CN106401259A - 一种改变表面体型的自立式高耸结构智能破涡装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改变表面体型的自立式高耸结构智能破涡装置，包括主结构，所述主结构上通过转动节点连接有叶片，所述叶片与所述驱动层的一端，所述驱动层的另一端与所述主结构相连，所述驱动层两侧包裹有环境层和保护层。本发明充分利用了空气动力学原理和形状记忆合金等智能驱动材料的独特性能，既可利用利用超弹性特性，无需外加能源自适应地在特定风速下改变叶片形态；又可利用形状记忆效应，通过外加能源智能改变叶片形态；在风速降低后，利用驱动层材料的自恢复能力，叶片恢复初始形态。该装置能够在涡激共振风速时破坏涡脱，又能在较大风速时改变结构表面体型，从而一定程度上降低风荷载对自立式高耸结构的不利影响。

Description

一种改变表面体型的自立式高耸结构智能破涡装置
技术领域
本发明土木工程结构风致振动控制装置的技术领域，具体涉及一种改变表面体型的自立式高耸结构智能破涡装置。
背景技术
自立式高耸结构是社会生产生活中广泛应用的结构形式，随着国民经济的不断发展，风力发电塔、自立式输电线塔、高耸烟囱等结构逐渐增多，并且越来越往高柔方向发展。由于断面往往为圆形或近似圆形的多边形，细长的结构形式使得它们极易发生涡激共振，从而使其长期处于往复应力的工作状态，在未达到其极限荷载的情况下，就极有可能发生疲劳损伤导致的破坏，造成极大的经济损失。因此，采取措施减轻风致振动的影响成为这类结构设计的关键之一。
目前，较为常用的手段是采用调频阻尼器来抑制这类结构过大的振动响应，如调频质量阻尼器（Tuned Mass Damper, TMD）、调频液体阻尼器（Tuned Liquid Damper, TMD）和调频液柱阻尼器（Tuned Liquid Column Damper, TMD）。然而，这类装置在地震灾害下往往不能发挥作用，有时反而由于附加了过大的质量而造成了地震响应的增大，给结构带来更大的损伤。除了这类振动控制技术以外，空气动力学措施是抑制涡激共振的另一个重要思路，其理念是通过一些措施改变结构外形，从而使得导致涡振的漩涡脱落无法发生，由此而产生了工程中常用的直板型和螺旋型破风圈。然而，这些破风圈尽管有效地降低了横风向的涡激振动，但却将结构在顺风向的体形系数增大了20%左右，导致飓风来临时顺风向振动响应显著增大，从而有可能导致结构损伤乃至倒塌。
因此，如何充分利用破风圈抑制涡激振动的优势，并减小其顺风向对体形系数的放大作用具有一定的实际意义。本发明旨在利用形状记忆合金等智能材料的独特性能，设计一种可根据风场环境智能改变结构体型的智能破涡装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种改变表面体型的自立式高耸结构智能破涡装置。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种改变表面体型的自立式高耸结构智能破涡装置，包括主结构，所述主结构上通过转动节点连接有叶片，所述叶片与所述驱动层的一端，所述驱动层的另一端与所述主结构相连，所述驱动层两侧包裹有环境层。
进一步的，所述环境层包括内外两层，所述内外两层的环境层的外侧均包裹有保护层。
进一步的，所述保护层的内侧与所述主结构外侧紧密相连。
进一步的，所述转动节点由下伸出钢板，转轴和上伸出钢板组成。
进一步的，所述驱动层采用形状记忆合金或磁性形状记忆合金，形式为丝材或薄膜。
进一步的，所述环境层为线圈加热层提供温度场或磁场的薄带状构造；所述保护层采用薄钢板或具有防水、防火能力的轻质高强材料。
本发明的有益效果:
本发明充分利用了空气动力学原理和形状记忆合金等智能驱动材料的独特性能，既可利用利用超弹性特性，无需外加能源自适应地在特定风速下改变叶片形态；又可利用形状记忆效应，通过外加能源智能改变叶片形态；在风速降低后，利用驱动层材料的自恢复能力，叶片恢复初始形态。该装置能够在涡激共振风速时破坏涡脱，又能在较大风速时改变结构表面体型，从而一定程度上降低风荷载对自立式高耸结构的不利影响。
附图说明
图1是本发明的立面示意图；
图2是本发明的1-1剖面示意图；
图3是本发明的2-2剖面示意图；
图4是本发明的局部水平剖面示意详图；
图5（a）是本发明的局部竖向剖面示意详图；
图5（b）是本发明的局部竖向剖面局部放大示意图；
图6（a）是本发明的另一种实施方式的局部竖向剖面示意详图；
图6（b）是本发明的另一种实施方式的局部竖向剖面局部放大示意图。
图中标号说明：1、主结构，2、主结构，3、驱动层，4、环境层，5、保护层，6、转动节点，61、下伸出钢板，62、转轴，63、伸出钢板。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参照图1-4所示，一种改变表面主结构体型的自立式高耸结构智能破涡装置，包括主结构1，所述主结构1上通过转动节点6连接有叶片2，所述叶片2与所述驱动层3的一端，所述驱动层3的另一端与所述主结构1相连，所述驱动层3两侧包裹有环境层4。
优选的，叶片2采用钢材或其它高强度材料，其根部通过转动节点6与主结构1表面相连，同时在其两侧与驱动层3伸出部分连接。
进一步的，所述环境层4包括内外两层，所述内外两层的环境层4的外侧均包裹有保护层5，所述环境层4主要为驱动层3提供变形所需要的温度场或磁场，包裹在驱动层的内、外两侧（如附图5），也可按照驱动层3材料的截面形状包裹（如附图6），可采用通电线圈等方式提供可变的温度场或磁场。
进一步的，所述保护层5的内侧与所述主结构1外侧紧密相连。
进一步的，所述转动节点6由下伸出钢板61，转轴62和上伸出钢板63组成，采用钢材等具有较高强度和刚度的材料，两端通过钢板与主结构1固接，叶片2根部的套筒套在转轴外形成可平面转动的可靠连接。
进一步的，所述驱动层3采用形状记忆合金或磁性形状记忆合金，形式为丝材或薄膜，可根据需要对驱动层3的合金材料施加预应力，从而使得叶片2在常态风作用下具有一定的刚度，能够发挥破风圈的功能。
进一步的，所述环境层4为线圈加热层提供温度场或磁场的薄带状构造；所述保护层5采用薄钢板或具有防水、防火能力的轻质高强材料。
本发明的原理：
在常态风的较低风速作用下，施加预应力后的形状记忆合金材料（驱动层）处于奥氏体状态，由于形状记忆合金材料沿着叶片两侧对称布置，整个体系具有较大的刚度，叶片固定，破坏圆形截面的涡脱过程，发挥破风圈的作用；随着风速的增加或飓风来临，结构远离涡激共振状态，此时作用在叶片上的风压力随之增大，形状记忆合金中的应力随之增加，通过合理设计，使得在一定的风速时，形状记忆合金发生马氏体相变，产生较大变形，拉动与顺风向垂直的叶片收起，保证了结构整体的体型系数没有或较少增加；也可在主结构或叶片布置风速、压力或加速度等传感器，监测风速、风压或响应，据此通电改变环境层中温度场的温度，控制叶片的形态，以达到顺、横风向响应最小的目的；当风速再次减小后，由于形状记忆效应或超弹性效应，叶片又自动恢复初始状态。这样，该发明既可在预期风速时自动收缩，改变主结构体型，也可通过环境层中温度场或磁场的变化，智能地控制叶片达到期望形态，并在风速降低后自动恢复到初始状态，从而通过空气动力学的原理减小风荷载对自立式高耸结构损伤。
本发明的实施步骤：
（1）根据主结构1的截面特性、动力特性及风场环境确定所需叶片2、驱动层3的材料、尺寸和连接位置，并设计相应的环境层4、保护层5和转动节点6。
（2）装置可在工厂内预先安装于自立式高耸结构的相应节段，也可在建造现场安装于结构相应部位；将转动节点6的下伸出钢板61、上伸出钢板63与主结构1焊接或整体浇筑。
（3）在主结构1的表面包裹保护层5，在保护层5表面包裹环境层4；环境层4表面设置驱动层3的形状记忆合金材料，形状记忆合金材料为丝材或薄膜，其一端与主结构1表面固接；在驱动层3外侧包裹外侧环境层4和保护层5，并将驱动层3的形状记忆合金伸出。
（4）将预先生产好的叶片2的根部套在转轴62上，随后将转轴62焊接或用其它方式固定于下伸出钢板61和上伸出钢板63之间。
（5）将驱动层3的形状记忆合金伸出端与叶片2预留节点位置固接，并根据设计张拉预应力，使得叶片2沿环向处于张紧状态，具有一定的刚度；最后，将环境层4所伸出的电线引致主结构1的管线通道中，并与电源相连。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以做出若干变形和改进，比如采用其它形状的叶片，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (6)

1.一种改变表面体型的自立式高耸结构智能破涡装置，其特征在于，包括主结构（1），所述主结构（1）上通过转动节点（6）连接有叶片（2），所述叶片（2）与所述驱动层（3）的一端，所述驱动层（3）的另一端与所述主结构（1）相连，所述驱动层（3）两侧包裹有环境层（4）。
2.根据权利要求1所述的改变表面体型的自立式高耸结构智能破涡装置，其特征在于，所述环境层（4）包括内外两层，所述内外两层的环境层（4）的外侧均包裹有保护层（5）。
3.根据权利要求2所述的改变表面体型的自立式高耸结构智能破涡装置，其特征在于，所述保护层（5）的内侧与所述主结构（1）外侧紧密相连。
4.根据权利要求1所述的改变表面体型的自立式高耸结构智能破涡装置，其特征在于，所述转动节点（6）由下伸出钢板（61），转轴（62）和上伸出钢板（63）组成。
5.根据权利要求1所述的改变表面体型的自立式高耸结构智能破涡装置，其特征在于，所述驱动层（3）采用形状记忆合金或磁性形状记忆合金，形式为丝材或薄膜。
6.根据权利要求2所述的改变表面体型的自立式高耸结构智能破涡装置，其特征在于，所述环境层(4)为线圈加热层提供温度场或磁场的薄带状构造；所述保护层(5)采用薄钢板或具有防水、防火能力的轻质高强材料。
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