CN115075642B - 磁浮-弹簧混合悬浮隔震装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种磁浮‑弹簧混合悬浮隔震装置及其安装方法。混合悬浮隔震装置安装于结构柱和承台之间，包括用于一阶振动控制的第一组机械类减震机构以及用于二阶振动控制的第二组电磁类减震机构；所述第一组机械类减震机构包括位于结构柱和承台之间的弹簧组件；所述第二组电磁类减震机构包括衔铁组件和电磁铁组件。所述安装方法包括如下：根据工程情况，计算悬浮隔震装置内各组件的规格参数、数量；之后将悬浮隔震装置内的各个组件有序进行安装。本发明的有益效果为：它通过机械弹簧结合电磁技术，实现了主动结合被动控制主体结构振动。为土木工程尤其是建筑结构工程防震减灾提供了控制精度高、效果好、造价低廉的全新的技术方案。

Description

磁浮-弹簧混合悬浮隔震装置及其安装方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及工程结构减振装置，具体涉及一种磁浮-弹簧混合悬浮隔震装置及其安装方法。

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电磁场来支撑，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，其减震效果明显好于传统的以机械接触方式设计的隔震装置（或技术）。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。

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，减小间隙则必然会影响地震波竖向分量的控制（通常较大地震时地表竖向振动幅度可达5-10cm甚至更大）。现有吸力型常导悬浮隔振装置，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。

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）是偶然的，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。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种磁浮-弹簧混合悬浮隔震装置及其安装方法，它通过机械弹簧结合电磁技术，实现主动结合被动控制主体结构振动。

本发明通过如下技术方案实现：一种磁浮-弹簧混合悬浮隔震装置，它安装于结构柱5和承台9之间，包括用于一阶振动控制的第一组机械类减震机构以及用于二阶振动控制的第二组电磁类减震机构；

其中，所述承台9上设有立柱4；所述第一组机械类减震机构包括设置于立柱4上的减摩件以及位于结构柱5和承台9之间的弹簧组件；所述第二组电磁类减震机构包括与结构柱5连接的衔铁组件和搁置于减摩件上的电磁铁组件。

一种磁浮-弹簧混合悬浮隔震装置的安装方法，它包括如下步骤：

S1：根据工程情况，计算弹簧7组件和电磁铁2组件中各个组件的规格参数、数量；

S2：在承台9相应位置安装预埋板91，浇捣承台9混凝土；

S3：在预埋板91上焊接导杆8，并套设且固定机械弹簧7；

S4在钢短柱54下放置垫铁51，其中垫铁51高度不小于机械弹簧7在非地震状态下（隔震装置常态下）的压缩值；

S5：将钢短柱54和垫铁51临时固定于预埋板91上；

S6：在钢短柱54上部进行结构柱5及其以上工程结构施工，至钢短柱54上部恒荷载加载到位；

S7：在钢短柱54上外周固定连接外挑梁6，将衔铁1固接于外挑梁6上；同时在承台9预埋板91上固接立柱4，将电磁铁2安放于立柱4上；

S8：给电磁铁2通电，电磁铁2通电所产生的电磁力带动外挑梁6连同钢短柱54上升，拆除垫铁51后缓缓减小电流，机械弹簧7逐渐受压，至钢短柱54连同上部结构柱5落于预埋板91上。

较之前技术而言，本发明的有益效果为：

利用建筑工程由恒荷载产生的柱底力占总柱底力80%左右这一特点，将恒荷载产生的柱底力考虑由价格低廉的机械弹簧承受，当地震来临，电磁装置产生的悬浮力叠加上机械恢复力大于柱底力之后，衔铁带动结构柱带动上部结构悬浮，结构即不受地震动影响。为土木工程尤其是建筑结构工程防震减灾提供了控制精度高、效果好、造价低廉的全新的技术方案。

附图说明

图1为本发明所述装置非悬浮状态的剖视图；

图2为本发明装置地震时悬浮状态的剖视图；

图3为本发明被控制结构主体施工阶段剖视图；

图4为本发明图1中1-1处的俯视视图；

图5为本发明图1中2-2处的俯视视图；

图6为本发明电磁铁的侧视图；

图7为本发明电磁铁的俯视图；

图8为本发明线圈的大样图；

图9为本发明衔铁的大样图；

图10为图9中A-A处的剖视图；

图11为本发明立柱的大样图；

图12为本发明C-C处的剖视图；

图13为滑移板的大样图。

标号说明：1、衔铁；2、电磁铁；21、挑耳；3、线圈；4、立柱 41、滑移板；5、结构柱；51、垫铁；52、横隔板；53、加劲板；6、外挑梁； 7、机械弹簧；71、钢板；8、导杆；9、承台；91、预埋板；92、锚固件。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明做详细说明：

首先对本发明所述装置、使用方法的工作原理进行说明：

1．本发明利用建筑工程由恒荷载产生的柱底力占总柱底力80%左右这一特点，将恒荷载产生的柱底力考虑由价格低廉的机械弹簧（普通弹簧或碟簧）承受，当地震来临，电磁装置产生的悬浮力叠加上机械恢复力大于柱底力之后，衔铁带动结构柱带动上部结构悬浮，结构即不受地震动影响。

2．本发明在使用的时候，需要考虑和现有的地震预警系统、位移传感器搭配使用；即在地震预警系统提示存在地震风险的时候，启动电磁铁组件；位移传感器以位移变化控制电磁悬浮输入电流；电磁铁和衔铁之间设置位移传感器以反馈控制电流，均系发明人先前申请的已公开技术，本发明中不再赘述。

3．本发明中，电磁铁组件刚启动时一般不能达到满负荷满功率，较小的电磁力叠加上最大的机械斥力，可以使上部结构顺利浮起。上部结构浮至预定的悬浮间隙，此时机械力可以为零，电流约为起浮时刻的数倍，对于时长20-40s的地震，数倍电流对于线圈是安全的。在稳定悬浮位置，因应地表竖向振动而不断改变的电流控制着衔铁和结构柱保持不动，由此实现结构竖向振动控制。

4．电磁悬浮时电磁铁的水平位移将对衔铁产生一定的水平作用力，这个力将带动衔铁（结构柱）水平振动，因该水平力大大低于竖向电磁吸力，结构水平振动将远小于传统的机械连接的隔震技术（如叠层橡胶隔震垫，等），这是本发明电磁悬浮技术隔震的显著优点。但单个U型（E型）电磁铁在两个水平方向对衔铁的作用力差异较大，因此本发明在结构柱的周边对称设置电磁铁（附图为4个电磁铁），可实现双方向水平力的均衡。

5．如果机械弹簧的恢复长度小于稳定悬浮间隙，衔铁和结构柱将在稳定位置独立受电磁力控制；如果机械弹簧的恢复长度大于稳定悬浮间隙，衔铁和结构柱将在稳定位置受机械斥力和电磁力共同控制。

6．本发明所谓用于一阶振动控制的第一组机械类减震机构，即是立柱顶滑移板的四氟乙烯涂层，以及，机械弹簧上端的钢板和横隔板相互接触面的四氟乙烯涂层所发挥的机械减震作用；所谓二阶振动控制的第二组电磁类减震机构，即是以电磁悬浮技术将衔铁和结构柱浮起而实现的电磁减震。

7．因本装置在常态下机械弹簧受压，且机械弹簧所承受压力以恒荷载产生的柱底力为基数，故本装置安装采用在钢短柱下设置临时垫铁方式，在上部土建结束恒荷载到位后，加装电磁类减震机构，以约数倍起浮电流将衔铁和结构柱浮起，其时即可拆除垫铁。该安装思路一方面解决了机械弹簧安装的困难，另一方面也是被控制工程所设计的电磁悬浮可行与否的先行检验。

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1-13所示：一种磁浮-弹簧混合悬浮隔震装置，它安装于结构柱5和承台9之间，包括用于一阶振动控制的第一组机械类减震机构以及用于二阶振动控制的第二组电磁类减震机构；

其中，所述承台9上设有立柱4；所述第一组机械类减震机构包括设置于立柱4上的减摩件以及位于结构柱5和承台9之间的弹簧组件；所述第二组电磁类减震机构包括与结构柱5连接的衔铁组件和搁置于减摩件上的电磁铁组件。

这里的立柱4通过承台内设有的预埋板91实现固定连接。

其中，所述结构柱5的下部固定连接具有空腔的钢短柱54，钢短柱54的顶部固定有横隔板52，所述弹簧组件设置于钢短柱54腔室内。

上面所述弹簧组件包括：

机械弹簧7，设置一个或以上，且底部与承台9内设有的预埋板91固定连接；以及

钢板71，固定连接于机械弹簧7顶部；

其中，机械弹簧7的数量为一个或以上，且当机械弹簧7的数量为两个以上时，呈对称设置。

需要说明的是，这里的机械弹簧7可以是普通弹簧或碟簧；

由于碟簧是由多个圆锥形盘状结构串联构成，所以当机械弹簧7为碟簧时，它还包括穿设于碟簧内的导杆8，所述导杆8的底部与承台9内设有的预埋板91固定连接；

所述导杆8短于碟簧所处场景极致压缩状态时的长度。

另外，所述横隔板52上设有加劲板53。能够提高横隔板52的强度。

以上所述电磁铁组件包括：

电磁铁2，设置有多组，且对称分布于结构柱5周围，电磁铁2上绕有线圈3；

挑耳21，设有多个，对称连接于电磁铁2外周； 以及

衔铁1，位于电磁铁2下方并与结构柱5连接；

所述挑耳21搁置于立柱4的减摩件上。

需要说明的是，由于挑耳要相对立柱进行水平滑动，为了减少二者的摩擦力，所以增加减摩件，这里的减摩件一般是固定在立柱4上，减摩件和挑耳21滑动摩擦配合。当然也可以考虑将减摩件固定在挑耳21上，使得减摩件和立柱上表面滑动摩擦配合。

一般来说，这里的电磁铁2一般设置4个，以环形阵列分布于结构柱5周围。同样挑耳21也设置了四个，对称分布于电磁铁2的两个对边。

所述钢短柱54侧面设有多个向外延伸的外挑梁6，所述衔铁1固定连接于外挑梁6上。一般结构柱为方形，所以外挑梁6也是四个，分布在结构柱的四个侧壁。

所述钢板71和横隔板52的接触面设有减摩涂层，所述减摩件为滑移板41，滑移板41的表面设有减摩涂层，这里的减摩涂层为四氟乙烯涂层。

本发明将建筑结构的恒荷载（自重，约占全部荷载的80%）以价格低廉的机械弹簧（结合减摩结构）承载并控制，结合电磁技术提供的悬浮力，实现主动 + 被动控制主体结构振动。

该设想结合土木工程特点，为土木工程尤其是建筑结构工程防震减灾提供了控制精度高、效果好（对比传统的建筑结构隔震技术）、造价低廉（对比于高铁等高精度控制技术）的全新的技术方案。

和成熟的磁悬浮高铁控制技术相比，土木工程磁悬浮隔震技术除上述特点外，尚有明显的不同之处：1、高铁的振动源是稳定的（沿恒定的轨道运动），而土木工程的振动源是变化的（如地震波）；2、高铁需要水平控制以使其稳步前行并转弯等，而土木工程的被保护对象最好在悬浮起来之后不受水平力影响。一句话，高铁关注于水平力控制而土木工程关注于竖向力控制。

本发明采用磁浮-弹簧混合悬浮隔震技术，被保护结构竖直方向由机械斥力和电磁吸力控制，电磁吸力可控可随外界振动变化而变化，水平方向由机械隔震和电磁恢复力控制，最大限度的减小水平地震作用。与现有工程减震技术相比截然不同。

本发明所述的一种磁浮-弹簧混合悬浮隔震装置的安装方法，它包括如下步骤：

S1：根据工程情况，计算弹簧组件和电磁铁2组件中各个组件的规格参数、数量；

S2：在承台9相应位置安装预埋板91，浇捣承台9混凝土；

S3：在预埋板91上焊接导杆8，并套设且固定机械弹簧7；

S4在钢短柱54下放置垫铁51，其中垫铁51高度不小于机械弹簧7在非地震状态下（隔震装置常态下）的压缩值；

S5：将钢短柱54和垫铁51临时固定于预埋板91上；

S6：在钢短柱54上部进行结构柱5及其以上工程结构施工，至钢短柱54上部恒荷载加载到位；

S7：在钢短柱54上外周固定连接外挑梁6，将衔铁1固接于外挑梁6上；同时在承台9预埋板91上固接立柱4，将电磁铁2安放于立柱4上；

S8：给电磁铁2通电，电磁铁2通电所产生的电磁力带动外挑梁6连同钢短柱54上升，拆除垫铁51后缓缓减小电流，机械弹簧7逐渐受压，至钢短柱54连同上部结构柱5落于预埋板91上。

所述机械弹簧7组件和电磁铁2组件中各个组件的规格参数、数量，具体包括：

所述电磁铁2的截面尺寸、衔铁1的截面尺寸、线圈3的匝数和绕线直径，应满足，所有电磁铁2总吸力不小于结构柱5及其上部工程结构活荷载产生的重力；

所述机械弹簧7、钢短柱54内的横隔板52和加劲板53，其总承载力不小于结构柱5及其上部工程结构恒荷载产生的重力；

所述机械弹簧7和钢板71，在非地震状态的总压缩长度，不大于悬浮间隙。

所述立柱4总竖向承载力应满足上部工程结构总承载力要求。

最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.磁浮-弹簧混合悬浮隔震装置，其特征在于：它安装于结构柱（5）和承台（9）之间，包括用于一阶振动控制的第一组机械类减震机构以及用于二阶振动控制的第二组电磁类减震机构；

其中，所述承台（9）上设有立柱（4）；所述第一组机械类减震机构包括设置于立柱（4）上的减摩件以及位于结构柱（5）和承台（9）之间的弹簧组件；所述第二组电磁类减震机构包括与结构柱（5）连接的衔铁组件和搁置于减摩件上的电磁铁组件；

所述结构柱（5）的下部固定连接具有空腔的钢短柱（54），钢短柱（54）的顶部固定有横隔板（52），所述弹簧组件设置于钢短柱（54）腔室内；

所述电磁铁组件包括：

电磁铁（2），设置有多组，且对称分布于结构柱（5）周围，电磁铁（2）上绕有线圈（3）；

挑耳（21），设有多个，对称连接于电磁铁（2）外周； 以及

衔铁（1），位于电磁铁（2）下方并与结构柱（5）连接；

所述挑耳（21）搁置于立柱（4）的减摩件上；

所述钢短柱（54）侧面设有多个向外延伸的外挑梁（6），所述衔铁（1）固定连接于外挑梁（6）上。

2.根据权利要求1所述的磁浮-弹簧混合悬浮隔震装置，其特征在于：所述弹簧组件包括：

机械弹簧（7），设置一个或以上，且底部与承台（9）内设有的预埋板（91）固定连接；以及

钢板（71），固定连接于机械弹簧（7）顶部；

其中，机械弹簧（7）的数量为一个或以上，且当机械弹簧（7）的数量为两个以上时，呈对称设置。

3.根据权利要求2所述的磁浮-弹簧混合悬浮隔震装置，其特征在于：所述机械弹簧（7）为普通弹簧或碟簧；

且当机械弹簧（7）为碟簧时，它还包括穿设于碟簧内的导杆（8），所述导杆（8）的底部与承台（9）内设有的预埋板（91）固定连接；

所述导杆（8）短于碟簧所处场景极致压缩状态时的长度。

4.根据权利要求1所述的磁浮-弹簧混合悬浮隔震装置，其特征在于：所述横隔板（52）上设有加劲板（53）。

5.根据权利要求2所述的磁浮-弹簧混合悬浮隔震装置，其特征在于：所述钢板（71）和横隔板（52）的接触面设有减摩涂层；所述减摩件为滑移板（41），滑移板（41）的表面设有减摩涂层。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的磁浮-弹簧混合悬浮隔震装置的安装方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1：根据工程情况，计算弹簧组件和电磁铁（2）组件中各个组件的规格参数、数量；

S2：在承台（9）相应位置安装预埋板（91），浇捣承台（9）混凝土；

S3：在预埋板（91）上焊接导杆（8），并套设且固定机械弹簧（7）；

S4：在钢短柱（54）下放置垫铁（51），其中垫铁（51）高度不小于机械弹簧（7）在非地震状态下的压缩值；

S5：将钢短柱（54）和垫铁（51）临时固定于预埋板（91）上；

S6：在钢短柱（54）上部进行结构柱（5）及其以上工程结构施工，至土建施工完毕；

S7：在钢短柱（54）上外周固定连接外挑梁（6），将衔铁（1）固接于外挑梁（6）上；同时在承台（9）预埋板（91）上固接立柱（4），将电磁铁（2）安放于立柱（4）上；

S8：给电磁铁（2）通电，电磁铁（2）通电所产生的电磁力带动外挑梁（6）连同钢短柱（54）上升，拆除垫铁（51）后缓缓减小电流，机械弹簧（7）逐渐受压，至钢短柱（54）连同上部结构柱（5）落于预埋板（91）上。

7.根据权利要求6所述的磁浮-弹簧混合悬浮隔震装置的安装方法，其特征在于：所述机械弹簧（7）组件和电磁铁（2）组件中各个组件的规格参数、数量，具体包括：

所述电磁铁（2）的截面尺寸、衔铁（1）的截面尺寸、线圈（3）的匝数和绕线直径，应满足，所有电磁铁（2）总吸力不小于结构柱（5）及其上部工程结构活荷载产生的重力；

所述机械弹簧（7）、钢短柱（54）内的横隔板（52）和加劲板（53），其总承载力不小于结构柱（5）及其上部工程结构恒荷载产生的重力；

所述机械弹簧（7）和钢板（71），在非地震状态的总压缩长度，不大于悬浮间隙；

所述立柱（4）总竖向承载力应满足上部工程结构总承载力要求。