CN112342903B - 一种基于磁流变体的耗能型变刚度抗震桥梁挡块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流变体的耗能型变刚度抗震桥梁挡块，该挡块包括磁流变隔振装置以及变刚度矩形腔体，所述磁流变隔振装置安装在变刚度矩形腔体外部表面；该挡块初始刚度小，在遭受地震冲击时，依靠磁流变隔振装置内部特有的三重弹簧与磁流变阻尼体系，能有效降低梁体与挡块刚性碰撞而造成的损坏，并具备多级耗能特征，能够逐级耗能，提高桥梁的抗震性能；变刚度矩形腔体内部安装负泊松比模块，并填充有磁流变弹性体，当地震荷载作用变化时，随活塞杆推移，其变刚度矩形腔体内部结构压缩，挡块侧向刚度不断增强，能满足不同强度的地震荷载作用下刚度需求；该挡块具有良好的适应性与足够的承载力，是一种理想的桥梁抗震挡块。

Description

一种基于磁流变体的耗能型变刚度抗震桥梁挡块

技术领域

本发明涉及桥梁挡块技术领域，具体为一种基于磁流变体的耗能型变刚度抗震桥梁挡块。

背景技术

地震过程中，桥梁结构因为地震荷载而产生较大的侧向位移和加速度，导致主梁滑落、悬空等问题，通过在盖梁上设置挡块可以限制地震作用下桥梁梁体出现较大侧向位移，防止梁体滑落，同时在挡块上设置减震装置可以耗散地震作用下梁体与挡块的撞击能量，防止刚性碰撞产生的不可恢复性损伤。

现有技术中，常有的挡块形式是在盖梁顶部的两侧，通过盖梁浇筑完成后预留的竖向钢筋浇筑成整体式钢筋混凝土挡块，这种整体式挡块在桥梁受到地震作用过程中，若梁体发生过大的横向位移时，挡块无法提供减震耗能的功能，由于刚度过大，梁体与挡块发生刚性碰撞，易造成挡块脆性破坏以及梁体局部损伤，进而引起盖梁与下部桥墩造成损伤，甚至发生桥梁滑落，因此，设置具备变侧向刚度功能，同时能够采取有效减震耗能措施，并能够提供足够的承载能力的挡块变得尤为重要。

磁流变弹性体与磁流变液等磁流变材料为桥梁减震吸能提供了新的途径，磁流变材料是一种具有流变特性的新型可控智能材料，在外加磁场作用下，其可在短时间内表观粘度增加两个数量级以上,并呈现类固体特性，流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，利用磁流变智能材料的特殊性能，能有效的减少地震能量对桥梁的影响；负泊松比材料或结构是一种反常力学现象的机械超材料或结构，其在受到压缩或者拉伸时，能在两个方向产生收缩或膨胀效应。基于此，以具有可逆磁控性能的磁流变材料作为桥梁挡块抗震的吸能材料，同时运用负泊松比结构特性，将极大地增强桥梁在地震作用下的抗震吸能的能力，防止桥梁侧移过大导致从支座或桥墩上滑落，从而提升桥梁安全性，保证人民生命安全。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种基于磁流变体的耗能型变刚度抗震桥梁挡块。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于磁流变体的耗能型变刚度抗震桥梁挡块，包括磁流变隔振装置以及变刚度矩形腔体，所述磁流变隔振装置安装在变刚度矩形腔体外部表面，其中变刚度矩形腔体内安装负泊松比模块，所述负泊松比模块内部间隙填充磁流变弹性体，本装置可单独作为挡块使用，也可嵌入预留空槽的混凝土或其他刚性挡块中组合成抗震变刚度挡块形式使用。

所述磁流变隔振装置由第一活塞杆、第一活塞杆端头、第二活塞杆、第二活塞杆端头、活塞头、第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧、圆形护筒、套筒、钢防冲板以及密封圆环组成，所述活塞头为工字型圆柱体，活塞头采用导磁、软磁材料制作而成，活塞头中间套设有圆环状的第二永磁体，第二永磁体外层设置有由环氧树脂注塑成型的密封层，所述第二永磁体、活塞头与套筒构成闭合磁路，所述活塞头与第一活塞杆固定连接，第二活塞杆一端设于第一活塞杆内部，第一活塞杆与第二活塞杆均为可伸缩结构，可伸缩一定长度，并在边界处设置嵌套限位部，以防止第二活塞杆滑出第一活塞杆内部，同时第三弹簧固定在第一活塞杆与第二活塞杆之间。

所述第一弹簧套设在第一活塞杆上，且第一弹簧安置于套筒内部，套筒采用钢材料制成，第一弹簧固定于套筒与活塞头之间，所述第二弹簧套设在第二活塞杆上，第二弹簧设置在套筒外部，第二弹簧固定于套筒与第二活塞杆端头之间，所述套筒内部填充有磁流变液，且在活塞头与套筒内壁之间形成阻尼通道，当第一活塞杆带动活塞头推动时，使套筒内部左右产生压差，磁流变液被迫流过活塞头与套筒之间的狭窄间隙，由于磁流变效应，靠近的磁流变液转变为高黏度、低流动性，与活塞头剪切作用力更大，达到阻尼效果。

所述活塞头以及第一活塞杆端头的右侧面均设置有缓冲垫片，减少地震过程中往复运动时金属之间直接碰撞，所述密封圆环保证套筒封闭性，所述钢防冲板外侧安装贴面板，可减少梁体与钢防冲板的摩擦系数，减少梁块与钢防冲板的硬性摩擦耗损，所述圆形护筒与第二活塞杆端头连接，防止雨水侵入，保护外部结构，同时引导第二活塞杆准确推移。

所述变刚度矩形腔体内安装有负泊松比模块，所述变刚度矩形腔体内部左侧安装有矩形状的第一永磁体，且所述负泊松比模块间隙填充有磁流变弹体，当受到地震作用时，磁流变隔振装置中的第一活塞杆端头推动负泊松比模块压缩，同时使得填充在负泊松比模块内部的磁流变弹体靠近第一永磁体，磁流变弹体受到随距离减少而增大的磁场，由于磁流变效应，磁流变弹体抗压强度增强，使得所述负泊松比模块刚度进一步加强。

优选地，所述负泊松比模块采用众多个内凹弧边结构单元组成，每个内凹弧边结构单元由两块弧形板及两块连接板构成，弧形板为具有一定角度内凹的薄板，两块弧形板轴对称设置，且弧形板两端通过连接板进行连接以构成单个内凹弧边结构单元，每个连接板均设置有圆孔以保证第一永磁体发出的磁场可顺利通过内凹弧边结构单元间隙，磁通量充足。

优选地，所述负泊松比模块为单独模块并嵌套在变刚度矩形腔体中，易拆卸，可更换。

优选地，所述磁流变弹体采用硅橡胶作为基体，并加入了75wt％的硅油以降低磁流变弹体模量，同时加入了两种磁性颗粒，一种是3-5μm的羧基铁粉，另一种是40-100μm的铁颗粒作为磁性颗粒，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小时固化而制成，球形颗粒的粒径根据要求而定。

优选地，所述负泊松比模块层数为4-10层，具体根据桥梁抗震要求进行确定，层数越多，装置的防撞耗能性越好、安全系数越高，多层所述负泊松比模块中的弧形板为变厚度薄板，靠近梁段的弧形板较薄，靠近第一永磁体的弧形板较厚。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该挡块初始刚度小，在遭受地震冲击时，依靠磁流变隔振装置内部特有的三重弹簧与磁流变阻尼体系，能有效降低梁体与挡块刚性碰撞而造成的损坏，并具备多级耗能特征，能够逐级耗能，提高桥梁的抗震性能；变刚度矩形腔体内部安装负泊松比模块，并填充有磁流变弹性体，当地震荷载作用变化时，随活塞杆推移，其变刚度矩形腔体内部结构压缩，挡块侧向刚度不断增强，能满足不同强度的地震荷载作用下刚度需求，具有良好的适应性与足够的承载力，该挡块可模块化安装与合并其他结构，组合成为变刚度抗震挡块；在受到地震作用，并且遭到强烈地震后，只需更换内部负泊比模块即可，因此维修更换方便，便于二次利用，是一种理想的桥梁抗震挡块。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明磁流变隔振装置结构剖面示意图；

图3为本发明变刚度矩形腔体结构剖面示意图。

图4为本发明磁流变隔振装置内部结构示意图

图5为本发明整体外观示意图

图6为本发明在盖梁上的安装示意图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示，本发明提供了一种基于磁流变体的耗能型变刚度抗震桥梁挡块，包括磁流变隔振装置1以及变刚度矩形腔体2，所述磁流变隔振装置1安装在变刚度矩形腔体2外部表面，所述变刚度矩形腔2体内安装有负泊松比模块11，内部左侧安装第一永磁体12，所述负泊松比模块11内部间隙填充磁流变弹性体13；

所述磁流变隔振装置2由第一活塞杆27、第一活塞杆端头29、第二活塞杆25、第二活塞杆端头34、活塞头36、第一弹簧35、第二弹簧33、第三弹簧26、圆形护筒21、套筒31以及密封圆环28组成，所述活塞头36为工字型圆柱体，活塞头36采用导磁、软磁材料制作而成，活塞头36中间套设有圆环状的第二永磁体32，第二永磁体32外层设置有由环氧树脂注塑成型的密封层37，所述第二永磁体32、活塞头36与套筒31构成闭合磁路，所述活塞头36与第一活塞杆27固定连接，第二活塞杆25一端设于第一活塞杆27内部，第一活塞杆27与第二活塞杆25均为可伸缩结构，可伸缩一定长度，并在边界处设置嵌套限位部，以防止第二活塞杆25滑出第一活塞杆27内部，同时第三弹簧26固定在第一活塞杆27及第二活塞杆25之间；

所述第一弹簧套35设在第一活塞杆27上，且第一弹簧35安置于套筒31内部，套筒31采用钢材料制成，第一弹簧35固定于套筒31与活塞头36之间，所述第二弹簧33套设在第二活塞杆25上，第二弹簧33设置在套筒31外部，第二弹簧33固定于套筒31与第二活塞杆25端头之间，所述套筒31内部填充有磁流变液30，且在活塞头36与套筒31内壁之间形成阻尼通道，当第一活塞杆27带动活塞头36推动时，会导致套筒31内部左右产生压差，磁流变液30被迫流过活塞头36与套筒31之间的狭窄间隙，由于磁流变效应，靠近的磁流变液30转变为高黏度、低流动性，与活塞头36剪切作用力增大，达到阻尼效果；

所述活塞头36以及第一活塞杆端头29的右侧面均设置有缓冲垫片22，减少地震过程中往复运动时金属之间直接碰撞，所述密封圆环28保证套筒封闭性，所述钢防冲板23由软钢材料制成，外侧安装贴面板24，贴面板24为超高分子乙烯材料，可减少梁体与钢防冲板23的摩擦系数，减少梁块与钢防冲板23的硬性摩擦耗损，所述圆形护筒21采用薄壁金属结构，圆形护筒21与第二活塞杆端头34连接，防止雨水侵入，保护外部结构同时引导第二活塞杆25准确推移；

所述变刚度矩形腔体内安装有负泊松比模块，所述变刚度矩形腔体1内部左侧安装有矩形状的第一永磁体12，且所述负泊松比模块11间隙填充有磁流变弹体13，所述磁流变弹性体13具有可压缩性，当受到地震作用时，磁流变隔振装置2中的第一活塞杆端头29推动负泊松比模块11压缩，同时使得填充在负泊松比模块11内部的磁流变弹体13靠近第一永磁体12，受到随距离减少而增大的磁场，由于磁流变效应，磁流变弹体13抗压强度增强。

所述负泊松比模块11采用众多个内凹弧边结构单元组成，每个内凹弧边结构单元由两块弧形板及两块连接板构成，弧形板为具有一定角度内凹的薄板，两块弧形板轴对称设置，且弧形板两端通过连接板进行连接以构成单个内凹弧边结构单元，每个连接板均设置有圆孔以保证第一永磁体12发出的磁场可顺利通过内凹弧边结构单元间隙，磁通量充足。

所述负泊松比模块11为单独模块并嵌套在变刚度矩形腔体1中，易拆卸，可更换。

所述磁流变弹体13采用硅橡胶作为基体，并加入了75wt％的硅油以降低磁流变弹体模量，同时加入了两种磁性颗粒，一种是3-5μm的羧基铁粉，另一种是40-100μm的铁颗粒作为磁性颗粒，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小时固化而制成，球形颗粒的粒径根据要求而定。

所述负泊松比模块11层数为4-10层，具体根据桥梁抗震要求进行确定，层数越多，装置的防撞耗能性越好、安全系数越高，多层所述负泊松比模块11中的弧形板为变厚度薄板，靠近梁段的弧形板较薄，靠近第一永磁体12的弧形板较厚。

上述结构的技术原理：当受到较小的地震作用，桥梁梁体侧向位移不大时，梁体首先与钢防冲板23发生碰撞，钢防冲板23推动第二活塞杆25运动，第三弹簧26与第二弹簧33压缩，提供反弹力，当收到较大的地震作用，梁体撞击钢防冲板23，继续推动第二活塞杆25运动，此时第三弹簧26已压缩至限程，第二活塞杆25开始推动第一活塞杆27带动活塞头36向左运动，两边存在压差，磁流变液30迫使流过活塞头36与套筒31内壁的间隙，由于磁流变效应，提供阻尼力，缓解地震作用冲击，达到减震效果，第二弹簧33继续压缩，提供反弹力，同时第一活塞杆端头29开始推动负泊松比模块11进行压缩，压缩过程中由于负泊松比模块11特殊的力学性能，抗压刚度不断增强，内部磁流变弹性体13由于被推动获得随距离不断靠近而增大的磁场，磁流变效应增强，抗压强度进一步增强来抵御地震作用，当收到强地震时，桥梁侧向位移大，此时第一弹簧35、第二弹簧33、第三弹簧26均压缩到限程，提供最大抗力，负泊松比模块11与内部磁流变弹性体13处于最大刚度状态，结构转为整体自身或外部钢挡块或混凝土挡块承受，此时能最大限度的防止桥梁梁体滑落。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种基于磁流变体的耗能型变刚度抗震桥梁挡块，其特征在于，包括磁流变隔振装置以及变刚度矩形腔体，所述磁流变隔振装置安装在变刚度矩形腔体外部表面，其中变刚度矩形腔体内安装负泊松比模块，所述负泊松比模块内部间隙填充磁流变弹性体；

所述磁流变隔振装置由第一活塞杆、第一活塞杆端头、第二活塞杆、第二活塞杆端头、活塞头、第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧、圆形护筒、套筒、第二永磁体、钢防冲板以及密封圆环组成，所述第一活塞杆端头深入所述变刚度矩形腔体内推动所述负泊松比模块压缩，所述活塞头为工字型圆柱体，活塞头中间套设有圆环状的第二永磁体，第二永磁体外层设置有由环氧树脂注塑成型的密封层，所述活塞头与第一活塞杆固定连接，第二活塞杆一端设于第一活塞杆内部，第一活塞杆与第二活塞杆均为可伸缩结构，可伸缩一定长度，并在边界处设置嵌套限位部，以防止第二活塞杆滑出第一活塞杆内部，同时第三弹簧固定在第一活塞杆与第二活塞杆之间；

所述第一弹簧套设在第一活塞杆上，且第一弹簧安置于套筒内部，套筒采用钢材料制成，第一弹簧固定于套筒与活塞头之间，所述第二弹簧套设在第二活塞杆上，第二弹簧固定于套筒与第二活塞杆端头之间，所述套筒内部填充有磁流变液，且活塞头与套筒内壁形成阻尼通道，当第一活塞杆带动活塞头推动时，会导致套筒内部左右产生压差，磁流变液被迫流过活塞头与套筒之间的狭窄间隙，由于磁流变效应，靠近的磁流变液转变为高黏度、低流动性，与活塞头剪切作用力更大，达到阻尼效果；

所述活塞头以及第一活塞杆端头的右侧面均设置有缓冲垫片，减少地震过程中往复运动时金属之间直接碰撞，所述圆形护筒安装在套筒外缘右侧，并与第二活塞杆端头连接，保护内部的第二活塞杆及第二弹簧结构，同时引导第二活塞杆准确推移，所述第二活塞杆及第二弹簧均安装在所述套筒外缘的右侧；

所述变刚度矩形腔体内安装有负泊松比模块，所述变刚度矩形腔体内部左侧安装有矩形状的第一永磁体，且所述负泊松比模块间隙填充有磁流变弹体，所述磁流变弹性体具有可压缩特性，当受到地震作用时，磁流变隔振装置中的第一活塞杆端头推动负泊松比模块压缩，同时使得填充在负泊松比模块内部的磁流变弹体靠近第一永磁体，磁流变弹体受到随距离减少而增大的磁场，由于磁流变效应，磁流变弹体抗压强度增强，使得所述负泊松比模块刚度进一步加强，所述负泊松比模块采用众多个内凹弧边结构单元组成，每个内凹弧边结构单元由两块弧形板及两块连接板构成，弧形板为具有一定角度内凹的薄板，两块弧形板轴对称设置，且弧形板两端通过连接板进行连接以构成单个内凹弧边结构单元，每个连接板均设置有圆孔以保证第一永磁体发出的磁场可顺利通过内凹弧边结构单元间隙，以确保磁通量充足。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁流变体的耗能型变刚度抗震桥梁挡块，其特征在于，所述负泊松比模块为单独模块并嵌套在变刚度矩形腔体中，易拆卸，可更换。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁流变体的耗能型变刚度抗震桥梁挡块，其特征在于，所述磁流变弹体采用硅橡胶作为基体，并加入了75wt%的硅油以降低磁流变弹体模量，同时加入了两种磁性颗粒，一种是3-5μm的羧基铁粉，另一种是40-100μm的铁颗粒作为磁性颗粒，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小时固化而制成，球形颗粒的粒径根据要求而定。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁流变体的耗能型变刚度抗震桥梁挡块，其特征在于，所述负泊松比模块层数为4-10层，具体根据桥梁抗震要求进行确定，层数越多，装置的防撞耗能性越好、安全系数越高，多层所述负泊松比模块中的弧形板为变厚度薄板，靠近梁段的弧形板较薄，靠近第一永磁体的弧形板较厚。

Images