CN107060106B - 一种斥力型磁悬浮隔震支座及其制造施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种斥力型磁悬浮隔震支座及其制造施工方法，包括结构承重构件，所述结构承重构件下方设置有斥力型电磁装置，所述斥力型电磁装置包括纵向设置缠绕有电线的上电磁铁和下电磁铁，所述电线的布设保证上电磁铁和下电磁铁通电时产生斥力，所述上电磁铁上端与结构承重构件下端固定连接，所述上电磁铁下端与下电磁铁上端具有相互配合的凹凸面，所述下电磁铁下端固定于能隔绝水平地震的滑移支座上，所述滑移支座固定于建筑基础上。利用斥力型电磁装置隔离竖向振动，悬浮力大，交、直流电均可，装置的尺寸和造价低，不需要特殊的控制调节系统，隔离震动的效果好。

Description

一种斥力型磁悬浮隔震支座及其制造施工方法

技术领域

本发明涉及一种工程结构减振装置及其制造施工方法，具体涉及一种斥力型磁悬浮隔震支座及其制造施工方法。

背景技术

磁悬浮隔振是一种新型的主动式隔震方法，它在振源与结构体之间用主动控制的磁场来支撑，使得振源与结构体之间完全脱离机械接触，达到隔绝振动的目的。磁悬浮隔振技术已成功的运用于航天、航海、铁路运输、风能发电等领域，但在土木工程界尚未见运用。本申请系专利《磁悬浮在工程结构防振领域中的技术应用》（ZL200910111587.2）的一种具体实施装置。

《电磁悬浮隔振装置》（ZL201420258189.X）和《电磁永磁混合悬浮隔振装置》（ZL201420258151.2）两项实用新型专利提出的磁悬浮隔振支座，基本原理就是制造一个利用磁力的支座，使结构脱离基础，从而摆脱地震动的影响。其设想是：“在接收到地震信号时自动开启电源，绕有线圈的悬浮电磁铁和衔铁之间产生吸力，迫使衔铁带动结构上升，脱离结构基础，悬浮于空中”。

电磁场理论表明：电磁铁之间磁作用力与两者间间隙的平方成反比，和电流的安匝数成正比。常导电磁技术要想获得足够的电磁悬浮力，必须加大电流或减小间隙，而加大电流必然要求悬浮装置尺寸加大、造价提高。现有利用电磁吸力的常导悬浮隔振装置，浮重比通常为10:1，对土木工程结构动则数百吨质量，需要数十吨重装置，经济上不太合理，设计施工都比较困难。再者需要配备控制精度要求高的直流电供电设备，对于平时不用震时才用的技术装备，养护成本大。

上述新型专利和现今广泛运用的电磁悬浮装置均为吸力型，其优点是力学性能稳定、控制精度高，其缺点是装置复杂、体量大、装备多。对于航空航天、高铁等工程，需要高精度地控制经常性的振动，采用这种电磁悬浮控制方式是合理而且是必须的，而对于土木工程，振动（地震、风振）是偶尔的，且控制精度要求低，甚至传统的结构抗震设计是强度控制设计而不是刚度或舒适度控制设计。因此，宜采用简单的、低成本且精度较低的新型电磁悬浮装置—斥力型磁悬浮隔振支座。

发明内容

本发明解决现有的吸力型磁悬浮隔振装置复杂、体量大、装备多、成本高的技术问题，改变现有吸力型磁悬浮隔振装置为斥力型磁悬浮隔振装置。

本发明的具体实施方案是：一种斥力型磁悬浮隔震支座，包括结构承重构件，所述结构承重构件下方设置有斥力型电磁装置，所述斥力型电磁装置包括纵向设置缠绕有电线的上电磁铁和下电磁铁，所述电线的布设保证上电磁铁和下电磁铁通电时产生斥力，所述上电磁铁上端与结构承重构件下端固定连接，所述上电磁铁下端与下电磁铁上端具有相互配合的凹凸面，所述下电磁铁下端固定于滑移支座，所述滑移支座固定于建筑基础上，所述上电磁铁挑耳与下电磁铁挑耳之间设有弹簧。

进一步的，所述上电磁铁下端设有锥形凸起，下电磁铁上端具有与上电磁铁锥形凸起相配合的锥形凹槽，或所述上电磁铁下端设有锥形凹槽，下电磁铁上端具有与上电磁铁锥形凹槽相配合的锥形凸起。

进一步的，所述上电磁铁与下电磁铁内设有短路环。

进一步的，所述上电磁铁与下电磁铁均对应设置有挑耳，上电磁铁的挑耳与下电磁铁的挑耳贯穿有约束拉杆，所述约束拉杆上端固定有防止约束拉杆脱出的端板，所述约束拉杆下端固定有与约束拉杆螺纹连接的锁紧螺帽，所述约束拉杆纵向长度比上电磁铁的挑耳上表面至下电磁铁的挑耳下表面的距离长，所述约束拉杆的自由长度小于电磁铁凸起高度，所述上电磁铁及下电磁铁的挑耳成对或沿圆周方向环形布设于上电磁铁及下电磁铁的周侧。

进一步的，所述约束拉杆外侧套设有弹簧，所述弹簧上下端分别抵顶于上电磁铁挑耳与下电磁铁挑耳之间。

进一步的，所述上电磁铁和下电磁铁外套设有弹簧，所述弹簧上下端分别抵顶于上电磁铁挑耳与下电磁铁挑耳之间。

进一步的，所述滑移支座为摩擦摆支座或由聚四氟乙烯板构成相互叠合的滑移支座板以隔离水平地震对结构承重构件的影响。

进一步的，所述锥形凸起相配合的锥形凹槽中心对称。

进一步的，所述上电磁铁的挑耳或下电磁铁的挑耳上设置有感应上、下电磁铁间距离的位移传感器。

本发明还包括一种如上所述的斥力型磁悬浮隔震支座制造安装方法，包括下列步骤：

（1）斥力型磁悬浮隔震支座在工厂制造时，在上电磁铁与下电磁铁外缠绕电线，保证通电时上电磁铁和下电磁铁间产生斥力；

（2）在上电磁铁挑耳和下电磁铁挑耳之间放置弹簧，利用外部力量加压上电磁铁，使上电磁铁与下电磁铁相向面贴合，弹簧得以压缩，之后将约束拉杆贯穿上电磁铁挑耳和下电磁铁挑耳，约束拉杆下部具有螺牙，在约束拉杆下部安装螺帽使螺帽紧贴下电磁铁挑耳下表面，实现对弹簧的锁紧，再运至工地安装；

所述步骤（2）中弹簧设置于上电磁铁及下电磁铁外部或约束拉杆外部；

（3）在承重构件对应的地基上设置并固定滑移支座；

（4）将步骤（2）中制造完成的斥力型磁悬浮隔震支座固定于滑移支座上；

（5）在斥力型磁悬浮隔震支座上电磁铁上施作上部结构；

（6）待上部结构完成后，松开约束拉杆下螺帽至约束拉杆最下端。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明一种斥力型磁悬浮隔震支座，由滑移支座和斥力型电磁装置组成。利用斥力型电磁装置隔离竖向振动，利用滑移支座隔离水平振动。悬浮力大，交、直流电均可，装置的尺寸和造价低，不需要特殊的控制调节系统。且比土木工程现有隔震技术（均为机械接触式），控制、隔离震动的效果好且安全性、经济性好。另外和现有的普遍采用的吸力型悬浮设计相比，克服了磁吸力（正反馈力）不易控制而导致的控制系统庞大、复杂，造价高昂的缺点，可以大大减少甚至基本消除地震作用，结构主体的抗震设计标准可大大降低，工程结构建造费用降低；消除地震带来的财产损失、人员损失，消除人类面对自然威胁的精神压力。

附图说明

图1为本发明实施例一工厂制造完成的支座纵向剖视图（螺帽拧紧弹簧压缩状态）；

图2为本发明实施例一工地安装好的支座纵向剖视图（螺帽拧忪弹簧压缩状态）；

图3为本发明实施例一工作中的支座纵向剖视图（弹簧的恢复力和电磁力共同控制）；

图4为本发明实施例二工厂制造完成的支座纵向剖视图（螺帽拧紧弹簧压缩状态）；

图5为本发明实施例二工地安装好的支座的纵向剖视图（螺帽拧忪弹簧压缩状态）；

图6为本发明实施例二工作中的支座纵向剖视图（弹簧的恢复力和电磁力共同控制）；

其中：11、滑移支座下板 12、滑移支座上板 2、下电磁铁 21、下电磁铁挑耳 3、上电磁铁 31、上电磁铁挑耳 4、线圈 41、电线 5、约束拉杆 51、端板52、锁紧螺帽6、位移传感器 7、结构承重构件 8、铜短路环 9、弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1～3所示为本发明实施例一的纵向剖视图。上电磁铁3设有下凸的锥状凸部，下电磁铁2设有下凹的锥状凹槽，电磁铁外缠绕线圈4。在通常状态下，上电磁铁3插在下电磁铁2中；当接收到地震预警信号时，电线41通电，在上电磁铁3和下电磁铁2内产生斥力，由于上电磁铁与下电磁铁是锥形对称的，电磁铁间的水平斥力互抵，保持自动对中能力，电磁铁间的竖向斥力使上电磁铁3悬浮，带动固定于上电磁铁3上的结构承重构件7上浮。

为了避免上电磁铁3上的结构承重构件7上浮过高，下电磁铁挑耳21和上电磁铁挑耳31贯穿有约束拉杆5，所述约束拉杆上下端固定有防止约束拉杆脱出的约束拉杆端板51及于约束拉杆下端螺纹连接的锁紧螺帽52，所述约束拉杆5纵向长度比上电磁铁的挑耳上表面至下电磁铁的挑耳下表面距离长，所述约束拉杆5的自由长度（即约束拉杆5纵向超出上电磁铁的挑耳上表面至下电磁铁的挑耳下表面距离的部分）小于电磁铁凸起高度。

如果需要提高振动控制精度，可在下电磁铁挑耳21和上电磁铁挑耳31之间设置位移传感器6，根据两挑耳间间距情况实时控制输入电流大小。

在实际应用中需要提高振动控制精度时可直接采用直流电，而一般精度的振动控制可采用民用交流电，采用民用交流电时在上、下电磁铁内可增加设置铜短路环8，利用磁滞效应产生的感应电流减少电流变化带来的不利影响。电线41接通电源由地震预警信号控制，震动结束后，电源断电，上电磁铁3重新插入下电磁铁2中。

为提高本装置效用（即在尽可能利用民用交流电，不增加额外电源装备或电流强度的情况下），加大悬浮间隙，在上电磁铁挑耳31和下电磁铁挑耳21之间设置弹簧9，在常规状态下（即无需控制振动，上电磁铁、下电磁铁间无间隙时），弹簧9呈受压状态，弹簧9的总弹力应小于上部结构传递给承重构件7的恒荷载；在工作状态下，弹簧9提供恢复力，和电磁斥力一起作用于上电磁铁3，控制上部结构振动。

本实施例中，弹簧9和约束拉杆5成对设置，实际应用中也可以在上、下电磁铁挑耳间多对均布。此外，还可以在上电磁铁及下电磁铁外套设弹簧。也可以组合上述两种弹簧设置方法。

为了将未工作时处于受压状态的弹簧9安装在上电磁铁挑耳31和下电磁铁挑耳21之间，在工厂制造时，如图1所示，首先在上电磁铁与下电磁铁外缠绕电线，保证通电时上电磁铁和下电磁铁间产生斥力，在上电磁铁挑耳31和下电磁铁挑耳21放置弹簧后利用外部力量加压上电磁铁3，使上电磁铁3与下电磁铁2相向面贴合，弹簧9得以压缩，之后将约束拉杆5贯穿上电磁铁挑耳31和下电磁铁挑耳21，约束拉杆5下部具有螺牙，在约束拉杆下部安装螺帽52使螺帽紧贴下电磁铁挑耳21下表面，实现对弹簧9的锁紧，运至工地安装；

如图２所示，在工地施工时，在承重构件对应的地基上设置并固定滑移支座；将制造完成的斥力型磁悬浮隔震支座固定于滑移支座上板12上；在斥力型磁悬浮隔震支座上电磁铁3上施作上部结构；待上部结构完成后，松开约束拉杆下螺帽52至约束拉杆5最下端。

本实施例视图中弹簧9套设于各个约束拉杆5外部，若采用弹簧套设于上、下电磁铁外，采用同上步骤工厂制作和现场安装。制造及施工时应保证弹簧和上、下电磁铁间留有水平向间隙，不影响上电磁铁3的自由振动。

当然实际设计中，也可以如图4～6（实施例二）所示，与图1～3比，区别在于上电磁铁3设有内凹的锥面凹槽，下电磁铁2设有上凸的锥面凸起。和图1～3相比，图4～6所示锥体形式对于装置的清洁保证更有利。

本发明所述滑移支座可以是聚四氟乙烯板、摩擦摆支座等可以隔水平地震的支座。

本发明提供的斥力型磁悬浮隔震支座，可以以并联的方式运用，即在一个结构承重构件7下，如柱子下，视柱底力大小同时设置多个支座；也可以在承重墙下同时设置多个支座。

本发明中阐述的震动，其振动原因不仅仅受限于地震产生，还可以是但不限于风等自然外力、外力冲击或内部工程结构的相互作用。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种斥力型磁悬浮隔震支座，其特征在于，包括结构承重构件，所述结构承重构件下方设置有斥力型电磁装置，所述斥力型电磁装置包括纵向设置缠绕有电线的上电磁铁和下电磁铁，所述电线的布设保证上电磁铁和下电磁铁通电时产生斥力，所述上电磁铁上端与结构承重构件下端固定连接，所述上电磁铁下端与下电磁铁上端具有相互配合的凹凸面，所述下电磁铁下端固定于滑移支座，所述滑移支座固定于建筑基础上，所述上电磁铁挑耳与下电磁铁挑耳之间设有弹簧；

所述上电磁铁与下电磁铁均对应设置有挑耳，上电磁铁的挑耳与下电磁铁的挑耳贯穿有约束拉杆，所述约束拉杆上端固定有防止约束拉杆脱出的端板，所述约束拉杆下端固定有与约束拉杆螺纹连接的锁紧螺帽，所述约束拉杆纵向长度比上电磁铁的挑耳上表面至下电磁铁的挑耳下表面的距离长，所述约束拉杆的自由长度小于电磁铁凸起高度，所述上电磁铁及下电磁铁的挑耳成对或沿圆周方向环形布设于上电磁铁及下电磁铁的周侧；

所述约束拉杆外侧套设有弹簧，所述弹簧上下端分别抵顶于上电磁铁挑耳与下电磁铁挑耳之间。

2.根据权利要求1所述的一种斥力型磁悬浮隔震支座，其特征在于，所述上电磁铁下端设有锥形凸起，下电磁铁上端具有与上电磁铁锥形凸起相配合的锥形凹槽，或所述上电磁铁下端设有锥形凹槽，下电磁铁上端具有与上电磁铁锥形凹槽相配合的锥形凸起。

3.根据权利要求1或2所述的一种斥力型磁悬浮隔震支座，其特征在于，所述上电磁铁与下电磁铁内设有短路环。

4.根据权利要求1所述的一种斥力型磁悬浮隔震支座，其特征在于，所述滑移支座为摩擦摆支座或由聚四氟乙烯板构成相互叠合的滑移支座板以隔离水平地震对结构承重构件的影响。

5.根据权利要求2所述的一种斥力型磁悬浮隔震支座，其特征在于，所述锥形凸起相配合的锥形凹槽中心对称。

6.根据权利要求1所述的一种斥力型磁悬浮隔震支座，其特征在于，所述上电磁铁的挑耳或下电磁铁的挑耳上设置有感应上、下电磁铁间距离的位移传感器。

7.一种如权利要求1所述的斥力型磁悬浮隔震支座的制造安装方法，包括下列步骤：

（1）斥力型磁悬浮隔震支座在工厂制造时，在上电磁铁与下电磁铁外缠绕电线，保证通电时上电磁铁和下电磁铁间产生斥力；

（2）在上电磁铁挑耳和下电磁铁挑耳之间放置弹簧，利用外部力量加压上电磁铁，使上电磁铁与下电磁铁相向面贴合，弹簧得以压缩，之后将约束拉杆贯穿上电磁铁挑耳和下电磁铁挑耳，约束拉杆下部具有螺牙，在约束拉杆下部安装螺帽使螺帽紧贴下电磁铁挑耳下表面，实现对弹簧的锁紧，再运至工地安装；

（3）所述步骤（2）中弹簧设置于上电磁铁及下电磁铁外部或约束拉杆外部；

（4）在承重构件对应的地基上设置并固定滑移支座；

（5）将步骤（2）中制造完成的斥力型磁悬浮隔震支座固定于滑移支座上；

（6）在斥力型磁悬浮隔震支座上电磁铁上施作上部结构；

（7）待上部结构完成后，松开约束拉杆下螺帽至约束拉杆最下端。