CN111877590A - 一种基于直流和交流电磁铁控制的摩擦摆减隔震装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于直流和交流电磁铁控制的摩擦摆减隔震装置，水平隔震单元由摩擦摆支座（2）的下盖板（2‑2）与下柱（1‑2）连接，下柱（1‑2）与基础（1‑9）相连接，摩擦摆上盖板（2‑1）与上柱（1‑1）相连接；竖向隔震单元连接摩擦摆上盖板（2‑1）和下盖板（2‑2）的上柱（1‑1）与下柱（1‑2），同时将其与控制系统（3）相连；压力传感器（1‑6）安装在摩擦摆支座的上盖板（2‑1）上，位移传感器（1‑7）和速度传感器（1‑8）安装在摩擦摆支座的下盖板（2‑2）上；压力传感器与压力传感器数据处理器连接，位移传感器与位移传感器数据处理器连接，速度传感器与速度传感器数据处理器连接。

Description

一种基于直流和交流电磁铁控制的摩擦摆减隔震装置
技术领域
本发明属于建筑结构领域，涉及到地震的减隔震技术。
背景技术
建筑结构中常常会用到摩擦摆隔震支座，摩擦摆隔震支座是一种性能优良的隔震支座。由于近年来地震发生的频率逐渐增大，造成的损失也越来越大，因此多在建筑结构中使用摩擦摆隔震支座，用来控制其在地震作用下的震动，从而减少结构的损坏。
减隔震是减小或隔离因受到地震作用而对建筑结构产生的影响。常用的摩擦摆隔震支座主要由上盖板、下盖板以及滑动曲面、滑块和限位块五部分组成。上盖板和下盖板为滑块提供滑动的轨道。当发生地震震动等类型的震动时，上盖板在滑块的作用下对下盖板产生移动，这样在震动过程中，上盖板相对于下盖板所发生的周而复始的移动和复位便达到隔震的效果。现阶段应用较多的减隔震支座主要是叠层橡胶支座和摩擦摆支座。
由于近年来土木工程的不断发展，地震的不断增加，使得越来越多的建筑结构中加入了减隔震装置，从而来减少地震造成的危害。摩擦摆隔震支座就是近年来用的较多的一种减隔震装置。最早提出基础减隔震概念的是日本学者河合浩藏，但直到20世纪60年代，人们才开始对减隔震技术进行系统的研究。其中较为典型的减隔震装置有摩擦摆支座，因其造价低、施工简单、承载能力高等特点，目前已在许多结构领域得到了广泛应用。摩擦摆装置是由Zayas等人在美国加州大学伯克利分校最早研发的，其隔震消能的主要原理是利用滑动面的设计来延长结构的振动周期，以大幅度减少结构因地震作用而引起的放大效应。此外，可以利用摩擦摆隔震支座滑动面与滑块之间的摩擦来达到消耗地震能量、减小地震输入的目的。摩擦摆支座除有一般平面滑动隔震系统的特点外，还具有良好的稳定性、复位功能和抗扭转能力。
摩擦摆减隔震装置能在地震中耗散大部分能量，塑形变形主要集中在减隔震装置上。在罕遇地震作用下，对于采用减隔震技术的结构，允许减隔震装置发生大的塑形变形和一定残余位移的存在，但此时上部结构和其他构件基本为弹性。但是，当结构遭遇超烈度地震时，隔震支座位移很可能超出其水平位移极限而发生破坏，从而引起相邻结构发生碰撞等震害。摩擦摆的减隔震支座在近年来研究已经较为普遍，但是通过不同电源电磁铁控制的摩擦摆减隔震支座最近才慢慢开展。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于直流和交流电磁铁控制的摩擦摆减隔震装置。
本发明是一种基于直流和交流电磁铁控制的摩擦摆减隔震装置，包括水平隔震单元、竖向隔震单元，水平隔震单元由摩擦摆支座2的下盖板2-2与下柱1-2连接，下柱1-2与基础1-9相连接，摩擦摆上盖板2-1与上柱1-1相连接；竖向隔震单元连接摩擦摆上盖板2-1和下盖板2-2的上柱1-1与下柱1-2，同时将其与控制系统3相连；压力传感器1-6安装在摩擦摆支座的上盖板2-1上，位移传感器1-7和速度传感器1-8安装在摩擦摆支座的下盖板2-2上；压力传感器1-6与压力传感器数据处理器3-1连接，位移传感器1-7与位移传感器数据处理器3-2连接，速度传感器1-8与速度传感器数据处理器3-3连接。
与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明基于电磁铁耗能隔震原理，利用电磁感应原理以及电流效应，将结构的动能转化为外势能得以耗散，其耗能能力强于传统的摩擦，同时加入电磁铁的目的是为了优化摩擦摆，使摩擦摆的自振周期变长，增大阻尼比，进而使减隔振功能增强。
本发明在上、下盖板设置电磁铁实现非接触耗能，解决了传统摩擦摆隔震支座依靠机械摩擦耗能、摩擦材料性能退化的缺点。
本发明通过控制电磁铁的磁力来实现对多个方向的振动控制，从而实现对普通摩擦摆的智能化控制，着重解决现有摩擦摆中摩擦系数的多变性、残余位移 可能发生竖向倾覆、滑块对限位环的碰撞破坏作用下的敏感响应以及大震作用下的失效等问题。
本发明通过在摩擦摆上、下盖板中加入电磁铁来协同摩擦摆运动，摩擦摆运动时所消耗能量以及通过控制系统反馈信息来增强摩擦摆的运动，从而来减少地震所造成的损害，大大提高了摩擦摆的工作效率。
附图说明
图1为该种电磁铁控制的摩擦摆减隔震支座的主视图,图2为该种电磁铁控制的摩擦摆减隔震支座的俯视图，图3为电磁铁的构造图，图4为单个摩擦摆的构造图。附图标记及对应名称为：上柱1-1、下柱1-2、电磁铁1-3、线圈1-4、导线1-5、压力传感器1-6、位移传感器1-7、速度传感器1-8、基础1-9、摩擦摆支座2、控制系统3、外接电源系统4、上盖板2-1、下盖板2-2、滑动曲面2-3、滑快2-4、限位块2-5、压力传感器数据处理器3-1、位移传感器数据处理器3-2、速度传感器数据处理器3-3、控制电源开关器3-4、直流电源4-1、交流电源4-2、直流交流电源转换器4-3、总开关4-4。
具体实施方式
如图1～图4所示，本发明是一种基于直流和交流电磁铁控制的摩擦摆减隔震装置，包括水平隔震单元、竖向隔震单元，水平隔震单元由摩擦摆支座2的下盖板2-2与下柱1-2连接，下柱1-2与基础1-9相连接，摩擦摆上盖板2-1与上柱1-1相连接；竖向隔震单元连接摩擦摆上盖板2-1和下盖板2-2的上柱1-1与下柱1-2，同时将其与控制系统3相连；压力传感器1-6安装在摩擦摆支座的上盖板2-1上，位移传感器1-7和速度传感器1-8安装在摩擦摆支座的下盖板2-2上；压力传感器1-6与压力传感器数据处理器3-1连接，位移传感器1-7与位移传感器数据处理器3-2连接，速度传感器1-8与速度传感器数据处理器3-3连接。
压力传感器数据处理器3-1、位移传感器数据处理器3-2和速度传感器数据处理器3-3与控制电源开关器3-4连接。
在上盖板2-1和下盖板2-2中加入电磁铁1-3，其中上盖板2-1的电磁铁1-3镶嵌于滑块2-4之间，在下盖板2-2的中间部位电磁铁1-3使用直流电，在其他部位中使用交流电，上盖板2-1中的电磁铁1-3使用直流电，电磁铁1-3埋入下盖板2-2以及上盖板2-1中，线圈1-4与导线1-5相连接并连入到控制系统3中。
在下盖板2-2的中间部位电磁铁1-3和上盖板2-1中的电磁铁1-3连接直流电源4-1，在下盖板2-2的其他部位电磁铁1-3连接交流电源4-2，直流电源4-1和交流电源转换器4-3与交流电源4-2共同连接在总开关4-4上。
电磁铁1-3的形状为圆柱形，线圈1-4从电磁铁1-3两端按照顺时针缠绕多次；电磁铁1-3的直径根据柱子的直径来选择。
所述的摩擦摆支座2为单一摩擦摆支座，滑动曲面2-3采用不锈钢材料制成下凹形圆弧形曲面；滑块2-4底部与滑动曲面2-3具有相同的曲率半径，并且在上盖板2-1和下盖板2-2加入电磁铁1-3；加入上盖板2-1的电磁铁1-3电磁铁镶嵌于滑块之间，加入下盖板2-2的电磁铁1-3的位置与下盖板2-2的距离为2-4cm。
本发明的电磁控制的摩擦摆减隔震装置，是一种基于摩擦摆支座和电磁感应原理以及电流效应设计的减隔震支座，既有摩擦摆支座的减隔震效果，同时又能够通过切割磁感线产生电磁，产生的电磁使电磁铁的磁性势能转换为动力势能来消耗地震动的能量，用来减少由于地震作用而使建筑结构发生不可修复的破坏。使用直流和交流电磁铁控制的摩擦摆减隔震装置是由于直流电磁铁和交流电磁铁的不同，在摩擦摆下盖板的中间部位电磁铁使用直流电以及在摩擦摆上盖板中的电磁铁使用直流电，因为摩擦摆在来回摆动的过程中会和中间滑动曲面的接触最为密切，空气气隙不会发生太大变化，在上盖板中的电磁铁使用直流电也是因为电磁铁镶嵌于滑块之间，空气气隙不会发生太大变化，同时由于直流电磁铁的励磁电流与磁路性质无关，其大小仅决定于线圈两端电压和线圈电阻，线圈再通以直流电流时，电阻是不会改变的，因而磁路中的磁通是恒定的；在下盖板其他部位中电磁铁使用交流电，是因为摩擦摆在来回摆动的过程中与滑动曲面的两边位置接触不密切，空气气隙会发生变化，同时由于交流电磁铁的励磁电流则由磁路性质决定，即由磁路磁阻的大小决定。当电磁铁起动时，衔铁与铁心之间的空气隙最大，空气隙大时磁阻大，励磁电流也大;当衔铁吸合后，空气隙小时，励磁电流也小。最后由于交流电是磁基，机械方式生产，凡交流电一定带有电磁特性，存在磁芯材料，刚好用来使下盖板两边的空气气隙较小时，来增强磁性。
结合具体实施方案对本发明的技术方案作进一步说明。
摩擦摆支座的下盖板与下柱连接，并且下柱和基础固定连接，摩擦板上盖板与上柱相连接。
在上、下盖板中加入电磁铁，因为电磁铁在铁心上缠绕线圈能使电磁铁的磁性增强，在下盖板的中间区域以及在上盖板中的电磁铁使用直流电，在下盖板的其他区域中使用交流电，当电磁铁1-3工作时，能通过电磁铁产生相吸或相斥来增大或减少上部结构的重量，从而来判断电磁铁需要通电来使电磁铁继续工作，最后将地震波所产生的力通过控制系统3反馈给三个检测装置，检测装置将反馈回来的信息处理、接收，进而重新反馈给控制系统3，使控制系统3重新带动电磁铁工作，这样反复循环。给摩擦摆中加入的电磁铁，通过电磁铁产生的磁力，进而使摩擦摆支座产生更大的效应，产生的磁力会使摩擦摆支座的摆动加强，延长了结构自振周期，增大阻尼比，使减隔振性能增强。
当地震来临时，位移传感器测得的摩擦摆支座安全工作的位移为Δ，Δmin≤Δ≤Δmax，Δmin为最小安全工作位移，Δmax为最大安全工作位移。
当Δmin≤Δ≤Δmax时，摩擦摆自身就可以通过摆动来正常工作，不需要借助电磁铁，故此时的电源是断开的，交流电磁铁和直流电磁铁不工作。
当Δ≥Δmax,Δ≤Δmin时,结构会发生倾覆，单通过摩擦摆自身的工作来防止结构倾覆，所以需要接通电源，来通上直流电磁铁和交流电磁铁来增强磁性，使摩擦摆自振周期变长，来使摩擦摆的功效达到最大，从而防止结构倾覆。
直流电磁铁中的电流线圈磁力计算公式为F=6.4（IW）2S/δ2,其中F为电流线圈磁力，I为励磁电流，W为线圈匝数，S为铁心极面的截面积，δ为空气气隙。由于直流电磁铁的励磁电流与磁路性质无关，其大小仅决定于线圈两端电压和线圈电阻，线圈再通以直流电流时，电阻是不会改变的，因而磁路中的磁通是恒定的，空气气隙也不会影响产生的电磁铁，所以可知当接通直流电磁铁时摩擦摆的摆动一直会恒定，使摩擦摆工作性能达到最佳，来防止结构倾覆，同时摩擦摆能通过压力、速度、位移传感器来将地震产生的波动以及强度反馈给控制系统3，控制系统3接收到信息后通过控制电磁铁使直流电磁铁继续工作。
交流电磁铁中的电流线圈磁力计算公式为F=3.2（IW）2S/δ2,其中F为电流线圈磁力，I为励磁电流，W为线圈匝数，S为铁心极面的截面积，δ为空气气隙。由于交流电磁铁的励磁电流则由磁路性质决定，即由磁路磁阻的大小决定。当电磁铁起动时，衔铁与铁心之间的空气隙最大，空气隙大时磁阻大，励磁电流也大;当衔铁吸合后，空气隙小时，励磁电流也小。最后由于交流电是磁基，机械方式生产，凡交流电一定带有电磁特性，存在磁芯材料，刚好用来使下盖板两边的空气气隙较小时，来增强磁性，所以可知当接通交流电磁铁时，依然可以增强摩擦摆的摆动，使摩擦摆工作性能达到最佳，来防止结构倾覆，同时摩擦摆能通过压力、速度、位移传感器来将地震产生的波动以及强度反馈给控制系统3，控制系统3接收到信息后通过控制电磁铁使交流电磁铁继续工作。
由于在上、下盖板中的电磁铁使用了直流电和交流电两种，所以要通过交流电直流电转换器4-3来进行转换。因为外接开关只能接通一种电流，所以需要交流电直流电转换器4-3来转换。
当地震来临时，通过滑块滑动来耗能，一旦当上部结构太重时，通过压力传感器检测会通知到控制系统，控制系统控制电磁铁工作产生斥力以减少上部重量，但是当上部结构太轻，则在地震作用时容易发生倾覆，这时也是需要压力传感器来通知控制系统。应该让电磁铁产生吸力，电磁铁产生的吸力计算公式为F=B2S/2μ0,B为磁通密度，S为铁心极面的截面积，μ0为真空中的磁导率，由于磁通量密度和铁心极面的截面积都随着电磁铁通电逐渐变大，所以产生的吸力会越来越强，防止上部结构倾覆。
在地震来临一瞬间时，整体结构发生破坏的速度快，当压力传感器还来不及反馈给控制系统时，控制系统通过位移和速度传感器将反馈回来的信息，通过控制系统自身的控制能力，来使结构的损失减少到最小，同时通过位移和速度传感器反馈给控制系统的数据进行下一步处理，及时来控制使电磁铁继续工作。

Claims (6)

1.一种基于直流和交流电磁铁控制的摩擦摆减隔震装置，包括水平隔震单元、竖向隔震单元，其特征在于水平隔震单元由摩擦摆支座（2）的下盖板（2-2）与下柱（1-2）连接，下柱（1-2）与基础（1-9）相连接，摩擦摆上盖板（2-1）与上柱（1-1）相连接；竖向隔震单元连接摩擦摆上盖板（2-1）和下盖板（2-2）的上柱（1-1）与下柱（1-2），同时将其与控制系统（3）相连；压力传感器（1-6）安装在摩擦摆支座的上盖板（2-1）上，位移传感器（1-7）和速度传感器（1-8）安装在摩擦摆支座的下盖板（2-2）上；压力传感器（1-6）与压力传感器数据处理器（3-1）连接，位移传感器（1-7）与位移传感器数据处理器（3-2）连接，速度传感器（1-8）与速度传感器数据处理器（3-3）连接。
2.根据权利要求1所述的直流和交流电磁铁控制的摩擦摆减隔震装置，其特征在于：压力传感器数据处理器（3-1）、位移传感器数据处理器（3-2）和速度传感器数据处理器（3-3）与控制电源开关器（3-4）连接。
3.根据权利要求1所述的直流和交流电磁铁控制的摩擦摆减隔震装置，其特征在于：在上盖板（2-1）和下盖板（2-2）中加入电磁铁（1-3），其中上盖板（2-1）的电磁铁（1-3）镶嵌于滑块（2-4）之间，在下盖板（2-2）的中间部位电磁铁（1-3）使用直流电，在其他部位中使用交流电，上盖板（2-1）中的电磁铁（1-3）使用直流电，电磁铁（1-3）埋入下盖板（2-2）以及上盖板（2-1）中，线圈（1-4）与导线（1-5）相连接并连入到控制系统3中。
4.根据权利要求1所述的直流和交流电磁铁控制的摩擦摆减隔震装置，其特征在于：在下盖板（2-2）的中间部位电磁铁（1-3）和上盖板（2-1）中的电磁铁（1-3）连接直流电源（4-1），在下盖板（2-2）的其他部位电磁铁（1-3）连接交流电源（4-2），直流电源（4-1）和交流电源转换器（4-3）与交流电源（4-2）共同连接在总开关（4-4）上。
5.根据权利要求1所述的直流和交流电磁铁控制的摩擦摆减隔震装置，其特征在于：电磁铁（1-3）的形状为圆柱形，线圈（1-4）从电磁铁（1-3）两端按照顺时针缠绕多次；电磁铁（1-3）的直径根据柱子的直径来选择。
6.根据权利要求1所述的直流和交流电磁铁控制的摩擦摆减隔震装置，其特征在于：所述的摩擦摆支座（2）为单一摩擦摆支座，滑动曲面（2-3）采用不锈钢材料制成下凹形圆弧形曲面；滑块（2-4）底部与滑动曲面（2-3）具有相同的曲率半径，并且在上盖板（2-1）和下盖板（2-2）加入电磁铁（1-3）；加入上盖板（2-1）的电磁铁（1-3）电磁铁镶嵌于滑块之间，加入下盖板（2-2）的电磁铁（1-3）的位置与下盖板（2-2）的距离为2-4cm。
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