3上固定设置碟簧端板挡块6，外侧碟簧端板5外侧端的内管2上固定设置内管端部挡块7。

所述碟簧端板5和密封端板4的中心开孔套设在内管2上，所述碟簧端板5和密封端板4上分别设有四个导向轴孔，所述导向轴1套设在导向轴孔内，所述碟簧端板5的外侧端和密封端板4的外侧端的导向轴1上固定设置导向轴螺母8。

所述内管3的左端固定设置内管连接板13，所述导向轴1的右端固定设置导向轴连接板14，所述导向轴连接板14外侧端的导向轴上固定设置导向轴螺母8。内管连接板13和导向轴连接板14分别与建筑结构上(下)层连接。

如图3所示，装置密封主要是由导向轴螺母803和导向轴螺母804压紧的圆缸筒2与密封端板4之间静密封，以及内管3与密封端板4之间动密封。所述左侧碟簧15和右侧碟簧16的内径大于内管3的外径，所述左侧碟簧15和右侧碟簧16的外径小于对角导向轴1之间的距离。所述碟簧端板5的中心开孔直径大于内管3的外径，所述密封端板4的中心开孔直径大于内管3的外径。所述碟簧端板5和密封端板4上的导向轴孔的直径大于导向轴1的外径，保证相对滑动。

所述导向轴1、圆缸筒2、活塞9和内管3的材质为45号钢。所述左侧碟簧15和右侧碟簧16的材质为60CrMnA的热轧碟簧钢。所述密封端板4、碟簧端板5、碟簧端板挡块6、内管端部挡块7、内管连接板13和导向轴连接板14的材质为Q345钢。所述隔磁环11的材质为06Cr19Ni10的304不锈钢。所述永久磁铁10为圆环状钕铁硼磁铁。

本发明一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑的实现情况如下：

应用时将具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑的内管连接板13和导向轴连接板14分别铰接在建筑结构上下层之间或安装在桥梁结构最大位移处。在正常使用状态下，由左侧碟簧15和右侧碟簧16的预压力及因阻尼通道内磁流变液12固化产生的初始等效库仑阻尼力提供支持力。在地震荷载或大的振动作用下，具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑两端受力超过初始预压力及初始等效库仑阻尼力时，内管3与导向轴1发生相对移动。当耗能支撑两端受拉时，内管3上的碟簧端板挡块6和内管端部挡块7推动碟簧端板5挤压左侧碟簧15和右侧碟簧16，同时导向轴螺母8阻挡碟簧挡板5移动，使得左侧碟簧15和右侧碟簧16发生更大的压缩变形。当作用在耗能支撑两端的荷载减少时，左侧碟簧15和右侧碟簧16作用在内管3和导向轴1上的反作用力提供恢复力，使得耗能支撑恢复到变形前的状态。在地震作用下，内管3和导向轴1发生相对移动，耗能装置提供尽可能小的初始等效库仑阻尼力，并使阻尼力随位移增大而增大，直至在达到一定位移后提供最大库仑阻尼力来保证足够的耗能能力，消减地震输入的能量，从而保护结构的其它构件。

当构件受拉时，内管连接板13拉动内管3向左移动，从而内管3右侧内管端部挡块7推动右侧碟簧16右侧碟簧端板5，内管3左侧碟簧端板挡块6推动左侧碟簧15右侧碟簧端板5同时向左移动，同时导向轴1左侧的导向轴螺母801阻止左侧碟簧15左侧碟簧端板5向左移动、导向轴1右侧的导向轴螺母805阻止右侧碟簧16左侧的碟簧端板5向左移动，由此左侧碟簧15和右侧碟簧16同时压缩；当卸载时，左侧碟簧15、右侧碟簧16同时挤压两侧碟簧端板5，使得耗能支撑在完全卸载时能够恢复到变形前的状态。在内管3与导向轴1相对滑动时，活塞9挤压磁流变液12耗散外部输入的能量，从而达到耗散外部输入的能量的目的。

当构件受压时，内管连接板13推动内管3向右移动，从而内管3左侧内管端部挡块7推动左侧碟簧15左侧碟簧端板5，内管3右侧碟簧端板挡块6推动右侧碟簧16左侧碟簧端板5同时向右移动，同时导向轴1右端的导向轴螺母806阻止右侧碟簧16右侧碟簧端板5向右移动、导向轴1左侧的导向轴螺母802阻止左侧碟簧15右侧的碟簧端板5向右移动，由此左侧碟簧15和右侧碟簧16同时压缩；当卸载时，左侧碟簧15、右侧碟簧16同时挤压两侧碟簧端板5，使得耗能支撑在完全卸载时能够恢复到变形前的状态。在内管3与导向轴1相对滑动时，活塞9挤压磁流变液12耗散外部输入的能量，从而达到耗散外部输入的能量的目的。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑，其特征在于：包括导向轴组合、内管组合、自复位装置和耗能装置，所述内管组合包括内管(3)、碟簧端板挡块(6)和内管端部挡块(7)，所述导向轴组合包括导向轴(1)和导向轴螺母(8)，所述自复位装置包括左侧碟簧(15)、右侧碟簧(16)和碟簧端板(5)，所述耗能装置包括圆缸筒(2)、密封端板(4)、活塞(9)、永久磁铁(10)、隔磁环(11)和磁流变液(12)；

所述内管(3)的中部外套设两个永久磁铁(10)，所述永久磁铁(10)外套设隔磁环(11)，所述永久磁铁(10)和隔磁环(11)的左右两侧固定设置活塞(9)，所述活塞(9)外套设有圆缸筒(2)，所述圆缸筒(2)的内壁上对应活塞(9)处设有凹槽，所述圆缸筒(2)的两端固定设置密封端板(4)，所述圆缸筒(2)、内管(3)、活塞(9)与密封端板(4)的密封空间内填充磁流变液(12)；

所述内管(3)的两端分别套设有左侧碟簧(15)和右侧碟簧(16)，所述左侧碟簧(15)和右侧碟簧(16)的两端分别设置碟簧端板(5)，内侧碟簧端板(5)外侧端的内管(3)上固定设置碟簧端板挡块(6)，外侧碟簧端板(5)外侧端的内管(3)上固定设置内管端部挡块(7)；

所述碟簧端板(5)和密封端板(4)的中心开孔套设在内管(3)上，所述碟簧端板(5)和密封端板(4)上分别设有四个导向轴孔，所述导向轴(1)套设在导向轴孔内，所述碟簧端板(5)的外侧端和密封端板(4)的外侧端的导向轴(1)上固定设置导向轴螺母(8)。

2.根据权利要求1所述的一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑，其特征在于：所述内管(3)的左端固定设置内管连接板(13)，所述导向轴(1)的右端固定设置导向轴连接板(14)，所述导向轴连接板(14)外侧端的导向轴上固定设置导向轴螺母(8)。

3.根据权利要求1所述的一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑，其特征在于：所述左侧碟簧(15)和右侧碟簧(16)的内径大于内管(3)的外径，所述左侧碟簧(15)和右侧碟簧(16)的外径小于对角导向轴(1)之间的距离。

4.根据权利要求1所述的一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑，其特征在于：所述碟簧端板(5)的中心开孔直径大于内管(3)的外径，所述密封端板(4)的中心开孔直径大于内管(3)的外径。

5.根据权利要求1所述的一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑，其特征在于：所述碟簧端板(5)和密封端板(4)上的导向轴孔的直径大于导向轴(1)的外径。

6.根据权利要求1所述的一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑，其特征在于：所述导向轴(1)、圆缸筒(2)、活塞(9)和内管(3)的材质为45号钢。

7.根据权利要求1所述的一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑，其特征在于：所述左侧碟簧(15)和右侧碟簧(16)的材质为60CrMnA的热轧碟簧钢。

8.根据权利要求2所述的一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑，其特征在于：所述密封端板(4)、碟簧端板(5)、碟簧端板挡块(6)、内管端部挡块(7)、内管连接板(13)和导向轴连接板(14)的材质为Q345钢。

9.根据权利要求1所述的一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑，其特征在于：所述隔磁环(11)的材质为06Cr19Ni10的304不锈钢。

10.根据权利要求1所述的一种具有复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑，其特征在于：所述永久磁铁(10)为圆环状钕铁硼磁铁。