抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器的設計方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器的設計方法及裝置，該方法采用豎向剛度大、結構強度高、彈性模量可調(diào)的磁流變彈性體作為支座主體，通過支座剛度的調(diào)整來實現(xiàn)橋墩-梁結構在大載荷作用下的抗沖隔振；采用能提供大阻尼且介質(zhì)無沉降的磁流變脂阻尼器作為減振器件，在阻尼器兩端用球形鉸鏈連接方式來提高其三維轉動能力，通過阻尼的調(diào)節(jié)抑制墩-梁位移并進一步減振耗能；磁流變彈性體支座、磁流變脂阻尼器和控制器共同構成橋墩抗沖隔振支承裝置，控制器通過檢測橋梁的沖擊振動狀態(tài)來智能地調(diào)整支座-阻尼器的剛度、阻尼，提高墩-梁結構強度和阻尼比，在橋梁受到大載荷沖擊振動時，緩減或隔離沖擊的傳遞并抑制墩-梁移位，保障橋梁結構安全。
【專利說明】抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器的設計方法及裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大沖擊載荷下橋梁結構的抗沖減振及災害防護技術，特別涉及一種抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器的設計方法及裝置。

【背景技術】
[0002]橋梁在面臨地震、爆炸、車輛過載與撞擊、船撞橋墩等大載荷作用威脅時，常在墩-梁結合處產(chǎn)生很大的沖擊破壞力和移位，輕則引起墩-梁結構損傷、重則造成坍塌，給人民生命財產(chǎn)和國民經(jīng)濟發(fā)展帶來危害。目前，降低墩-梁結構在大沖擊載荷下的動態(tài)響應并提高其緩沖隔振能力，已成為橋梁結構抗沖防護工程領域亟待解決的關鍵問題。
[0003]為了提高橋墩隔減振及緩沖能力，通常在橋的梁與墩(臺)之間設置被動支座(如鋼支座、橡膠支座、特殊抗震支座等類型)，它具有較高的垂向剛度和較低的水平彈性(剛度)，能夠一定程度地通過延長結構振動周期來減少沖擊振動對橋梁上部結構的破壞力。傳統(tǒng)被動支座在一般振動載荷作用下雖然具有良好的隔減振性能，但在大載荷沖擊下卻無法“智能”地調(diào)節(jié)自身剛度、提升豎向強度來抵抗沖擊力和大變形，也無法產(chǎn)生較大的阻尼/形變來耗散瞬間大能量，因而在大水平剪切力作用下會產(chǎn)生破壞性的位移，總體上缺乏良好的抗沖擊和振動隔離的兼容能力，成為橋梁結構安全體系中的最薄弱環(huán)節(jié)，常引發(fā)墩-梁移位、落梁等震害發(fā)生，給墩-梁結構的抗沖防護帶來極大的隱患。
[0004]橋墩支座是連接橋梁上部結構與橋墩(臺)之間的紐帶，其性能直接決定了梁-墩結構的隔減振和抗沖能力。橋墩支座的發(fā)展經(jīng)過了鋼支座、橡膠墊支座、平面滑動橡膠支座和盆式橡膠支座等。近年來，國內(nèi)外學者開始采用半主動與被動減振結合的方式來設計橋梁支承裝置，如采用可調(diào)阻尼的磁流變液阻尼器與被動橡膠支座配合，可在一定程度抑制支承系統(tǒng)的振動能量。但即使采用了阻尼可調(diào)器件和被動支座結合方式，其抗沖能力也是有限的，因為(大載荷)沖擊發(fā)生的持續(xù)時間非常短(可在幾十毫秒內(nèi))，最大動態(tài)載荷通常發(fā)生在前幾個周期，僅僅調(diào)節(jié)阻尼是不夠的，還需要能自適應調(diào)節(jié)剛度來改變結構的固有頻率(振動周期)、提高結構強度和抗沖能力。所以，探索把可調(diào)剛度、阻尼的磁流變彈性體元件和磁流變脂器件同時用于橋墩抗沖支承裝置研究，通過剛度、阻尼的智能調(diào)節(jié)來提高結構強度(或調(diào)整共振頻率)和阻尼比，在橋梁受到大載荷沖擊及振動的緊急時亥|J，去緩減或隔離沖擊振動力(能量)的傳遞并抑制墩-梁移位，雙管齊下保障墩-梁結構安全就顯得尤為重要。
[0005]因此，探索利用剪切、拉伸模量及各向剛度可調(diào)的磁流變彈性體支座替代橋墩被動支座，用阻尼可調(diào)的磁流變脂器件替代有介質(zhì)沉降缺點的一般流體阻尼器，提出基于剛度阻尼耦合作用的抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器設計方法及系統(tǒng)裝置，為在大沖擊載荷下的橋墩半主動抗沖隔振系統(tǒng)提供保護，對保障墩-梁結構安全有十分重要的學術意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器的設計方法及其裝置，將磁流變彈性體支座和磁流變脂阻尼器組合使用，結合沖擊振動狀態(tài)控制器，保障大載荷沖擊振動下的墩-梁結構安全。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案:
[0008]一種抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器的設計方法，該方法采用彈性模量可調(diào)的高強度磁流變彈性體作為支座主體，通過支座剛度的調(diào)整來實現(xiàn)橋的墩-梁結構的抗沖隔振；采用阻尼大范圍可調(diào)的磁流變脂阻尼器作為減振器件，通過阻尼(力)的調(diào)節(jié)抑制墩-梁移位并進一步減振耗能；將磁流變彈性體支座、磁流變脂阻尼器和控制器共同構成橋墩抗沖隔振支承裝置，通過檢測橋梁的沖擊振動狀態(tài)來智能地控制支座-阻尼器的剛度、阻尼，提高墩-梁結構強度(或調(diào)整共振頻率)和阻尼比，緩減或隔離沖擊振動力(能量)的傳遞并抑制墩-梁位移，從而保障橋梁結構安全。
[0009]進一步,所述磁流變彈性體支座包括金屬片、橡膠、磁流變彈性體單元、磁芯、電磁線圈、鋼殼；在支座內(nèi)，金屬片、橡膠和磁流變彈性體單元間隔排布，構成金屬片-橡膠層-磁流變彈性體單元層；其中，磁流變彈性體單元由高分子聚合物和微米尺度的鐵磁性顆粒組成，在通電線圈的磁場作用下鐵磁性顆粒可形成鏈或柱狀等有序聚集結構。這樣，能顯著改變其剪切模量，以磁流變彈性體為核心設計的智能支座能在沖擊振動載荷作用的初期快速調(diào)節(jié)自身剛度、提升豎向強度，調(diào)整墩-梁結構的固有頻率并降低破壞性位移和抵抗沖擊力；并且磁流變彈性體支座在不注入控制量(或控制失效)時，該結構中金屬片-橡膠層-彈性體單元層仍具有被動支座的基本功能，從而保證支座“失效安全”。
[0010]進一步，在該設計方法中，所述的磁流變脂阻尼器包括圓筒、活塞、線圈繞組、磁流變脂、永磁體、活塞桿、壓力補償器；其中，磁流變脂是以溶膠作為連續(xù)相的母液，將微米級的磁性顆粒均勻地分散到其中而形成，在通電線圈產(chǎn)生的勵磁電流磁場作用下，磁流變脂中的鐵磁顆粒會形成鏈狀結構，并通過與永磁體磁場疊加，使得中低等振動工況條件下線圈的勵磁電流為零，從而降低阻尼器能耗。在大載荷沖擊的后期，磁流變脂阻尼器對沖擊殘余和振動的衰減能力較強，可抑制墩-梁結構的振動能量并限制墩-梁的縱橫向位移；通過在阻尼器兩端采用球形鏈接方式，提升其三維轉(移)動水平和抑制墩-梁空間位移的能力。
[0011]本發(fā)明還提供了一種抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器系統(tǒng):該系統(tǒng)包括磁流變彈性體支座、磁流變脂阻尼器和邏輯控制器，三者共同構成橋墩抗沖隔振支承裝置；通過傳感器檢測橋的墩-梁結構的沖擊振動狀態(tài)，邏輯控制器根據(jù)沖擊振動的大小劃分控制等級，根據(jù)不同等級計算出對應的輸入到支座-阻尼器的驅(qū)動電流，通過對磁流變彈性體支座和磁流變脂阻尼器的剛度、阻尼的快速調(diào)節(jié)，來實現(xiàn)橋的墩-梁結構的抗沖隔振、限位和耗能功能，保障橋梁結構安全。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明從大載荷沖擊下保證橋墩-梁的安全角度出發(fā)，采用基于可調(diào)剛度、阻尼的磁流變彈性體及磁流變脂技術，利用剪切、拉伸模量及各向剛度可調(diào)的磁流變彈性體支座替代橋墩被動支座，使得橋墩支座在沖擊載荷下可以“智能”地調(diào)節(jié)自身剛度來改變結構的固有頻率(振動周期)、提升豎向強度來抵抗沖擊力和大變形；用阻尼可調(diào)的磁流變脂器件替代有介質(zhì)沉降缺點的一般流體阻尼器，使得阻尼器在橋梁受到?jīng)_擊及振動的緊急時刻，能進一步通過調(diào)節(jié)阻尼比去緩減沖擊振動力(能量)的傳遞并抑制墩-梁移位。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]為了使本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明:
[0014]圖1為磁流變支座-阻尼器構成的橋墩抗沖隔振型復合支承系統(tǒng)示意圖；
[0015]圖2為失效安全的磁流變彈性體支座設計原理圖；
[0016]圖3為可三維轉動的低能耗磁流變脂阻尼器設計原理圖；
[0017]圖4為抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器可控支承裝置的構成示意圖。

【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明涉及的基于可調(diào)剛度阻尼技術的抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器設計方法及系統(tǒng)裝置，其技術方案主要涉及剛度可調(diào)的磁流變彈性體支座、阻尼可控的磁流變脂阻尼器和沖擊振動控制器的設計。在大沖擊載荷初期，通過快速調(diào)節(jié)磁流變彈性體支座的剛度、提升豎向強度，來調(diào)整墩-梁結構的固有頻率并提升其抵抗沖擊振動破壞的能力；在沖擊振動的后期，通過磁流變脂阻尼器產(chǎn)生較大的阻尼(力)來調(diào)節(jié)結構阻尼比，耗散能量并減小支座位移，且阻尼器的兩端采用球形鉸鏈可變安裝方式，可全方位轉動來抑制各方向沖擊振動作用下的支座-阻尼器的位移；控制器設置在該磁流變支座-阻尼系統(tǒng)當中，與支座-阻尼器采用一體化設計，它內(nèi)部采用電流分檔邏輯控制，可根據(jù)傳感器采集的振動沖擊狀態(tài)計算出磁流變支座-阻尼器對應的驅(qū)動電流值，使得該抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器系統(tǒng)裝置做出相應等級的快速響應。
[0019]基于可調(diào)剛度阻尼的抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器系統(tǒng)裝置，可分為磁流變彈性體支座、磁流變脂阻尼器及沖擊振動狀態(tài)控制器三部分。
[0020]1.磁流變彈性體支座:
[0021 ] 磁流變彈性體支座由金屬片、橡膠、磁流變彈性體單元、磁芯、電磁線圈、鋼殼等組成，且結構中的金屬片、橡膠、磁流變彈性體單元分層交替分布，構成金屬片-橡膠單元-磁流變彈性體單元的組合方式；其中，磁流變彈性體單元是由高分子聚合物(如橡膠等)和微米尺度的鐵磁性顆粒組成，混合有鐵磁性顆粒的聚合物在外加磁場作用下具有固化特性，使鐵磁性顆粒在磁場方向形成鏈或柱狀等有序聚集結構，能顯著改變其剪切模量，因此磁流變彈性體支座具有水平剪切模量、垂向拉伸(擠壓)模量可產(chǎn)生明顯變化的能力，從而使得其剛度可調(diào)，且其裝置具有無需密封、性能穩(wěn)定、響應迅速的特點。當不注入控制量(或控制失效)時，磁流變彈性體支座結構中金屬層-橡膠-彈性體仍可構成被動支座，具備基本的隔減振能力，從而保證“失效安全”。
[0022]2.磁流變脂阻尼器:
[0023]磁流變脂阻尼器包括圓筒、活塞、線圈繞組、磁流變脂、永磁體、活塞桿、壓力補償器等。磁流變脂是以溶膠作為連續(xù)相的母液，將微米級的磁性顆粒均勻地分散到其中而形成，其特征在于在外加磁場作用下，鐵磁顆粒會形成鏈狀結構，且通過勵磁電流磁場與永磁體磁場疊加，使得中低等振動工況條件下線圈的勵磁電流為零，從而降低阻尼器能耗；在大載荷沖擊的后期，磁流變脂阻尼器對沖擊殘余響應衰減能力較強，可在一定程度抑制橋墩支承系統(tǒng)的振動能量，進而限制梁-墩的縱橫向位移，提高支座-阻尼系統(tǒng)的減振耗能水平。
[0024]在磁流變脂阻尼器兩端采用球形鉸鏈連接方式，其特征在于該器件兩端可三維轉(移)動，使得通過阻尼(力)調(diào)節(jié)可以在三維空間上抑制墩-梁位移并進一步提升其空間減緩振動的能力。
[0025]3.控制裝置:
[0026]橋墩沖擊振動狀態(tài)控制裝置包括:用來檢測和判斷沖擊振動狀態(tài)的加速度傳感器、力傳感器、位移傳感器；采用分級控制的邏輯控制器，可根據(jù)傳感器采集的振動沖擊狀態(tài)快速計算出磁流變支座-阻尼器對應的剛度、阻尼值；把控制器的輸出信號轉換成磁流變支座-阻尼器對應的驅(qū)動電流值的電流驅(qū)動器，促使該橋墩支座-阻尼系統(tǒng)做出不同等級的快速響應。
[0027]下面將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
[0028]如圖1所示，磁流變支座-阻尼器共同構成的橋墩抗沖隔振型復合支承系統(tǒng)涉及橋面沖擊力、磁流變彈性體支座、兩端帶有球形鉸鏈的磁流變脂阻尼器、地面沖擊力、橋墩等。當橋面或地面受到大載荷沖擊時，橋墩支座-阻尼器系統(tǒng)中的傳感器會采集到?jīng)_擊振動能量狀態(tài)，控制器根據(jù)沖擊振動能量的等級對電流進行分級計算輸出剛度阻尼控制值，經(jīng)過電流驅(qū)動器把最佳剛度阻尼值轉換成磁流變支座、阻尼器的驅(qū)動電流，使得復合式支座-阻尼系統(tǒng)中的磁流變彈性體支座和磁流變脂阻尼器可快速調(diào)節(jié)自身剛度和阻尼、提升豎向強度來抵抗沖擊力及破壞性位移，提高墩、梁結構的抗沖隔振兼容能力。當遭遇的地震強度較大或發(fā)生爆炸、車船撞擊時，隔震支座非線性行為極為突出且產(chǎn)生過大變形時，為防止支座自身破壞，且因梁、墩之間相對位移過大從而引發(fā)主梁間的碰撞和落梁的狀況發(fā)生，磁流變脂阻尼器會及時對沖擊殘余進行響應，調(diào)節(jié)自身阻尼比，去緩減或隔離來自多方向的沖擊振動力(能量)的傳遞并抑制墩-梁移位。通過磁流變彈性體支座和磁流變脂阻尼器協(xié)同作用，共同保障危急時刻下的橋梁結構安全。
[0029]如圖2所示，剛度可調(diào)的失效安全型磁流變彈性體支座，由線圈繞組、磁芯、橡膠、金屬片、磁流變彈性體單元、鋼殼等組成，它放置于橋的梁下部和墩頂部之間。其具體設計步驟如下:
[0030]I)在設計磁流變彈性體支座時，先用Maxwell電磁學軟件對其結構進行建模，根據(jù)不同基體材料、磁顆粒形狀及密度、磁鏈，橡膠-金屬片的層數(shù)、彈性體單元的厚度及分布等，對磁流變彈性體支座進行仿真分析，找到最佳配比關系，使得磁流變彈性體支座在大載荷沖擊下能提供最大的剪切拉伸模量。
[0031 ] 2)磁流變彈性體是使用高分子聚合物來代替磁流變液的油基或水基的液態(tài)基體，將微米級磁性顆粒散布在粘塑性態(tài)的高分子聚合物基體中，固化后形成的復合材料。將電磁線圈均勻地纏繞在磁芯上，然后按照仿真分析得到的結果，以最優(yōu)的材料配比來制備彈性體單元；根據(jù)優(yōu)化后的結構分層，來放置橡膠-金屬片單元以及磁流變彈性體單元，周圍用鋼殼保護。
[0032]3)當有大沖擊載荷出現(xiàn)時，與磁流變彈性體支座配合使用的控制器會判斷沖擊振動狀態(tài)并使電流驅(qū)動器分級控制電流輸入，支座中的線圈繞組通電后，在磁場作用下磁流變彈性體內(nèi)部顆粒被磁化后，產(chǎn)生相互作用力，在磁流變彈性體受到形變時，這些磁力在其內(nèi)部形成反向力矩，增強材料抵抗變形能力。因此，磁流變彈性體在外加磁場下會產(chǎn)生磁致模量和磁致阻尼，磁流變彈性體支座的水平剪切模量、垂向拉伸(擠壓)模量可產(chǎn)生明顯變化，從而使得其能自適應調(diào)節(jié)剛度來改變結構的固有頻率(振動周期)、提高墩-梁結構的強度和抗沖能力。
[0033]本發(fā)明中的磁流變彈性體支座在不注入控制量(或控制失效)時，該結構中金屬層-橡膠層-彈性體單元仍構成被動支座，從而保證了支座結構的“失效安全”。
[0034]如圖3所示，可三維轉動的低能耗磁流變脂阻尼器，由圓筒、運動主桿、活塞、繞組、永磁鐵、磁流變脂、壓力補償器、球形鏈接等組成，它同樣放置于橋的梁下部和墩頂部之間。
[0035]設計時，先根據(jù)Maxwell軟件對磁流變脂阻尼器模型進行仿真分析，找到磁流變脂材料的最佳組成成份配比，再制備磁流變脂材料，放置于圓筒內(nèi)，上下分別有端蓋和活塞，端蓋以下是壓力補償器，活塞連著運動主桿，活塞上方安置有永磁鐵以及電磁繞組，由圓筒構成封閉空間，制成磁流變脂阻尼器件。
[0036]通過勵磁電流磁場與永磁體磁場疊加，使得中低等振動工況條件下線圈的勵磁電流為零，從而降低阻尼器能耗。磁流變脂中的鐵磁顆粒將沿外加磁場方向成鏈排列，使得表觀粘度和剪切模量可以發(fā)生顯著的變化，且鏈狀結構的形成阻止了磁流變脂的自由流動并使其具備一定的剪切屈服應力。采用球形鉸鏈連接方式使得該器件兩端具有三維轉(移)動能力，通過阻尼(力)調(diào)節(jié)來提高橋梁結構在突發(fā)大載荷下的橫向耗能水平，可以抑制墩-梁的空間位移并進一步提升減振能力。
[0037]如圖4所示，磁流變彈性體支座、磁流變脂阻尼器和控制器采用一體化設計，當大載荷沖擊出現(xiàn)時,控制器通過傳感器采集加速度、力和位移等沖擊振動信息,通過對沖擊能量的等級進行判斷計算出最佳的緩沖隔振剛度阻尼可控值，然后由電流驅(qū)動器根據(jù)控制結果施加給磁流變彈性體支座和磁流變脂阻尼器對應的驅(qū)動電流值，通過對橋墩磁流變支座-阻尼器系統(tǒng)裝置的剛度阻尼值的快速調(diào)節(jié)，共同減小沖擊振動能量并抑制橋的墩-梁位移，為橋梁結構安全提供更為堅實的保障。
[0038]最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。
【權利要求】
1.一種抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器的設計方法，其特征在于:該方法采用彈性模量可調(diào)的高強度磁流變彈性體作為支座主體，通過支座剛度的調(diào)整來實現(xiàn)橋的墩-梁結構的抗沖隔振；采用阻尼大范圍可調(diào)的磁流變脂阻尼器作為減振器件，通過阻尼的調(diào)節(jié)抑制墩-梁移位并進一步減振耗能；將磁流變彈性體支座、磁流變脂阻尼器和控制器共同構成橋墩抗沖隔振支承裝置，通過檢測橋梁的沖擊振動狀態(tài)來智能地控制支座-阻尼器的剛度、阻尼，提高墩-梁結構強度和阻尼比，緩減或隔離沖擊振動力的傳遞并抑制墩-梁位移，從而保障橋梁結構安全。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器的設計方法，其特征在于:所述磁流變彈性體支座包括金屬片、橡膠、磁流變彈性體單元、磁芯、電磁線圈、鋼殼；在支座內(nèi)，金屬片、橡膠和磁流變彈性體單元間隔排布，構成金屬片-橡膠層-磁流變彈性體單元層；其中，磁流變彈性體單元由高分子聚合物和微米尺度的鐵磁性顆粒組成，在通電線圈的磁場作用下鐵磁性顆?？尚纬涉溁蛑鶢畹扔行蚓奂Y構。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器的設計方法，其特征在于:在該設計方法中，所述的磁流變脂阻尼器包括圓筒、活塞、線圈繞組、磁流變脂、永磁體、活塞桿、壓力補償器；其中，磁流變脂是以溶膠作為連續(xù)相的母液，將微米級的磁性顆粒均勻地分散到其中而形成，在通電線圈產(chǎn)生的勵磁電流磁場作用下，磁流變脂中的鐵磁顆粒會形成鏈狀結構，并通過與永磁體磁場疊加，使得中低等振動工況條件下線圈的勵磁電流為零，從而降低阻尼器能耗。
4.一種抗沖隔振型橋墩磁流變支座-阻尼器裝置系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括磁流變彈性體支座、磁流變脂阻尼器和邏輯控制器，三者共同構成橋墩抗沖隔振支承裝置；通過傳感器檢測橋的墩-梁結構的沖擊振動狀態(tài)，邏輯控制器根據(jù)沖擊振動的大小劃分控制等級，根據(jù)不同等級計算出對應的輸入到支座-阻尼器的驅(qū)動電流，通過驅(qū)動電流的變化實現(xiàn)對磁流變彈性體支座和磁流變脂阻尼器的剛度、阻尼的快速調(diào)節(jié)，來實現(xiàn)橋的墩-梁結構的抗沖隔振、限位和耗能功能，保障橋梁結構安全。
【文檔編號】E01D19/00GK104179118SQ201410412419
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權日:2014年8月20日
【發(fā)明者】李銳, 馮俊青, 趙勇, 周思敏, 鄭太雄 申請人:重慶郵電大學