CN115370186B - 一种墙体多级半主动耗能加固装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种墙体多级半主动耗能加固装置，包括墙体外部的柔索体系与墙体内部的箱体结构。柔索体系实现了加固墙体的效果，提高墙体的整体性；箱体结构包含变形放大***和多级耗能减振***。变形放大***由质量块、齿轮与齿条组成，将柔索与质量块相连，实现了柔索体系与变形放大***联动和将墙体的变形转换为内部装置的转动的效果；多级耗能减振***由内筒和磁流变阻尼器组成；内筒由摩擦片与摩擦夹片组成，通过将一部分动能转化为热能，实现一级耗能的目的；磁流变阻尼器由装有组合转杆、通电线圈及磁流变液的外筒和发电模块组成，通过将动能转化为电能，实时调节装置本身的阻尼力，实现二级耗能和能量的回收与利用的目的。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程的减振加固技术领域，具体涉及一种墙体多级半主动耗能加固装置，主要应用于控制墙体的振动及墙体的加固。
技术背景
在实际工程中，墙体不仅承受竖直方向的荷载与作用，还承受水平方向的各种动力荷载，受力复杂，易发生变形。在荷载的反复作用下，变形逐渐增大，严重时会引起整体的倒塌，影响结构的安全性与适用性。
随着研究的深入，目前针对墙体的减振方法有在墙体内植入减震器，或在墙体外安装消能连接件等；墙体的加固方法包括外部粘钢加固法、预应力加固法、增设扶壁柱加固法、钢筋混凝土面层加固法、水泥砂浆或钢筋网水泥砂浆面层加固法等。这些方法大多是单一地采取减振或者加固墙体的技术，没有将减振装置与加固装置联合，实现二者协同工作的效果。因此很多情况下，无法保证，既能控制或减小墙体对于环境振动所引起的振动响应，又可以提高墙体在多种外部荷载作用下的稳定性。
发明内容
基于以上研究现状，本发明的目的是提供一种墙体多级半主动耗能加固装置。旨在通过质量块、齿条与齿轮放大墙体的微小变形，并通过阻尼放大与多级耗能***，实现耗能减振的目的，提高墙体的减振能力；同时利用加固装置对墙体的外部进行加固，提高墙体的整体性与稳定性。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提出了一种墙体多级半主动耗能加固装置，包括位于墙体外部的柔索体系和部分嵌入到墙体内的箱体结构；所述的箱体结构包括一个箱体和位于箱体内的两个变形放大***和多级耗能减振***；两个所述的变形放大***位于多级耗能减振***的两侧，各自包括质量块、齿轮、竖向导杆、齿条和弹簧；所述的竖向导杆固定在箱体内，质量块套装在竖向导杆上，且质量块的底部设置弹簧，质量块的顶部与柔索体系相连，在质量块的一侧设置齿条，所述的齿条与齿轮啮合，两个变形放大***的齿轮通过一个转杆相连，在转杆的中间位置设有多级耗能减振***，所述的多级耗能减振***共有两级，一级耗能***由具有摩擦性能的内筒组成；二级耗能***由磁流变阻尼器组成。
作为进一步的技术方案，所述的柔索体系包括两根柔索，一根柔索安装在墙体的内侧，另一根柔索安装在墙体的外侧；柔索的下端与所述的质量块相连，上端穿过固定在墙体上的圆形固定环后，通过锚具固定在墙体的上部。
作为进一步的技术方案，所述柔索的下端通过防磨体与所述的质量块相连。
作为进一步的技术方案，所述的圆形固定环，按照一定的距离等间隔地固定在墙体内外侧，保证柔索在静止与受拉过程中，不发生垂直于墙面的弯曲。
作为进一步的技术方案，所述的内筒为圆柱状，其内壁设有摩擦夹片，所述的摩擦片固定在所述转杆外壁上固定有摩擦片，当转杆转动时带动摩擦片在摩擦夹片内转动，当转到临界位置时，带动摩擦夹片与内筒转动。
作为进一步的技术方案，所述外筒为圆柱状，包括组合转杆、金属容器、橡胶导管、通电线圈和固定杆，外筒通过固定杆与箱体内壁连接；在外筒内设有一圈金属容器，在金属容器内盛装有磁流变液，相邻的金属容器之间通过橡胶导管连通，所述的橡胶导管外缠绕着通电线圈；每个金属容器内设有一个活塞，每个活塞与一个对应的组合转杆相连，多个组合转杆安装在内筒的外圈。
作为进一步的技术方案，所述的橡胶导管内按一定间隔放置阻尼网。
作为进一步的技术方案，所述的金属容器为筒状，其中间部分由伸缩材料制作，两端开设有与橡胶导管相连通的孔。
作为进一步的技术方案，所述外筒的两侧为发电模块，所述的发电模块与所述的通电线圈相连。
作为进一步的技术方案，所述的发电模块由保护筒、定子铁芯、转子铁芯、永磁体组成，所述的转子铁芯固定在所述转杆上，永磁体固定在转子铁芯上；所述的定子铁芯上有定子绕组，定子铁芯外固定连接有定子外壳，定子外壳上设有导线出口，将导线从导线出口处伸出，连接固定在外筒外部的整流器；所述的整流器连接蓄电池。
本发明的工作原理如下：
当墙体承受垂直荷载、水平地震作用等多种外部作用力时，由于受力复杂，墙体易发生变形。墙体外部的柔索体系既可以直接实现加固墙体的效果，又可以与墙体内部箱体中的变形放大装置联动，实现将墙体变形放大的效果，以此来提高墙体的耗能减振能力。墙体的变形会使柔索拉着箱体中的质量块沿着竖向导杆上下移动，与质量块固定连接的齿条也会随质量块做直线运动。齿轮由于与齿条的啮合作用发生转动，从而带动着转杆同轴转动。实现了墙体的小变形转化质量块的直线运动，再将直线运动转化为齿轮的转动，将微小变形放大的效果。由于转杆的转动，内筒的摩擦片***到摩擦夹片中，在摩擦夹片中转动，实现了将动能转换为热能的目的，属于一级耗能。当摩擦片转动到临界位置时，被摩擦夹片限制，继而带动摩擦夹片转动。由于摩擦夹片固定在内筒内壁，内筒发生旋转。此时，固定在内筒外壁的组合转杆发生绕内筒的圆周运动，组合转杆的活塞将大截面金属容器内的磁流变液压向小截面橡胶导管中，加之阻尼网的存在，实现了利用惯容原理增大液体流动阻尼力的效果。同时，因为转杆与转子固定连接，所以转子随转杆同时转动，转子与定子组成内转子直驱发电机结构，当转子旋转时，定子绕组切割磁感线发电产生电流，电流经过固定在外筒外壁的整流器整流后，将电能储存在蓄电池中。安装在墙体上的加速度传感器将接收到的振动信号传递给串联电路中的控制器，从而使控制器控制橡胶导管外通电线圈中电流的大小，继而改变了容器内磁流变液的粘度与流动性，抑制了组合转杆的转动，进而控制了摩擦夹片、摩擦片、转杆与齿轮的转动和质量块的直线运动，属于二级耗能，实现自供电控制结构振动的目的。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过外部的柔索，将墙体的变形转化为质量块的直线运动，再通过齿条与齿轮，将齿轮的转动转换为摩擦片和组合转杆的旋转运动，大大提高了传动机械的联动效率，实现了将平动变为转动和小变形放大的目的。
（2）本发明利用摩擦片与摩擦夹片的摩擦，将一部分动能转换为热能，实现了一级耗能的目的，提高了装置的减振能力。
（3）本发明通过在质量块下设置具有形状记忆合金材料的弹簧，利用该材料的超弹性特性，确保弹簧有自复位能力，保证下一次的正常使用，实现了多重减振的目的。
（4）本发明利用惯容原理实现了减振装置的耗能效果，即利用液体从大截面金属容器流向小截面橡胶导管时的惯性效应，使得液体在橡胶导管内流速增大；同时在橡胶导管内设置若干道阻尼网，实现了液体流动阻尼力的放大，进一步提高了耗能减振的能力。
（5）本发明利用半主动振动控制理论，通过定子与转子的相对转动，产生电能储存在蓄电池中，再通过加速度传感器与控制器自动调节通电线圈中的电流，继而实时调节阻尼腔中磁流变液的特性，不仅实现了二级耗能与自供电控制结构振动的目的，也实现了能量的回收与利用，极大地提高了减振装置的减振能力与能量利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为一种墙体多级半主动耗能加固装置的正视图；
图2为一种墙体多级半主动耗能加固装置中箱体的正视图；
图3为一种墙体多级半主动耗能加固装置的A-A剖面图；
图4为一种墙体多级半主动耗能加固装置的B-B剖面图；
图5为一种墙体多级半主动耗能加固装置的C-C剖面图；
图6为一种墙体多级半主动耗能加固装置中箱体内筒的详图；
图7为一种墙体多级半主动耗能加固装置的控制电路示意图；
图中：1墙体，2锚具，3圆形固定环，4杯状防磨体，5柔索，6箱体，7质量块，8竖向导杆，9弹簧，10连接杆，11齿条，12齿轮，13转杆，14发电模块，15固定杆，16外筒，17内筒，18整流器，19定子铁芯，20转子铁芯，21永磁体，22保护筒，23组合转杆，24外壳，25组合转杆活塞，26组合转杆连接杆，27磁流变液，28可伸缩材料，29大截面金属容器，30橡胶导管，31通电线圈，32阻尼网，33摩擦片，34摩擦夹片，35蓄电池，36保险丝，37控制器，38加速度传感器
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有的墙体减振与加固的技术大多是采取单一的方法，没有将减振装置与加固装置联合，实现二者协同工作的效果。因此很多情况下，无法保证，既能控制或减小墙体对于环境振动所引起的振动响应，又可以提高墙体在多种外部荷载作用下的稳定性。
基于以上技术的问题，有必要对墙体的减振与加固方案进行改进，本实施例采用小变形放大装置与多级耗能半主动控制装置，意在将墙体的微变形放大，并针对墙体的内部与外部同时进行耗能减振与加固措施，以提高墙体的整体性与耗能减振能力。
本发明的一种典型的实施方式如图1所示，本实施例公开的墙体多级半主动耗能加固装置，包括墙体外部的柔索体系与部分嵌入到墙体内部的箱体结构，墙体外部的柔索体系由柔索5、锚具2、圆形固定环3、杯状防磨体4组成。在墙体1的内侧、外侧分别设置两道柔索5，图1墙体其中一侧的正面安装示意图，在该墙体上设置两套柔索体系，共同与同一个箱体结构相连；图2是墙体两侧的侧面安装示意图，墙体的外墙面和内墙面均安装有一个箱体结构，每个箱体结构通过两个柔索体系与墙面相连；每根柔索5的上端通过锚具2，分别固定在墙体1的上部（左侧/右侧），中部穿过固定在墙体1内外侧的圆形固定环3，下端通过杯状防磨体4，与箱体6中的质量块7连接；杯状防磨体4下半部分的球体固定安装在箱体6中的凹槽内；圆形固定环3，按照一定的距离等间隔地固定在墙体1的内外侧。箱体6安装在墙体1中部的前后两个位置。
如图2、图3所示，本实施例中的箱体6包括一个箱体和安装在箱体内的变形放大***和多级耗能减振***，变形放大***包括两个完全相同的放大机构，分别位于多级耗能减振***的两侧，且置于箱体6内，每个放大机构由齿条11、齿轮12、质量块7、弹簧9、竖向导杆8、固定杆15、转杆13组成。其中转杆13贯穿于变形放大***与多级耗能减振***，将整个装置连接在一起；弹簧9采用形状记忆合金材料，利用其材料的自复位能力，保证弹簧9在下一次能够正常使用，弹簧9的上端与质量块7底部相连，弹簧9下端与箱体6底部固定连接；质量块7套装在竖向导杆8上，竖向导杆8上端固定在箱体6内壁，保证质量块7沿着导杆上下移动；齿条11通过连接杆10与质量块7连接；齿轮12与齿条11啮合在一起，转杆13的两端分别与两个放大机构的齿轮12相连，且可以同轴转动。
如图2、图3所示，多级耗能减振***包括外筒16、内筒17、发电模块14。外筒16与内筒17均为圆柱状且由不锈钢外覆绝缘材料制成。其中内筒17的结构如图6所示，其包括摩擦片33和摩擦夹片34，摩擦片33固定在转杆13上，摩擦夹片固定在内筒17内壁上。当转杆13转动时，使得摩擦片33与摩擦夹片34发生摩擦耗能，当摩擦片33转动到临界位置时，带动摩擦夹片34转动，此时内筒17做旋转运动。
进一步的，如图5所示，外筒16由固定杆15、组合转杆23、大截面金属容器29、磁流变液27、可伸缩材料28、橡胶导管30、通电线圈31、阻尼网32组成。其中固定杆15上端固定在箱体6顶部的内壁，下端与外筒16底部相连，避免外筒16发生位置的改变。组合转杆23包括多个，多个组合转杆23均匀固定在内筒17的外壁上，每个组合转杆23上安装有外壳24；大截面金属容器29限位在外壳24形成的空间内，外壳用于保护大截面金属容器29，组合转杆23上设置有活塞，活塞位于大截面金属容器29，用于推动大截面金属容器29内的磁流变液27。
进一步的，大截面金属容器29的个数与组合转杆23的个数相等，一个组合转杆23穿过与一个大截面金属容器29相连，相邻的大截面金属容器29通过橡胶导管30相连通，多个大截面金属容器29相连，形成一个环形；
进一步的，大截面金属容器29的中间部分由伸缩材料28制作，当组合转杆23向某个方向转动时，带动可伸缩材料28向该方向一起移动，进而会积压该侧的磁流变液27，因此，组合转杆23仅仅在伸缩材料所在范围内转动。即在大截面金属容器与组合转杆交界处，采用可伸缩材料密封，既保证组合转杆可以在容器内转动，也防止磁流变液溢出。
进一步的技术方案为：所述的外筒通过固定杆与箱体相连，保证外筒不发生位置的改变。
当内筒17发生旋转时，带动固定在内筒17外壁的组合转杆23做圆周运动，组合转杆23上活塞挤压大截面金属容器29内的磁流变液27流向橡胶导管30中，流速变快，橡胶导管30中的阻尼网32起到增大液体流动阻尼力的效果，其中橡胶导管30外缠绕着通电线圈31。
所述的大截面金属容器与橡胶导管中含有磁流变液；所述的橡胶导管外部缠绕着通电线圈，内部等间隔的放置一定数量的阻尼网。当内筒旋转时，固接的组合转杆会绕内筒做圆周运动，位于大截面金属容器内的组合转杆活塞将容器内的磁流变液压向橡胶导管中，液体在橡胶导管内流动速度变快，实现了增大液体流动阻尼力的目的。
进一步的，发电模块14位于外筒16的两侧，且均安装在转杆13上，每个发电模块14包括定子铁芯19、转子铁芯20、永磁体21、保护筒22、整流器18、蓄电池35、保险丝36、控制器37、加速度传感器38；转杆13外固定连接转子，转子由转子铁芯20与永磁体21组成；转子外周为定子铁芯19，定子铁芯19上设有定子绕组；定子铁芯19外部紧固连接有定子外壳；定子外壳与保护筒22的外壁固定接触；定子外壳上设有导线出口，导线由导线出口伸出外接固定在外筒16外部的整流器18；整流器18与蓄电池35连接；将蓄电池35、加速度传感器38、控制器37、保险丝36、通电线圈31组合成串联电路，其中加速度传感器38安装在墙体1上。
上述装置的工作原理如下：
当墙体1承受垂直荷载、水平地震作用等多种外部作用力时，由于受力复杂，墙体1易发生变形。墙体1外部的柔索体系既可以直接实现加固墙体的效果，又可以与墙体内部箱体6中的变形放大装置联动，实现将墙体1变形放大的效果，以此来提高墙体1的耗能减振能力。墙体1的变形使得柔索5拉着箱体6中的质量块7沿着竖向导杆8上下移动，与质量块7固定连接的齿条11也会随质量块7产生直线运动。齿轮12由于与齿条11的啮合作用发生转动，从而带动着转杆13同轴转动。实现了墙体1的小变形转化质量块7的直线运动，再将直线运动转化为齿轮12的转动，将微小变形放大的效果。由于转杆13的转动，内筒17的摩擦片33***到摩擦夹片34中，在摩擦夹片34中转动，实现了将动能转换为热能的目的，属于一级耗能。当摩擦片33转动到临界位置时，带动摩擦夹片34转动。由于摩擦夹片34固定在内筒17的内壁，内筒17随摩擦夹片34的转动做旋转运动。此时，固定在内筒17外壁的组合转杆23发生绕内筒17的圆周运动，组合转杆活塞25将大截面金属容器29内的磁流变液27压向橡胶导管30中，加之橡胶导管30中阻尼网32的存在，实现了利用惯容原理增大液体流动阻尼力的效果。同时，因为转杆13与转子固定连接，所以转子随转杆13同时转动，转子与定子组成内转子直驱发电机结构，当转子旋转时，定子绕组切割磁感线发电产生电流，电流经过固定在外筒16外壁的整流器18整流后，将电能储存在蓄电池35中。安装在墙体1上的加速度传感器38将接收到的振动信号传递给串联电路中的控制器37，从而使控制器37控制橡胶导管30外通电线圈31中电流的大小，继而改变了容器内磁流变液27的粘度与流动性，抑制了组合转杆23的转动，进而控制了摩擦夹片34、摩擦片33、转杆13与齿轮12的转动和质量块7的直线运动，属于二级耗能，实现自供电控制结构振动的目的。
本发明通过利用在墙体外部设置柔索体系，实现了直接加固墙体，提高墙体整体性的目的；再通过柔索与箱体内的变形放大装置联动，将墙体的变形转化为质量块的直线运动，再通过齿轮与齿条，将齿轮的转动转换为组合转杆的旋转运动，提高了传动机械的联动效率；通过在质量块下设置弹簧，并采用形状记忆合金材料，利用该材料的超弹性特性，保证弹簧具有自复位能力；利用摩擦片与摩擦夹片的摩擦生热，将一部分动能转化为热能，实现一级耗能的目的；同时利用惯容原理，即液体从大截面金属容器流向小截面橡胶导管的惯性效应以及内部设置的阻尼网，实现了增大液体流动阻尼力的目的；再利用自供电阻尼装置，通过改变电流大小继而改变磁流变液的特性，从而控制转动机械与直线运动机械的运动状态，实现了多级耗能的目的，极大程度的提高了装置的减振能力。
Claims (6)
1.一种墙体多级半主动耗能加固装置，其特征在于，包括位于墙体外部的柔索体系和部分嵌入到墙体内的箱体结构；所述的箱体结构包括一个箱体和位于箱体内的两个变形放大***和多级耗能减振***；两个所述的变形放大***位于多级耗能减振***的两侧，各自包括质量块、齿轮、竖向导杆、齿条和弹簧；所述的竖向导杆固定在箱体内，质量块套装在竖向导杆上，且质量块的底部设置弹簧，质量块的顶部与柔索体系相连，在质量块的一侧设置齿条，所述的齿条与齿轮啮合，两个变形放大***的齿轮通过一个转杆相连，在转杆的中间位置设有多级耗能减振***，所述的多级耗能减振***共有两级，一级耗能***由具有摩擦性能的内筒组成；二级耗能***由磁流变阻尼器组成；
所述的多级耗能减振***包括外筒、内筒、发电模块；
所述的内筒为圆柱状，其内壁设有摩擦夹片，所述转杆外壁上固定有摩擦片，当转杆转动时带动摩擦片在摩擦夹片内转动，当转到临界位置时，带动摩擦夹片与内筒转动；
所述弹簧采用形状记忆合金材料；
所述外筒为圆柱状，包括组合转杆、金属容器、橡胶导管、通电线圈和固定杆，外筒通过固定杆与箱体内壁连接；在外筒内设有一圈金属容器，在金属容器内盛装有磁流变液，相邻的金属容器之间通过橡胶导管连通，所述的橡胶导管外缠绕着通电线圈；每个金属容器内设有一个活塞，每个活塞与一个对应的组合转杆相连，多个组合转杆安装在内筒的外圈；
所述的橡胶导管内按一定间隔放置阻尼网；
所述的金属容器为筒状，其中间部分由伸缩材料制作，两端开设有与橡胶导管相连通的孔。
2.如权利要求1所述的一种墙体多级半主动耗能加固装置，其特征在于，所述的柔索体系包括两根柔索，一根柔索安装在墙体的内侧，另一根柔索安装在墙体的外侧；柔索的下端与所述的质量块相连，上端穿过固定在墙体上的圆形固定环后，通过锚具固定在墙体的上部。
3.如权利要求2所述的一种墙体多级半主动耗能加固装置，其特征在于，所述柔索的下端通过防磨体与所述的质量块相连。
4.如权利要求2所述的一种墙体多级半主动耗能加固装置，其特征在于，所述的圆形固定环，按照设定的距离等间隔地固定在墙体内外侧。
5.如权利要求1所述的一种墙体多级半主动耗能加固装置，其特征在于，
所述外筒的两侧为发电模块，所述的发电模块与所述的通电线圈相连。
6.如权利要求5所述的一种墙体多级半主动耗能加固装置，其特征在于，所述的发电模块由保护筒、定子铁芯、转子铁芯、永磁体组成，所述的转子铁芯固定在所述转杆上，永磁体固定在转子铁芯上；所述的定子铁芯上有定子绕组，定子铁芯外固定连接有定子外壳，定子外壳上设有导线出口，将导线从导线出口处伸出，连接固定在外筒外部的整流器；所述的整流器连接蓄电池。
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