CN107905400A - 一种自感知电涡流型可更换耗能连梁 - Google Patents

一种自感知电涡流型可更换耗能连梁 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自感知电涡流型可更换耗能连梁，用以感知剪力墙的振动状态并耗散振动能量，包括可更换段以及设置在剪力墙墙肢处的非消能段，可更换段两端分别与非消能段固定连接，所述的可更换段包括监测电路、两块型钢板以及设置在两块型钢板内部的电涡流阻尼器，所述的监测电路与电涡流阻尼器连接。与现有技术相比，本发明具有自感知、适应不同振动强度、无摩擦耐久性好、可更换等优点。

Description

一种自感知电涡流型可更换耗能连梁
技术领域
本发明涉及土木工程结构抗震与监测领域，尤其是涉及一种自感知电涡流型可更换耗能连梁。
背景技术
联肢剪力墙结构是目前高层建筑广泛采用的抗侧力体系之一。在联肢剪力墙的设计中，连梁作为其抗震体系的第一道防线，在遭遇超越设防烈度的地震作用下，往往遭到严重的剪切型破坏，给震后修复造成很大困难。在土木工程领域，用于结构控制和监测的较准确的传感器比如的LVDT只在低频反应条件下使用，价格昂贵。而一些成本低但准确性较差的传感器比如加速度计只有通过Kalman滤波处理才能取得准确的位移和速度数据。目前已研发的可更换耗能连梁大多是在中震和大震下才开始耗能，而在小震和风振时保持弹性，无法满足高层和超高层建筑结构舒适度要求。且已有的可更换连梁的响应监测需要借助布置额外的传感装置进行观测。大多数可更换连梁通过可更换段金属屈服耗能或者铅芯橡胶阻尼器耗能，铅芯橡胶阻尼器容易受温度等环境因素的影响而且存在摩擦造成的磨损。
电涡流阻尼器的原理是导体质量块处于变化着的磁场或者在磁场中运动时，根据法拉第电磁感应定律，在导体质量块内产生感应电动势，从而在质量块内形成电涡流，产生电阻热效应消耗振动能量。电涡流又会形成的与原磁场方向相反的新磁场，从而产生与导体运动方向相反的阻尼力，起到减振耗能的作用。
本发明提出一种自感知电涡流型可更换耗能连梁，通过合理的构造方式将传统金属耗能阻尼机制与电涡流阻尼机制结合起来，使两者优点互补，同时设计监测电路，实现可更换耗能连梁的自我监测，满足土木工程结构抗震与结构健康监测领域的需求。一方面提高了结构的抗震性能，全阶段保护主体的安全和舒适，有利于连梁的震后更换，另一方面在不使用外部传感器的情况下，能够监测连梁平面间的运动状态，且降低了监测成本。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种自感知、适应不同振动强度、无摩擦耐久性好、可更换的自感知电涡流型可更换耗能连梁。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种自感知电涡流型可更换耗能连梁，用以感知剪力墙的振动状态并耗散振动能量，包括可更换段以及设置在剪力墙墙肢处的非消能段，可更换段两端分别与非消能段固定连接，所述的可更换段包括监测电路、两块型钢板以及设置在两块型钢板内部的电涡流阻尼器，所述的监测电路与电涡流阻尼器连接。
优选地，所述的电涡流阻尼器包括相互插合的凸形组件和凹形组件。
优选地，所述的凸形组件包括与依次连接的凸形底板、两块凸形底板连接板和中间铜板，所述的中间铜板一端设置在两块凸形底板连接板之间，另一端伸出凸形底板连接板形成凸形，所述的凸形底板与预埋在非消能段内型钢的端板通过螺栓固定连接，且与型钢板的一端固定连接。
优选地，所述的凹形组件包括依次连接的凹形底板、凹形底板连接板以及分别设置在凹形底板连接板两侧的两块约束钢板，所述的约束钢板一端固定在凹形底板连接板两侧，另一端伸出凹形底板连接板形成凹形，两块约束钢板内侧设有分别作为磁场N极和S极的两块相对设置的永磁体板，外侧设有电磁屏蔽板，所述的凹形底板与预埋在非消能段内的型钢的端板通过螺栓固定连接，且与型钢板的另一端固定连接，所述的中间铜板另一端插合到上下两块永磁体板之间，且能够与永磁体板发生相对运动。
优选地，所述的中间铜板另一端与上下两块永磁体板之间设有间隙。
优选地，所述的监测电路包括依次连接的导体棒、外加电阻、信号放大器和处理器，所述的导体棒分别设置在中间铜板两侧。
优选地，所述的导体棒与中间铜板两侧之间设有间隙。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、自感知：本发明通过测量电路中电流、电压信号可以实现可更换耗能连梁的自我监测。
二、适应不同振动强度：实现不同振动强度下的减振耗能，提高高层建筑在风振下的舒适度，并能更好地保护联肢剪力墙主体结构降低地震破坏。
三、无摩擦耐久性好：电涡流阻尼相较于铅芯橡胶阻尼器，作用力不通过接触，不存在摩擦造成的磨损，易于维护。
四、可更换：有利于震后修复更换，本发明的电涡流阻尼器和型钢板通过螺栓与非消能段连接，易于震后拆卸更换。
本发明可用于高层建筑结构，在风振、地震中实现多荷载条件下的耗能，并实现连梁关键剪切位移响应的实时监测，有助于震后快速评估和修复更换。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图。
图2为本发明图的俯视结构示意图。
图3为中间铜板及导体棒和监测电路示意图。
图4是监测电路的测量原理示意图。
图中标号：1、型钢板，2、电涡流阻尼器，3、非消能段，4、预埋在非消能段的工字型钢的端板，5、电磁屏蔽板，6、约束钢板，7、永磁体板，8、中间铜板，91、凸形底板连接板，92、凹形底板连接板，10、高强螺栓，111、凸形底板，112、凹形底板，12、导体棒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明专利的目的在于提供一种自感知电涡流型可更换耗能连梁，该连梁通过电涡流阻尼器和金属耗能阻尼器的结合，实现全阶段保护主体的安全和舒适，同时达到连梁在地震过程中自我监测的目标，克服已有可更换耗能连梁变形能力、稳定性和耐久性较差的不足，且在大震后易于修复更换。
如图1-3所示，本发明的提供一种自感知电涡流可更换耗能连梁，它由非消能段3和可更换段组成。可更换段由电涡流阻尼器2和两块型钢板1并联组成，两块型钢板1对称设置在电涡流阻尼器2的外侧，并与电涡流阻尼器2一同通过与预埋在非消能段的工字型钢的端板4进行螺栓连接固定在一起。
电涡流阻尼器2采用对称布置，在最外侧设置电磁屏蔽板5，往内依次为约束钢板6、永磁体板7、中间铜板8，以及底板和底板连接板。永磁体板7固定在约束钢板6上，约束钢板6和中间铜板8分别与左右非消能段3相连。约束钢板6和中间铜板8先通过高强螺栓10与左边的底板连接板连接，再通过底板与预埋在非消能段的工字型钢的端板4进行螺栓连接。两块永磁体板7分别为磁场的N极和S极，在中间铜板8附近产生均匀磁场，中间铜板8两侧侧固定导体棒12，两侧导体棒12采用串联连接，接通导体棒12形成监测电路，导体棒12与中间铜板8保持一定距离，削弱中间铜板8产生的电涡流感应磁场对导体棒12处均匀磁场的影响，中间铜板8与永磁体板7之间设置有垫层，形成间隙，防止中间钢板与永磁体板之间发生碰撞磨损。
监测电路包括导体棒12、外加电阻、信号放大器、数据记录仪和处理器。
如图4所示，监测电路的工作原理如下：
监测电路引出导体棒的导线，在电路中设置一个外接电阻R其远大于导体棒的电阻Rc,形成回路。在地震过程中，剪力墙墙肢带动中间铜板与永磁体板产生相对位移，固定在中间铜板上的导体棒不断切割磁感线。
根据法拉第电磁感应定律：
E＝Blν
该公式可求瞬时值满足振动监测的要求。在磁场强度B和导体棒长度l不变的情况下，感应电动势E与相对速度ν关系一定。在永磁体足够接近中间铜板时，可以假设穿过线圈的磁场为均匀磁场。
根据基尔霍夫电压定律：
上式中VR为电路的输出电压，Rc为线圈电阻，R为电路电阻，V为导体棒切割磁感线产生的感应电动势，不考虑电感的影响，忽略趋肤效应和涡流损耗。通过信号放大器数据记录仪存储输出电压VR，最后经处理器计算得磁场与导体棒的相对速度ν，即振动速度。
电涡流阻尼器的原理如下：
当中间铜板8和永磁体板7之间产生相对位移时，中间铜板8不断切割磁感线，形成电涡流，产生电阻热效应，不断耗散地震输入的能量。电涡流与振动速度ν有关，ν越大电涡流越大，所以电涡流阻尼器属于速度相关型阻尼器，与位移相关型阻尼器比如金属耗能阻尼器相比，它在所有条件下都能进行耗能，即使在风振等较小的振动条件下也能够进行耗能。所以电涡流阻尼器既能够同时用于结构的地震和风振控制，又避免了其他阻尼器存在的耗能初始刚度如何与结构侧移刚度相匹配的问题。在小震和风振等剪切位移较小情况下，通过电涡流阻尼器不断将振动输入的能量转化成热能，保证结构的舒适度。在中震和大震情况下，型钢板进行屈服耗能，从而全阶段保护主体的安全和舒适。
本发明的消能原理如下：
在小震和风振下，剪力墙的双肢带动电涡流阻尼器2的永磁体板7与中间铜板8产生相对运动，中间钢板8表面产生涡电流，涡电流的方向符合右手法则。涡电流形成与原磁场方向相反的新磁场，从而产生与中间铜板8运动方向相反的阻尼力。阻尼力的方向符合左手法则。中间铜板8产生的涡电流以热能的形式耗散到周围的介质中。在中震和大震下，型钢板1通过屈服变形也开始耗能。在振动的全过程中，固定在中间铜板8的导体帮12产生的感应电流通过监测电路引出形成回路，通过外加电阻、信号放大器、数据记录仪和处理器可以将输出电压转化成运动数据，实现对可更换耗能连梁的监测。
施工时，本发明可更换段和将要预埋在非消能段的工字型钢可以预先拼装完成，定位之后将工字型钢浇筑在非消能段中；也可以提前将工字型钢定位之后浇筑在非消能段之中，最后通过机械安装可更换段部分。
本发明可用于高层建筑结构中。本发明通过电涡流阻尼器和金属耗能阻尼器的结合实现实现全阶段耗能和更稳定的抗震性能，保护剪力墙墙肢，可更换段在震后损伤易于修复更换。通过监测电路可以测量连梁的关键响应数据，实现减震与监测的双重目的。

Claims (7)

1.一种自感知电涡流型可更换耗能连梁，用以感知剪力墙的振动状态并耗散振动能量，其特征在于，包括可更换段以及设置在剪力墙墙肢处的非消能段(3)，可更换段两端分别与非消能段(3)固定连接，所述的可更换段包括监测电路、两块型钢板(1)以及设置在两块型钢板(1)内部的电涡流阻尼器(2)，所述的监测电路与电涡流阻尼器(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种自感知电涡流型可更换耗能连梁，其特征在于，所述的电涡流阻尼器(2)包括相互插合的凸形组件和凹形组件。
3.根据权利要求2所述的一种自感知电涡流型可更换耗能连梁，其特征在于，所述的凸形组件包括与依次连接的凸形底板(111)、两块凸形底板连接板(91)和中间铜板(8)，所述的中间铜板(8)一端设置在两块凸形底板连接板(91)之间，另一端伸出凸形底板连接板(91)形成凸形，所述的凸形底板(111)与预埋在非消能段(3)内型钢的端板(4)通过螺栓固定连接，且与型钢板(1)的一端固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种自感知电涡流型可更换耗能连梁，其特征在于，所述的凹形组件包括依次连接的凹形底板(112)、凹形底板连接板(92)以及分别设置在凹形底板连接板(92)两侧的两块约束钢板(6)，所述的约束钢板(6)一端固定在凹形底板连接板(92)两侧，另一端伸出凹形底板连接板(92)形成凹形，两块约束钢板(6)内侧设有分别作为磁场N极和S极的两块相对设置的永磁体板(7)，外侧设有电磁屏蔽板(5)，所述的凹形底板(112)与预埋在非消能段(3)内的型钢的端板(4)通过螺栓固定连接，且与型钢板(1)的另一端固定连接，所述的中间铜板(8)另一端插合到上下两块永磁体板(7)之间，且能够与永磁体板(7)发生相对运动。
5.根据权利要求4所述的一种自感知电涡流型可更换耗能连梁，其特征在于，所述的中间铜板(8)另一端与上下两块永磁体板(7)之间设有间隙。
6.根据权利要求4所述的一种自感知电涡流型可更换耗能连梁，其特征在于，所述的监测电路包括依次连接的导体棒(12)、外加电阻、信号放大器和处理器，所述的导体棒(12)分别设置在中间铜板(8)两侧。
7.根据权利要求6所述的一种自感知电涡流型可更换耗能连梁，其特征在于，所述的导体棒(12)与中间铜板(8)两侧之间设有间隙。
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