一种电磁控制的摩擦摆减隔震装置及控制方法与流程

本发明涉及地震减隔震技术。

背景技术：

地震是一种具有极强破坏力的自然灾害，据统计，地球上每年约发生500多万次地震,地震能造成大量的人员伤亡以及建筑物的倒塌对人类的生命和财产都会造成巨大的损失。但当前的科技水平尚无法预测地震的到来,我们只能采取一些措施,比如安装减隔震装置,将地震产生的危害尽量降低到最小。

减隔震是减小或隔离因受到地震作用而对建筑物产生的影响。减震控制就是通过在结构的特定部位配置某种机构设备来改变结构的动力特性，耗散已经输入到结构系统中的地震能量。隔震就是将结构与地震激励分离开来，其基本原理是在基础结构和上部结构之间设置隔震层并利用隔震装置的耗能能力消耗地震输入的能量，降低结构的地震反应，有效的保障上部结构和人类生命财产安全。现阶段应用较多的隔震支座主要是叠层橡胶支座和摩擦摆支座。

近年来,随着土木工程专业的发展，衍生出很多减隔震的方法,其中摩擦摆式隔震支座是20世纪80年代由美国地震保护系统公司研发的摩擦摆式隔震支座,摩擦摆隔震支座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小结构因受地震作用而引起的放大效应.此外,还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.但随着摩擦摆隔震支座产品投入使用，关于产品的一些问题也随着暴露出来，从实际的使用过程中反映出的问题有：（1）当发生竖向地震或结构所受竖向激励较大时，建筑物结构会相对于地面有一定的竖向向上的拔力，因此造成建筑物的倾覆甚至倒塌。（2）摩擦摆通过滑块在其滑道或滑面内的滑动摩擦来消耗来消耗一部分地震能量。从实验中发现，滑块与滑道之间的摩擦系数与滑移速度，温度以及上部重力等因素有关，在摩擦摆工作时摩擦系数的多变性降低了摩擦摆的有效性。（3）当发生地震作用时，摩擦摆残余位移的存在、地震激励较小或者当上部建筑物自重不足时，摩擦摆支座不能完全复位。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电磁控制的摩擦摆减隔震装置及控制方法。

本发明是一种电磁控制的摩擦摆减隔震装置及控制方法，电磁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，水平隔震单元有摩擦摆支座2的下部盖板与下柱连接，下柱与基础相连接，摩擦摆上部盖板与上柱相连接；竖向隔震单元在连接摩擦摆上下盖摆的上下柱中埋入电磁铁，同时将其与控制系统相连，包括上柱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、基础1-8、摩擦摆支座2、控制系统3，摩擦摆支座2是一种用在地震中的减隔震机构，是由上盖板2-1、下盖板2-2、滑动曲面2-3、滑动块2-4、限位块2-5构成；控制系统3是一种通过控制电源来调节电磁铁工作的智能控制器，由压力传感器数据处理器3-1、位移传感器数据处理器3-2、控制电源开关器3-3组成；摩擦摆支座2的下盖板2-2与下柱1-2固定连接，下柱1-2与基础1-8相连接，摩擦摆上盖板2-1与上柱1-1相连接，用于地震时通过摩擦摆支座2工作来消耗地震能量，并会有信号传出；压力传感器1-6和位移传感器1-7分别安装在摩擦摆支座的滑动块2-4上，地震作用下当摩擦摆工作时压力传感器1-6和位移传感器1-7能接收到信号，并将信息数据传输到控制系统3；控制系统3包括有压力传感器数据处理器3-1、位移传感器数据处理器3-2、控制电源开关器3-3，压力传感器数据处理器3-1和位移传感器数据处理器3-2能对传感器传来的信息数据进行处理分析，之后通过控制信号传输到控制电源开关器，进而来调节电源，即断开电源，或者正接电源，或者反接电源，从而控制电磁铁1-3工作；两块电磁铁1-3分别埋入上柱1-1和下柱1-2中，线圈1-4与导线1-5相连接并连入到控制系统3中，当控制系统3判断电磁铁1-3工作时，能通过相吸或相斥来增大或减小上部结构的重量m，进而能够控制摩擦摆支座2的切向力f和位移x的装置。

本发明的电磁控制的摩擦摆减隔震装置的控制方法，其步骤为：当地震时，结构发生结构响应，此时摩擦摆工作，摩擦摆支座2的下盖板2-2与下柱1-2固定连接，下柱1-2与基础1-8相连接，摩擦摆上盖板2-1与上柱1-1相连接，安装在滑动块上的压力传感器1-6和位移传感器1-7接受到信号，并将信息数据传输给控制系统3；控制系统3里面连接的有压力传感器数据处理器3-1、位移传感器数据处理器3-2、控制电源开关器3-3，压力传感器数据处理器3-1和位移传感器数据处理器3-2对传感器传来的信息数据进行处理分析，之后通过控制信号传输到控制电源开关器，进而来调节电源，从而控制电磁铁1-3工作；两块电磁铁1-3分别埋入上下柱中，线圈1-4与导线1-5相连接并连入到控制系统3中，当控制系统3判断电磁铁1-3工作时，能够通过相吸或相斥来增大或减小上部结构的重量m，进而控制摩擦摆支座2的切向力f和位移x，保证了安全值，使摩擦摆支座2安全工作。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：将电磁铁与现有计算机技术相结合，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、竖向抗拔能力小可能发生竖向倾覆、滑块对限位环的碰撞破坏、小激励作用下的敏感响应以及大震作用下的失效等问题。能够高效的降低结构的地震响应，以达到更好的减隔震效果，起到更好的安全保护结构稳定性的目的。

附图说明

图1是整体构造示意图正视图，图2是整体构造示意图的俯视图，图3是整体构造示意图的左视图，图4是电磁铁的构造图，图5是单个摩擦摆的构造图，图6是控制方法的流程框图。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，基础1-8，摩擦摆支座2，控制系统3，压力传感器数据处理器3-1，位移传感器数据处理器3-2，控制电源开关器3-3，摩擦摆支座2，上盖板2-1，下盖板2-2，滑动曲面2-3，滑动块2-4，限位块2-5。

具体实施方式

本发明是一种电磁控制的摩擦摆减隔震装置及控制方法，如图1~图6所示，电磁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，水平隔震单元有摩擦摆支座2的下部盖板与下柱连接，下柱与基础相连接，摩擦摆上部盖板与上柱相连接；竖向隔震单元在连接摩擦摆上下盖摆的上下柱中埋入电磁铁，同时将其与控制系统相连，包括上柱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、基础1-8、摩擦摆支座2、控制系统3，摩擦摆支座2是一种用在地震中的减隔震机构，是由上盖板2-1、下盖板2-2、滑动曲面2-3、滑动块2-4、限位块2-5构成；控制系统3是一种通过控制电源来调节电磁铁工作的智能控制器，由压力传感器数据处理器3-1、位移传感器数据处理器3-2、控制电源开关器3-3组成；摩擦摆支座2的下盖板2-2与下柱1-2固定连接，下柱1-2与基础1-8相连接，摩擦摆上盖板2-1与上柱1-1相连接，用于地震时通过摩擦摆支座2工作来消耗地震能量，并会有信号传出；压力传感器1-6和位移传感器1-7分别安装在摩擦摆支座的滑动块2-4上，地震作用下当摩擦摆工作时压力传感器1-6和位移传感器1-7能接收到信号，并将信息数据传输到控制系统3；控制系统3包括有压力传感器数据处理器3-1、位移传感器数据处理器3-2、控制电源开关器3-3，压力传感器数据处理器3-1和位移传感器数据处理器3-2能对传感器传来的信息数据进行处理分析，之后通过控制信号传输到控制电源开关器，进而来调节电源，即断开电源，或者正接电源，或者反接电源，从而控制电磁铁1-3工作；两块电磁铁1-3分别埋入上柱1-1和下柱1-2中，线圈1-4与导线1-5相连接并连入到控制系统3中，当控制系统3判断电磁铁1-3工作时，能通过相吸或相斥来增大或减小上部结构的重量m，进而能够控制摩擦摆支座2的切向力f和位移x的装置。

如图1所示，摩擦摆支座2为单摩擦摆支座，滑动面采用不锈钢材料制成的下凹形圆弧形曲面；滑块中有一活动关节，使滑块在沿滑槽滑动时，使上部结构处于水平状态；滑块底部与滑动面具有相同的曲率半径并涂有低摩擦材料，能够更好地耗散地震能量。

如图1、图5，电磁铁1-3为交流电磁铁，电磁铁的形状为圆柱形，线圈从电磁铁两端按照顺时针缠绕多次；电磁铁的直径根据柱子的直径来选择，为小于柱子直径15-25cm，分别设置两块电磁铁埋入上柱1-1和下柱1-2中，上块电磁铁1-3距离摩擦摆上盖板2-1的距离为3-6cm，下块电磁铁1-3距离摩擦摆下盖板2-2的距离为3-6cm。

如图1所示，控制系统3为智能控制系统，包括有压力传感器数据处理器3-1、位移传感器数据处理器3-2、控制电源开关器3-3，压力传感器数据处理器3-1和位移传感器数据处理器3-2对传感器传来的信息数据进行处理分析，之后通过控制信号传输到控制电源开关器，进而来调节电源，即断开电源，或者正接电源，或者反接电源，能够控制电磁铁1-3工作。

本发明的电磁控制的摩擦摆减隔震装置的控制方法，如图1~图6所示，其步骤为：当地震时，结构发生结构响应，此时摩擦摆工作，摩擦摆支座2的下盖板2-2与下柱1-2固定连接，下柱1-2与基础1-8相连接，摩擦摆上盖板2-1与上柱1-1相连接，安装在滑动块上的压力传感器1-6和位移传感器1-7接受到信号，并将信息数据传输给控制系统3；控制系统3里面连接的有压力传感器数据处理器3-1、位移传感器数据处理器3-2、控制电源开关器3-3，压力传感器数据处理器3-1和位移传感器数据处理器3-2对传感器传来的信息数据进行处理分析，之后通过控制信号传输到控制电源开关器，进而来调节电源，从而控制电磁铁1-3工作；两块电磁铁1-3分别埋入上下柱中，线圈1-4与导线1-5相连接并连入到控制系统3中，当控制系统3判断电磁铁1-3工作时，能够通过相吸或相斥来增大或减小上部结构的重量m，进而控制摩擦摆支座2的切向力f和位移x，保证了安全值，使摩擦摆支座2安全工作。

以上所述的电磁控制的摩擦摆减隔震装置的控制方法，当地震作用时，其步骤为：

（1）当结构受到地震干扰时，结构发生响应，此时压力传感器1-6所测得的上部结构重量为m，位移传感器1-7所测得的结构层间位移为x；

（2）此时摩擦摆支座2开始工作，摩擦摆支座2的下盖板2-2与下柱1-2固定连接，下柱1-2与基础1-8相连接，摩擦摆上盖板2-1与上柱1-1相连接，由安装在滑动块2-4上压力传感器和位移传感器测得的摩擦摆工作时的位移和切向力数据为x2、f2；

（3）摩擦摆支座2安全工作时的位移为x0，xmin≤x0≤xmax，xmin为最小位移安全值，xmax为最大位移安全值；切向力为f0，fmin≤f0≤fmax，fmin为最小切向力安全值，fmax为最大切向力安全值；

（4）此时压力、位移传感器所测得的信息全部反馈给控制系统3，控制系统3里面连接的有压力传感器数据处理器3-1、位移传感器数据处理器3-2、控制电源开关器3-3，压力传感器数据处理器3-1和位移传感器数据处理器3-2对传感器传来的信息数据进行处理分析，之后通过控制信号传输到控制电源开关器，进而来调节电源，从而控制电磁铁1-3工作；

（5）若此时xmin≤x2≤xmax，fmin≤f2≤fmax，则控制器输入信号：断开电源，电磁铁1-3不工作，两块电磁铁1-3分别埋入上下柱中，线圈1-4与导线1-5相连接并连入到控制系统3中，当控制系统3判断电磁铁1-3工作时，会通过相吸或相斥来增大或减小上部结构的重量m，电磁铁不工作时，即n=0；

（6）即上部结构得到重量m不改变，摩擦摆继续正常工作，根据此公式：

计算出来的切向力不变；

（7）由于摩擦摆支座2的安全工作，此时结构的层间位移x显著减小，确保了结构的安全稳定；

（8）若此时的x2≤xmin，f2≤fmin，则控制系统3输入信号：正接通电源，电磁铁工作，为吸力，即n=n1；

（9）即此时的上部结构的重量为m+n1；摩擦摆继续工作，根据此公式：

计算出来的切向力增大，则摩擦摆滑动的位移也会随之增大；

（10）电磁铁1-3的吸力保证了摩擦摆支座2的正常工作，提高了抗拔能力，防止结构发生倾覆；使结构的层间位移x显著减小，确保了结构的安全稳定；

（11）若此时的x2≥xmax，f2≥fmax，则控制系统3输入信号：反接通电源，电磁铁工作，为斥力，即n=n2；

（12）即此时的上部结构的重量为m=n2；摩擦摆继续工作，根据此公式：

计算出来的切向力减小，则摩擦摆滑动的位移也会随之减小；

（13）电磁铁1-3的斥力保证了摩擦摆的正常工作，避免了摩擦摆支座2对限位块的碰撞破坏，同时使结构位移最大可能的复位；

（14）地震持续过程中，此系统通过压力、位移传感器反馈过来的信息，控制器根据信息循环控制电磁铁1-3，进而循环控制摩擦摆工作；

（15）地震结束，控制器系统关闭。

本发明电磁铁1-3的工作过程如下：

如图4所示，电磁铁的工作过程是：首先假定位移的安全值为x0，压力的安全值为m0，（m1≤m0≤m2），m1为最小压力安全值，m2为最大压力安全值。若位移传感器和压力传感器的输出值分别为x、m。电磁铁的作用力为n。

（1）当x≤x0，m1≤m≤m2时，则此时的控制系统给电磁铁的命令是不工作的，即n=0。

（2）当x＞x0，m1≤m≤m2时，此时控制系统给电磁铁的命令是工作，调节电磁铁给摩擦摆的作用力为n。

（3）当x≤x0，m＜m1时，此时控制系统调节电磁铁给摩擦摆的作用力为n=n1（此时两电磁铁之间为互吸关系）。

（4）当x≤x0，m＞m2时，此时控制系统调节电磁铁给摩擦摆的作用力为n=n2（此时两电磁铁之间为互斥关系）

（5）当x＞x0，m＜m1时，此时n=n3。

（6）当x＞x0，m＞m2时，此时n=n4。

如图5所示，为单个摩擦摆装置区，其摩擦摆支座力学参数取值为：在强震激励下，摩擦摆支座以单摆的工作原理沿曲面进行滑动，摩擦摆的切向力f为：

式中：f为摩擦摆支座的切向力；m为建筑物上部结构的重量；n为电磁铁给予的力（吸力或斥力）；ｘ为支座的水平位移；r为滑动面的曲率半径；μ为摩擦系数；sgnｘ为与位移有关的符号函数。

支座屈服后刚度为：

隔震结构的自振周期为：

对于电磁铁，其工作过程有相互吸引和相互排斥（只需改变其电流方向即可改变磁极）。

具体控制方法为：如图6所示，为整个控制方法的流程框图，当地震时，结构发生结构响应，此时摩擦摆工作，摩擦摆支座2的下盖板2-2与下柱1-2固定连接，下柱1-2与基础1-8相连接，摩擦摆上盖板2-1与上柱1-1相连接，安装在滑动块上的压力传感器1-6和位移传感器1-7接受到信号，并将信息数据传输给控制系统3。控制系统3里面连接的有压力传感器数据处理器3-1、位移传感器数据处理器3-2、控制电源开关器3-3，压力传感器数据处理器3-1和位移传感器数据处理器3-2对传感器传来的信息数据进行处理分析，之后通过控制信号传输到控制电源开关器，进而来调节电源，从而控制电磁铁1-3工作。两块电磁铁1-3分别埋入上下柱中，线圈1-4与导线1-5相连接并连入到控制系统3中，当控制系统3判断电磁铁1-3工作时，会通过相吸或相斥来增大或减小上部结构的重量m，进而控制了摩擦摆支座2的切向力f和位移x，保证了安全值，使摩擦摆支座2安全工作。

当地震作用时，具体控制程序按以下步骤进行：

（1）当结构受到地震干扰时，结构发生响应，此时压力传感器1-6所测得的上部结构重量为m，位移传感器1-7所测得的结构层间位移为x；

（2）此时摩擦摆2开始工作，摩擦摆支座2的下盖板2-2与下柱1-2固定连接，下柱1-2与基础1-8相连接，摩擦摆上盖板2-1与上柱1-1相连接，由安装在滑动块2-4上压力传感器和位移传感器测得的摩擦摆工作时的位移和切向力数据为x2、f2；

（3）摩擦摆2安全工作时的位移为x0(xmin≤x0≤xmax),xmin为最小位移安全值，xmax为最大位移安全值。切向力为f0(fmin≤f0≤fmax),fmin为最小切向力安全值，fmax为最大切向力安全值；

（4）此时压力、位移传感器所测得的信息全部反馈给控制系统3，控制系统3里面连接的有压力传感器数据处理器3-1、位移传感器数据处理器3-2、控制电源开关器3-3，压力传感器数据处理器3-1和位移传感器数据处理器3-2对传感器传来的信息数据进行处理分析，之后通过控制信号传输到控制电源开关器，进而来调节电源，从而控制电磁铁1-3工作；

（5）若此时xmin≤x2≤xmax，fmin≤f2≤fmax，则控制器输入信号：断开电源，电磁铁1-3不工作，两块电磁铁1-3分别埋入上下柱中，线圈1-4与导线1-5相连接并连入到控制系统3中，当控制系统3判断电磁铁1-3工作时，会通过相吸或相斥来增大或减小上部结构的重量m，电磁铁不工作时，即n=0；

（6）即上部结构得到重量m不改变，摩擦摆继续正常工作，根据此公式：

计算出来的切向力不变；

（7）由于摩擦摆2的安全工作，此时结构的层间位移x显著减小，确保了结构的安全稳定；

（8）若此时的x2≤xmin，f2≤fmin，则控制器3输入信号：正接通电源，电磁铁工作，为吸力，即n=n1；

（9）即此时的上部结构的重量为m+n1。摩擦摆继续工作，根据此公式：

计算出来的切向力增大，则摩擦摆滑动的位移也会随之增大；

（10）电磁铁1-3的吸力保证了摩擦摆2的正常工作，提高了抗拔能力，防止结构发生倾覆。使结构的层间位移x显著减小，确保了结构的安全稳定；

（11）若此时的x2≥xmax，f2≥fmax，则控制器3输入信号：反接通电源，电磁铁工作，为斥力，即n=n2；；

（12）即此时的上部结构的重量为m=n2。摩擦摆继续工作，根据此公式：

计算出来的切向力减小，则摩擦摆滑动的位移也会随之减小；

（13）电磁铁1-3的斥力保证了摩擦摆的正常工作，避免了摩擦摆支座2对限位块的碰撞破坏，同时使结构位移最大可能的复位；

（14）地震持续过程中，此系统通过压力、位移传感器反馈过来的信息，控制器根据信息循环控制电磁铁1-3，进而循环控制摩擦摆工作；

（15）地震结束，控制器系统关闭。