CN109798310A - 一种具备抗冲特性的分段式智能隔震器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备抗冲特性的分段式智能隔震器，涉及土木工程结构隔震减振技术领域，包括上盖板、支撑柱A、限位环柱A、环形钢板、橡胶、圆柱隔板组成的橡胶隔震层；由圆柱隔板、支撑柱B、限位环柱B、圆形钢板、MRE、线圈A、中间盖板组成的MRE隔震层；中间盖板、上隔磁板壳、下导磁板壳、下隔磁板壳、导磁板、导磁垫片、支撑柱C、线圈B和下盖板组成夹层板壳抗冲层；橡胶隔震层、MRE隔震层和板壳抗冲层共同组成本发明的具备抗冲特性的分段式智能隔震器。本发明采用三段式设计，隔震器刚度连续均匀变化，可实现小位移、大位移下多种激励的隔震减振，同时可控夹层弧形板壳的设计使隔震器在大载荷冲击工况下，能够抵抗冲击力，耗散冲击能量。

Description

一种具备抗冲特性的分段式智能隔震器

技术领域

本发明主要涉及土木工程结构隔震减振技术领域，尤其是涉及一种基于磁流变材料和剪切增稠材料的具备抗冲特性的智能隔震器。

背景技术

工程结构在地震作用下会产生振动，过大的结构振动现象不仅会影响到结构物的正常使用，还会造成主体结构的破坏、甚至倒塌。传统的抗震设计主要是“以刚克刚”，通过提高结构构件的强度和变形能力来保证结构抗震安全性。随着社会的发展，隔震技术的使用使得人们对结构的安全性和稳定性要求也越来越高。目前工程中常用的基础隔震减振技术为橡胶支座，能提供一定的水平刚度，延长建筑物的基本周期，以避开地震动的卓越周期，降低建筑物的地震反应，但是其隔震频率单一，适应性较差。

近年来智能材料越来越多地被运用在隔震技术上。磁流变弹性体(Magnetorheological Elastomer，简称MRE)是性能优异的智能材料，具有可控性、可逆性、响应迅速等技术特点，与磁流变液(Magnetorheological Fluids，简称MRF)相比，MRE的固体状态使它更稳定。磁流变智能材料的优异性能使得它非常适用于主动、半主动控制装置，从而实现隔震减振器件的智能调控。剪切增稠液(Shear Thickening Fluids，简称STF)是性能优异的粘弹性材料，其对速度的响应非常迅速，在高速冲击下，STF发生固化，粘度急剧上升，吸收并耗散掉冲击能量。

剪切硬化基磁流变硅脂泥是具有剪切增稠效应和磁流变效应的多功能复合材料，其不仅有良好的速率/频率敏感特性，而且具有力学性能磁场可控特点，基于该材料制作的隔震装置可实现抗冲的效果。

中国专利(申请号：201710182094.2)公开的“复合结构磁流变弹性体隔震器”结合弹性体剪切模量可控和压缩模量可控的特性，更加充分利用了弹性体的刚度可控性，且具有一定强度的承载能力，但其耗能能力较差。中国专利(申请号：201510044266.0)公开的“剪切模式磁流变弹性体变频隔振器”通过弹性体运动可以实现多频率状态下多频隔振，但其不能抵抗冲击荷载。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种具备抗冲特性的分段式智能隔震器，克服了传统橡胶隔震器隔震频率单一、适应性不强的特点；与现有智能隔震器相比，本发明分三段式设计，适用于不同烈度地震下的隔震减振，同时具有较好的耗能能力，可控夹层弧形板壳的设计使隔震器在大载荷冲击工况下，能够抵抗冲击力，耗散冲击能量。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种具备抗冲特性的分段式智能隔震器，包括上盖板、圆柱隔板和中间盖板；所述上盖板、圆柱隔板、中间盖板依次上下水平设置，且上盖板、圆柱隔板、中间盖板的两端均通过弹性元件连接；

所述圆柱盖板上端面上固定设置有限位环柱A，上盖板下端面上连接有支撑柱A，所述支撑柱A置于限位柱A中间；

所述中间盖板上端面上固定设置有限位环柱B，圆柱盖板下端面上设置有支撑柱B，所述支撑柱B置于限位柱B中间。

进一步的，下盖板与中间盖板之间设置有夹层板壳；所述夹层板壳为拱形结构。

进一步的，所述夹层板壳为三层夹层的拱形结构，包括最外层的隔磁板壳层、中间层的导磁层与内层导磁板壳层；所述导磁层材料为剪切硬化基磁流变硅脂泥。

进一步的，所述下盖板上端面上设置有支撑柱C。

进一步的，所述支撑柱C外侧设置有线圈B。

进一步的，所述限位柱B外圈设置有线圈A。

进一步的，所述弹性元件为橡胶堆。

进一步的，所述圆柱隔板、中间盖板的两端的弹性元件为MRE与圆形钢板交替设置制成。

进一步的，支撑柱A与限位柱A之间的间距大于支撑柱B与限位柱B之间的间距。

进一步的，所述圆柱隔板上端面上、中间盖板上均设置有聚四氟乙烯滑动片。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明MRE针对现有智能隔MRE震器耗能能力较差、不能抵抗冲击大荷载的缺陷，设计可控夹层弧形板壳使隔震器在大载荷冲击工况下，能够抵抗冲击力，耗散冲击能量。

2、本发明针对现有隔震器采用橡胶材料、高阻尼材料传统材料，其控制技术性能单一、适应性不强、出力调节范围有限、出力不可控的缺陷，分别使用MRE和磁流变剪切增稠复合材料进行分段设计，随着可控磁场的产生，MRE刚度发生变化，实现阻尼力可调的效果；复合材料除体现磁流变效应外，在快速冲击荷载下复合材料刚度和粘度变大，体现出剪切增稠效应，能够消耗冲击能量，板壳和复合材料共同抵御冲击力。

3、本发明针对现有橡胶隔震器隔震频率单一适应性不强的缺陷，基于橡胶、MRE和剪切硬化基磁流变硅脂泥材料分三段式设计，可满足多遇烈度、基本烈度和罕遇烈度三个地震烈度下的抗震设防要求。该隔震器刚度连续均匀变化，从而适用于较宽的激励范围，同时具备抗冲及隔震的优点。

4.支撑柱A与限位柱A之间的间距大于支撑柱B与限位柱B之间的间距，这样的设计是为了更好的适应橡胶层隔震层适合振幅较大位移振动工况，而MRE隔震层主要依靠该工作单元中的MRE20的剪切变形工作，在电流调节作用下MRE20刚度改变，适应小振幅或小位移振动工况。

5.为了减少支撑柱要滑动时的摩擦，在支撑柱下方垫一层聚四氟乙烯滑动片。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A所在水平面的剖面示意图；

图3为图1的B所在水平面的剖面示意图；

图4为图1的C所在水平面的剖面示意图；

图5为本发明的板壳示意图；

图6为本发明的磁路示意图。

附图标记如下：

1-上盖板；2-支撑柱A；3-限位环柱A；4-环形钢板；5-圆柱隔板；6-支撑柱B；7-限位环柱B；8-环形钢板；9-中间盖板；10-上隔磁板壳；11-下导磁板壳；12-上导磁板壳；13-下隔磁板壳；14-导磁板；15-导磁垫片；16-隔磁板；17-滑动轴；18-支撑柱C；19-下盖板；20-MRE；21-橡胶；22-螺栓A；23-螺栓B；24-螺栓C；25-线圈A；26-线圈B；27-螺栓孔；28-聚四氟乙烯滑动片。

具体实施方式

为对本发明做进一步的了解，现结合附图对本发明做进一步详细说明：

结合附图1至5，一种具备抗冲特性的分段式智能隔震器，包括上盖板1、圆柱隔板5和中间盖板9；所述上盖板1、圆柱隔板5、中间盖板9依次上下水平设置，且上盖板1、圆柱隔板5、中间盖板9的两端均通过弹性元件连接；所述圆柱盖板5上端面上固定设置有限位环柱A3，上盖板1下端面上连接有支撑柱A2，所述支撑柱A2置于限位柱A3中间；所述中间盖板9上端面上固定设置有限位环柱B7，圆柱盖板5下端面上设置有支撑柱B6，所述支撑柱B6置于限位柱B7中间。

其中，上盖板1、支撑柱A2、限位环柱A3、环形钢板4、橡胶21、圆柱隔板5组成隔震器的橡胶隔震层；圆柱隔板5、支撑柱B6、限位环柱B7、圆形钢板8、MRE20、线圈A25、中间盖板9组成隔震器的MRE隔震层；橡胶隔震层与MRE隔震层位置可以调整，即橡胶隔震层位于MRE隔震层上方或者下方均可。

支撑柱A2与限位柱A3之间的间距大于支撑柱B6与限位柱B7之间的间距，这是因为MRE 隔震层主要依靠该工作单元中的MRE20的剪切变形工作，在电流调节作用下MRE20刚度改变，适应小振幅或小位移振动工况；橡胶层隔震层由橡胶21和圆形钢板8硫化叠合，适应较大振幅或较大位移振动工况，因此做了上述设计。

为了适应大载荷下的冲击工况，又在中间盖板9与下盖板之间设置夹层板壳，板壳抗冲层由弧形钢板组合，中间夹层为兼具磁流变效应和剪切增稠效应的复合材料，具体的，下盖板19与中间盖板9之间设置有夹层板壳；所述夹层板壳为拱形结构。所述夹层板壳为三层夹层的拱形结构，包括最外层、中间层与内层；中间层部分填充有导磁层材料，所述导磁层材料为剪切硬化基磁流变硅脂泥；剪切硬化基磁流变硅脂泥是具有剪切增稠效应和磁流变效应的多功能复合材料，其不仅有良好的速率/频率敏感特性，而且具有力学性能磁场可控特点，基于该材料制作的隔震装置可实现抗冲的效果。

本发明中，上盖板1与圆柱隔板5中间的弹性元件为橡胶堆，具体上可以这样说：该橡胶堆是由环形钢板4与橡胶21依次交叠硫化组成的，在遇到水平外力时，可以有很好的横向变形。

圆柱隔板与中间板之间的弹性元件为MRE20与圆形钢板8依次交叠制成，磁流变智能材料的优异性能使得它非常适用于主动、半主动控制装置，从而实现隔震减振器件的智能调控。

有横向力时，当加载水平小振幅荷载时，MRE隔震层开始工作，在磁场的作用下，MRE 刚度变化，可以实现阻尼力的智能调控，当达到小位移极限值时，橡胶隔震层继续工作，通过大变形使得结构物的相对位移大幅降低，达到隔震减振的目的。当冲击大荷载工况时，弧形板壳和剪切硬化基磁流变硅脂泥共同抵抗冲击力，同时耗散一部分冲击能量，在可控磁场作用下，复合材料体现磁流变效应，刚度改变，实现阻尼力智能可调。

具体实施例

结合附图1和2，上盖板1与支撑柱A2通过螺栓A22连接，限位环柱A3与圆柱隔板5焊接连接，橡胶21与环形钢板4通过硫化方式处理成整体，然后分别与上盖板1、圆柱隔板5黏合，上盖板1、支撑柱A2、限位环柱A3、环形钢板4、橡胶21、圆柱隔板5组成隔震器的橡胶隔震层；橡胶隔震层具有小阻尼，低动刚度的特性。

结合附图1和3，圆柱隔板5与支撑柱B6通过焊接连接，限位环柱B7与中间盖板8通过焊接连接，MRE20与圆形钢板8通过硫化方式处理成整体，然后与圆柱隔板5、中间盖板9黏合，线圈A25缠绕在限位环柱B7外圈，圆柱隔板5、支撑柱B6、限位环柱B7、圆形钢板8、MRE20、线圈A25、中间盖板9组成隔震器的MRE隔震层；MRE隔震层，具有大阻尼，高动刚度特性，在磁场作用下，MRE的刚度发生改变，实现智能控制的效果。

结合附图1和4，上隔磁板壳10与下导磁板壳11采用对接焊缝连接，组成拱形结构的内层；其中上层磁板壳10的材质可选为06Cr19Ni10不锈钢，下导磁板壳11材质为45号钢；上导磁板壳12与下隔磁板壳13采用对接焊缝连接，下隔磁板壳13与导磁板14通过焊缝连接，组成拱形结构的外层，下隔磁板壳13的材质为06Cr19Ni10不锈钢，上导磁板壳12与导磁板14材质为45 号钢；中间层部分为剪切硬化基磁流变硅脂泥；上隔磁板壳10、隔磁垫片16和上导磁板壳12 通过螺栓B23固定在中间盖板上，下导磁板壳11、导磁垫片15和导磁板14通过螺栓B23与滑动轴17固定连接，支撑柱C18与下盖板19通过螺栓C24固定连接，线圈B26缠绕在支撑柱C18外圈，中间盖板9、上隔磁板壳10、下导磁板壳11、上导磁板壳12、下隔磁板壳13、导磁板14、导磁垫片15、隔磁垫片16、滑动轴17、支撑柱C18、线圈B26和下盖板19组成隔震器的夹层板壳抗冲层。夹层板壳抗冲层负责冲击大荷载的工况，板壳设计和多功能复合材料的使用使隔震器能够耗散冲击能量，抵抗冲击荷载。板壳抗冲层见图4。上盖板和下盖板预留一定的螺栓孔，方便与外部结构连接。

上盖板1和下盖板19上均设置一定数量的螺栓孔27方便与其它结构连接。支撑柱A2与圆柱隔板5、支撑柱B6与中间盖板9、支撑柱C18与中间盖板9之间设置聚四氟乙烯滑动片28。

结合附图6，上部线圈25和下部线圈26共同作用，可以形成一个大的磁回路。线圈一端连接外部电源，通过控制外部输入电流的大小，可以控制磁回路中磁场大小，从而控制MRE20和板壳夹层中复合材料的刚度和阻尼，实现对隔震器出力的智能控制。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具备抗冲特性的分段式智能隔震器，包括上盖板(1)、圆柱隔板(5)和中间盖板(9)；其特征在于，所述上盖板(1)、圆柱隔板(5)、中间盖板(9)依次上下水平设置，且上盖板(1)、圆柱隔板(5)、中间盖板(9)的两端均通过弹性元件连接；

所述圆柱盖板(5)上端面上固定设置有限位环柱A(3)，上盖板(1)下端面上连接有支撑柱A(2)，所述支撑柱A(2)置于限位柱A(3)中间；

所述中间盖板(9)上端面上固定设置有限位环柱B(7)，圆柱盖板(5)下端面上设置有支撑柱B(6)，所述支撑柱B(6)置于限位柱B(7)中间。

2.根据权利要求1所述的具备抗冲特性的分段式智能隔震器，其特征在于，下盖板(19)与中间盖板(9)之间设置有夹层板壳，夹板壳层可以形成磁回路；所述夹层板壳为拱形结构。

3.根据权利要求2所述的具备抗冲特性的分段式智能隔震器，其特征在于，所述夹层板壳为三层夹层的拱形结构，上隔磁板壳(10)与下导磁板壳(11)接焊缝连接，组成拱形结构的内层；其中上层磁板壳(10)的材质可选为06Cr19Ni10不锈钢，下导磁板壳(11)材质为45号钢；上导磁板壳(12)与下隔磁板壳(13)焊缝连接后，下隔磁板壳(13)再与导磁板(14)通过焊缝连接，组成拱形结构的外层，下隔磁板壳(13)的材质为06Cr19Ni10不锈钢，上导磁板壳(12)与导磁板(14)材质为45号钢；中间层部分为剪切硬化基磁流变硅脂泥。

4.根据权利要求2所述的具备抗冲特性的分段式智能隔震器，其特征在于，所述下盖板(19)上端面上设置有支撑柱C(18)。

5.根据权利要求4所述的具备抗冲特性的分段式智能隔震器，其特征在于，所述支撑柱C(18)外侧设置有线圈B(26)。

6.根据权利要求1所述的具备抗冲特性的分段式智能隔震器，其特征在于，所述限位柱B(7)外圈设置有线圈A(25)。

7.根据权利要求1所述的具备抗冲特性的分段式智能隔震器，其特征在于，所述弹性元件为橡胶堆。

8.根据权利要求1所述的具备抗冲特性的分段式智能隔震器，其特征在于，所述圆柱隔板(5)与中间盖板(9)的两端的弹性元件为MRE(20)与圆形钢板(8)交替设置制成。

9.根据权利要求1所述的具备抗冲特性的分段式智能隔震器，其特征在于，支撑柱A(2)与限位柱A(3)之间的间距大于支撑柱B(6)与限位柱B(7)之间的间距。

10.根据权利要求1至9任一项所述的具备抗冲特性的分段式智能隔震器，其特征在于，所述圆柱隔板(5)上端面上、中间盖板(9)上均设置有聚四氟乙烯滑动片(28)。