CN106639468B - 一种纤维磁流变体颗粒三维隔震支座 - Google Patents

一种纤维磁流变体颗粒三维隔震支座 Download PDF

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Abstract

一种纤维磁流变体颗粒三维隔震支座。其包括上连接板、水平隔震支座、中间连接板和竖向隔震支座；竖向隔震支座包括硅油储藏室、纤维磁流变体细颗粒层、线圈、纤维磁流变体粗颗粒层、下连接板、导磁导向杆、永磁铁和钢套。本发明通过中间连接板与下部的竖向隔震支座串联而构成，具有竖向刚度可调的功能；通过在磁流变体中加入玻璃纤维或碳纤维，可以有效地提高磁流变体颗粒的抗压强度；通过设置两种粒径的磁流变体纤维颗粒层，可以避免竖向激励可能引起的共振效应；通过施加不同方向和大小的电流，可以增强或减弱永磁铁产生的磁场大小，进而扩大磁流变体颗粒刚度的可调节范围，增大竖向激励隔振频率的宽度。

Description

一种纤维磁流变体颗粒三维隔震支座
技术领域
本发明属于土木建筑工程振动控制技术领域，特别是涉及一种纤维磁流变体颗粒三维隔震支座。
背景技术
磁流变材料是一类具有流变特性可控的智能材料，在外加磁场作用下，其流变特性可发生连续、迅速和可逆的变化，因而在航空航天、汽车和建筑结构领域得到了广泛的应用。磁流变弹性体作为磁流变材料的一个新分支，是由诸如橡胶等高分子聚合物和铁磁性颗粒在外加磁场作用下固化而成，兼有磁流变材料和弹性体的优点，同时能克服磁流变液具有的沉降和稳定性问题，因此，磁流变体在减隔振和振动控制方面具有广泛的应用前景。当前，国内外学者针对磁流变体减隔振问题开展了大量的研究工作，如香港中文大学廖维新和陈超发明了一种自供电、自传感的磁流变阻尼装置，该装置包含缓冲活塞组件、减震缸、发电部件、控制单元以及传感部件。大连理工大学欧进萍等发明了一种磁流变弹性体支座智能变刚度调谐质量阻尼器系统，该系统包括调谐质量块、受力组件、励磁组件、传感器和控制器，其中的磁流变弹性体支座由钢板和磁流变弹性体层叠合而成，并采用橡胶保护层包裹；励磁组件包括与磁流变弹性体支座数量相同的线圈、铁芯和隔热硬绝缘层，线圈安装在磁流变弹性体支座的上部，通过铁芯、上部连接板和下部到此连接板与相邻的线圈形成串联，形成一个闭合的导磁回路，通过控制线圈电流和电压改变系统的剪切刚度。欧进萍等还发明一种组合式磁流变弹性体智能隔震支座，支座包括受力组件、励磁组件、传感器和控制器，其中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，控制器根据电流信号改变支座的剪切刚度。对于三维隔震支座，国内外学者一般将竖向隔震支座与水平隔震支座串联形成组合形式的三维隔震支座。华中科技大学熊世树等采用蝶形弹簧作为竖向隔震装置；张永山等研制出抗倾覆的蝶形弹簧三维隔震支座；欧进萍等将蝶形弹簧组与三角形钢板阻尼器串联使用；东南大学王维等提出由铅芯橡胶隔震支座、蝶形弹簧、导杆和上中下连扳构成的三维隔震支座；北京工业大学赵亚敏等研发出由1个中心主蝶形弹簧和8个环形均布设置的辅助蝶形弹簧柱并联而成的组合式蝶形弹簧竖向隔震支座；此外，广州大学周福霖等提出叠层橡胶垫-活塞式竖向隔震支座和螺旋弹簧竖向隔震支座。虽然国内外学者提出多种隔震装置，但这些装置都存在一些缺陷，很少在实际工程结构的竖向隔震中应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种纤维磁流变体颗粒三维隔震支座。
为了达到上述目的，本发明提供的纤维磁流变体颗粒三维隔震支座包括上连接板、水平隔震支座、中间连接板和竖向隔震支座；其中水平隔震支座采用水平铅芯橡胶隔震支座或磁流变弹性体-钢板硫化叠层支座；上连接板和中间连接板分别水平连接在水平隔震支座的上端和下端；竖向隔震支座包括硅油储藏室、纤维磁流变体细颗粒层、线圈、纤维磁流变体粗颗粒层、下连接板、导磁导向杆、永磁铁和钢套；其中钢套为圆管状；下连接板水平连接在钢套的下端；导磁导向杆垂直设置，下端固定在下连接板的表面中部；纤维磁流变体粗颗粒层铺设在钢套内下连接板的表面；永磁铁为环状结构，设置在钢套内纤维磁流变体粗颗粒层的表面，中心孔套在导磁导向杆上，并且外圆周壁中部沿周向向内形成有一个环形凹槽；线圈是由缠绕在永磁铁上凹槽内的绝缘铜线构成，并且两端连接直流电源；纤维磁流变体细颗粒层铺设在钢套内永磁铁的上端表面；硅油储藏室为环形罐式结构，内部贮有硅油，中心孔套在导磁导向杆上，外圆周壁上设有一个外端口位于钢套上方的加油孔，内圆周壁上设有一个注油孔，并且顶面边缘和中间连接板的边缘利用螺栓连接在一起。
所述的纤维磁流变体细颗粒层和纤维磁流变体粗颗粒层中的纤维磁流变体颗粒是将作为基体材料的704硅橡胶、作为磁性颗粒的粒径3～8μm的球形羟基铁粉、高强玻璃纤维或碳纤维按27％的体积浓度搅拌均匀而制成磁流变体混合物，然后将该混合物制成球形颗粒，并将球形颗粒放置在均匀的高磁场内经过12小时的固化而制成。
所述永磁铁采用汝铁硼材料制成。
所述的导磁导向杆为软铁导磁导向杆。
本发明提供纤维磁流变体颗粒三维隔震支座主要由水平隔震支座通过中间连接板与下部的竖向隔震支座串联而构成，相比于普通三维隔震支座，本支座具有竖向刚度可调的功能；通过在磁流变体中加入玻璃纤维或碳纤维，可以有效地提高磁流变体颗粒的抗压强度；通过设置两种粒径的磁流变体纤维颗粒层，可以避免竖向激励可能引起的共振效应；通过施加不同方向和大小的电流，可以增强或减弱永磁铁产生的磁场大小，进而扩大磁流变体颗粒刚度的可调节范围，增大竖向激励隔振频率的宽度。
附图说明
图1是本发明提供的纤维磁流变体颗粒三维隔震支座纵向结构剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的纤维磁流变体颗粒三维隔震支座进行详细的说明。
如图1所示，本发明提供的纤维磁流变体颗粒三维隔震支座包括上连接板1、水平隔震支座2、中间连接板12和竖向隔震支座13；其中水平隔震支座2采用水平铅芯橡胶隔震支座或磁流变弹性体-钢板硫化叠层支座；上连接板1和中间连接板12分别水平连接在水平隔震支座2的上端和下端；竖向隔震支座13包括硅油储藏室3、纤维磁流变体细颗粒层4、线圈5、纤维磁流变体粗颗粒层6、下连接板7、导磁导向杆8、永磁铁9和钢套11；其中钢套11为圆管状；下连接板7水平连接在钢套11的下端；导磁导向杆8垂直设置，下端固定在下连接板7的表面中部；纤维磁流变体粗颗粒层6铺设在钢套11内下连接板7的表面；永磁铁9为环状结构，设置在钢套11内纤维磁流变体粗颗粒层6的表面，中心孔套在导磁导向杆8上，并且外圆周壁中部沿周向向内形成有一个环形凹槽；线圈5是由缠绕在永磁铁9上凹槽内的绝缘铜线构成，并且两端连接直流电源；纤维磁流变体细颗粒层4铺设在钢套11内永磁铁9的上端表面；硅油储藏室3为环形罐式结构，内部贮有硅油，中心孔套在导磁导向杆8上，外圆周壁上设有一个外端口位于钢套11上方的加油孔10，内圆周壁上设有一个注油孔13，并且顶面边缘和中间连接板12的边缘利用螺栓连接在一起。
所述的纤维磁流变体细颗粒层4和纤维磁流变体粗颗粒层6中的纤维磁流变体颗粒是将作为基体材料的704硅橡胶、作为磁性颗粒的粒径3～8μm的球形羟基铁粉、高强玻璃纤维或碳纤维按27％的体积浓度搅拌均匀而制成磁流变体混合物，然后将该混合物制成球形颗粒，并将球形颗粒放置在均匀的高磁场内经过12小时的固化而制成，球形颗粒的粒径根据支座设计的承载力和隔振频率要求而定。
所述永磁铁9采用汝铁硼材料制成，其尺寸应满足支座承载力上限要求，磁极方向按照支座设计要求和线圈5的直流电源正负极方向确定。
所述的导磁导向杆8为软铁导磁导向杆。
现将本发明提供的纤维磁流变体颗粒三维隔震支座使用方法阐述如下：
本发明提供三维隔震支座可用于建筑结构和大跨空间结构水平隔震和竖向隔振，特别适用于地铁上盖建筑结构中通过隔离地铁振动提高结构舒适性。其中水平隔震支座2的水平剪切刚度小，水平地震动作用下结构变形将在此处集中，通过隔离地震动向上部结构传递起到保护上部结构地震安全性的作用。纤维磁流变体颗粒在竖向激振作用下会相互挤压，同时颗粒自身也会发生压缩变形，纤维磁流变体细颗粒层4和纤维磁流变体粗颗粒层6竖向刚度较小，通过合理设计磁流变体颗粒层4和6的粒径和厚度，可以控制磁流变体颗粒层的压缩刚度，隔振后结构的竖向频率降低到1～2Hz以下，而地铁振动的激振频率约为10～20Hz，因此可以显著地隔离地铁振动等激励作用。线圈5在接通电流时产生强磁场，磁场通过软铁制作的导磁导向杆8增强并形成闭合磁路，通过改变线圈5中电流大小和方向可改变磁流变体颗粒所处磁场强度和方向，进而起到控制纤维磁流变体颗粒受压刚度的效果，相应地支座竖向刚度也随磁流变体颗粒刚度的变化而变化，进而起到控制结构竖向刚度的目的。纤维磁流变体颗粒由两种粒径组成，分别置于两个腔室中，两种颗粒受压刚度不同，可以避开竖向激励共振频率。通过加油孔10向硅油储藏室3中注入硅油，硅油通过注油孔13渗入导磁导向杆8表面，竖向振动时，硅油起到润滑导磁导向杆8的作用。

Claims (4)

1.一种纤维磁流变体颗粒三维隔震支座，其特征在于：所述的纤维磁流变体颗粒三维隔震支座包括上连接板(1)、水平隔震支座(2)、中间连接板(12)和竖向隔震支座(13)；其中水平隔震支座(2)采用水平铅芯橡胶隔震支座或磁流变弹性体-钢板硫化叠层支座；上连接板(1)和中间连接板(12)分别水平连接在水平隔震支座(2)的上端和下端；竖向隔震支座(13)包括硅油储藏室(3)、纤维磁流变体细颗粒层(4)、线圈(5)、纤维磁流变体粗颗粒层(6)、下连接板(7)、导磁导向杆(8)、永磁铁(9)和钢套(11)；其中钢套(11)为圆管状；下连接板(7)水平连接在钢套(11)的下端；导磁导向杆(8)垂直设置，下端固定在下连接板(7)的表面中部；纤维磁流变体粗颗粒层(6)铺设在钢套(11)内下连接板(7)的表面；永磁铁(9)为环状结构，设置在钢套(11)内纤维磁流变体粗颗粒层(6)的表面，中心孔套在导磁导向杆(8)上，并且外圆周壁中部沿周向向内形成有一个环形凹槽；线圈(5)是由缠绕在永磁铁(9)上环形凹槽内的绝缘铜线构成，并且两端连接直流电源；纤维磁流变体细颗粒层(4)铺设在钢套(11)内永磁铁(9)的上端表面；硅油储藏室(3)为环形罐式结构，内部贮有硅油，中心孔套在导磁导向杆(8)上，外圆周壁上设有一个外端口位于钢套(11)上方的加油孔(10)，内圆周壁上设有一个注油孔(13)，并且顶面边缘和中间连接板(12)的边缘利用螺栓连接在一起。
2.根据权利要求1所述的纤维磁流变体颗粒三维隔震支座，其特征在于：所述的纤维磁流变体细颗粒层(4)和纤维磁流变体粗颗粒层(6)中的纤维磁流变体颗粒是将作为基体材料的704硅橡胶、作为磁性颗粒的粒径3～8μm的球形羟基铁粉、高强玻璃纤维或碳纤维按27％的体积浓度搅拌均匀而制成磁流变体混合物，然后将该混合物制成球形颗粒，并将球形颗粒放置在均匀的高磁场内经过12小时的固化而制成。
3.根据权利要求1所述的纤维磁流变体颗粒三维隔震支座，其特征在于：所述永磁铁(9)采用汝铁硼材料制成。
4.根据权利要求1所述的纤维磁流变体颗粒三维隔震支座，其特征在于：所述的导磁导向杆(8)为软铁导磁导向杆。
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