基于电磁感应空间定位的强震可复位隔震垫装置及使用方法
【专利摘要】本发明属于大型土木工程结构的抗震与减震措施技术领域，涉及一种基于电磁感应空间定位的强震可复位隔震垫装置及使用方法。其特点是逐次给导电金属棒通直流电产生磁场，利用电磁感应空间定位技术确定感应接收器的位置，依据变形前后位置变化推算出强震可复位隔震垫的具体变形情况。利用本发明,能准精确获得强震可复位隔振垫每层及整体的空间变形曲线，通过控制限位棒及下固定钢板由下往上逐层调整使其恢复原状。采用预留定位线槽、逐层分布接收器及布设限位棒措施使强震可复位隔震垫具有较好的整体性。本项发明，可有效提升强震可复位隔振垫的使用可靠性，保障结构抗震安全。
【专利说明】
基于电磁感应空间定位的强震可复位隔震垫装置及使用方法
技术领域
[0001] 本发明属于大型±木工程结构的抗震与减震措施技术领域，尤其适用于经历强烈 地震作用后大型建筑结构基础底部隔震垫永久变形的非接触式量测及其自动复位。
【背景技术】
[0002] 近年来，强烈地震灾害造成的严重后果一再警示我们，强震作用下，保障人口密集 区公用建筑物，W及核电、水利大巧等重要工程结构的抗震安全性，可有效地保护人们的生 命财产安全。W削弱地震作用下结构动力响应幅值为目的的主动控制、被动控制等抗震措 施研究发展迅速。运其中，布置于建筑物基础底部的大型分布式隔振垫体系，作为结构被动 式隔振系统的典型代表应用最为广泛。
[0003] 由于隔振垫的水平向剪切刚度显著低于上部结构的侧向刚度，从而地震载荷作用 下，隔振垫会发生较大幅度的水平向剪切变形并发挥能量耗散作用，削弱传播到上部结构 的地震能量。其减震效果已经通过数值仿真、振动台动力模型试验及真实震害调查所验证。 地震作用结束后，一般认为隔振垫的弹性能力会恢复原位，不影响后续功能的继续使用。
[0004] 但强烈地震作用下，不可否认隔振垫在震后可能会因塑性变形产生一定的残余量 使其无法完全恢复到原始空间位置。残余形变的大小可能导致隔振垫的竖向偏屯、，影响其 减震效率，对于核电站等重型建筑结构威胁其后续抗震安全。
[0005] 同时，隔振垫布置于基础底部，空间狭小，人工或者直接量测震后变形难度大，而 核电站，尤其安全壳等建筑物在整个运行期内的不可更换增加了隔振垫复位处理的复杂 性，目前缺乏有效的技术措施。据此，本发明拟基于非接触式的电磁感应定位方法，通过简 单构造，捕捉隔振垫在地震中的真实变形特征，量测其震后残余变形，并利用定位线槽布置 隔振垫逐层调整的自动化复位装置，达到有效增强隔振垫等减震装置应用性能的目的。
[0006] 利用电磁定位技术的基本原理，进行±建工程结构变形观测的应用相对较少。目 前±建结构变形常用到的非接触式定位方法主要有激光位移传感器、GPS等，但运些措施对 装置的安装环境、测量条件均有较高的要求。为例，需要待测点能接收到卫星信号，不 能被掩盖物遮挡。目前，隔振垫的震害调查显示，电动小车等装置钻入隔振垫之间，由视频 传输的形式定性观察隔振垫的变形与受损情况仍是常用的方法，其精度与可靠性值得探 讨。基于电磁感应定位技术动态监测隔震垫变形的研究尚未见报道。利用本发明，可准确测 量出隔震垫内部每层所发生的形变，根据变形数据工作人员便可由数据处理获得隔振垫整 体的空间变形曲线，为复位装置将隔震垫严格恢复原状提供依据。本项发明，可有效提升隔 振垫的使用可靠性，促进隔振措施在核电等重要建筑结构抗震领域的使用，保障抗震安全。
【发明内容】
[0007] 本发明将提供一种基于非接触式的电磁感应空间定位测量隔震垫形变并使其复 位的装置及设计方法，关注于解决大型±木工程结构底部隔震垫经历强烈地震后发生永久 变形测量及其复位的问题，可W将震后强震可复位隔震垫整体的空间变形曲线在计算机上 显示出来，并获得其形变量，通过控制底部的下固定钢板使强震可复位隔震垫逐层恢复原 始状态。运种电磁感应空间定位测量方式具有装置简单、测量可靠、便于数据捜集和操作简 便等特点。
[0008] 本发明是通过W下技术方案实现的：
[0009] W待测强震可复位隔震垫预设定位线槽内贴附的感应接收器为基本测量单元，强 震可复位隔震垫发生的变形将W逐层的感应接收器在水平面X、Y方向的坐标变化来体现。
[0010] 本发明的一种基于电磁感应空间定位强震可复位隔震垫装置，包括:上固定钢板、 下固定钢板、导电金属棒a、导电金属棒b、导电金属棒C、限位棒a、限位棒b、限位棒C、导电金 属板、电磁定位仪、计算机、开关控制器、直流电源、预留孔a、预留孔b、预留孔C、预留孔d、预 留孔e、预留孔f、第一定位线槽、第二定位线槽、第=定位线槽、下连接钢板、强震可复位隔 震垫层、上连接钢板、保护橡胶层、感应接收器。
[0011] 强震可复位隔震垫层上侧与上连接钢板相连，下侧与下连接钢板相连，在强震可 复位隔震垫层外侧紧贴有保护橡胶层;第一定位线槽、第二定位线槽、第=定位线槽布设在 强震可复位隔震垫层上，强震可复位隔震垫层定位线槽的内壁上贴附有感应接收器。
[0012] 上固定钢板与上连接钢板相连，下固定钢板与下连接钢板相连;在下连接钢板上 设有预留孔a、预留孔b和预留孔C，下固定钢板设有预留孔d、预留孔e和预留孔f;限位棒a穿 过预留孔d和预留孔a进入第一定位线槽，限位棒b穿过预留孔e和预留孔b进入第二定位线 槽，限位棒C穿过预留孔f和预留孔C进入第=定位线槽。
[0013] 导电金属棒a、导电金属棒b和导电金属棒C固定在下固定钢板上，导电金属棒a顶 部布置有滑动触点a,导电金属棒b顶部布置有滑动触点b，导电金属棒C顶部布置有滑动触 点C，滑动触点a与导电金属板紧密接触，滑动触点b与导电金属板紧密接触，滑动触点C与导 电金属板紧密接触;导电金属板固定在上固定钢板的下表面，导电金属棒a、导电金属棒b和 导电金属棒C连接于开关控制器。
[0014] 感应接收器与电磁定位仪相连，电磁定位仪与计算机相连，计算机与开关控制器 相连，开关控制器与直流电源相连，导电金属板与直流电源相连。
[0015] 在实际应用中，应使上固定钢板与上连接钢板、下固定钢板与下连接钢板连接紧 固，W防止在强震作用下或复位过程中发生错位，提高强震可复位隔震垫装置的工作效率； 感应接收器应紧密贴在定位线槽内壁上，滑动触点应选择耐磨性强的导电材料加工而成， 保证部件的使用寿命。
[0016] 本发明的有益效果是，将电磁感应定位原理，推广到±建隔振垫的震后变形非接 触式变形量测领域，使用过程中测量的数据可靠且方便捜集，具有自动分析与复位调整的 功能。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明装置的结构示意图。
[0018] 图2是预留孔和导电金属棒布置图。
[0019] 图3是强震可复位隔震垫层示意图。
[0020] 图4是强震可复位隔震垫横剖面图。
[0021] 图5是第一感应接收器的位置确定。
[0022] 图6是强震可复位隔震垫底部第一层变形的图解。
[0023] 图7是初步复位后的示意图。
[0024] 图中：1上固定钢板，2下固定钢板，3导电金属棒a,4导电金属棒b，5导电金属棒C，6 限位棒a, 7限位棒b，8限位棒c，9导电金属板，10第一定位线槽，11第二定位线槽，12第=定 位线槽，13下连接钢板，14上连接钢板，15保护橡胶层，16感应接收器，17电磁定位仪，18计 算机，19开关控制器，20直流电源，21预留孔a，22预留孔b，23预留孔c，24预留孔d，25预留孔 e，26预留孔f，27滑动触点a，28滑动触点b，29滑动触点C，30第一感应接收器，31第二感应接 收器，32第=感应接收器，33强震可复位隔震垫层。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合技术方案和附图，详细叙述本发明的【具体实施方式】。
[0026] 如图所示，感应接收器16与电磁定位仪17相连，电磁定位仪17与计算机18相连;固 定于下固定钢板2上的导电金属棒a、导电金属棒b和导电金属棒C连接于开关控制器19,开 关控制器19与直流电源20相连，导电金属板9与直流电源20相连，计算机18与开关控制器19 相连;计算机18控制开关控制器19逐次给=根导电金属棒通电，形成闭合回路后导电金属 棒产生同屯、圆式闭合磁场，感应接收器16将感应到的磁场强度传递给电磁定位仪17,电磁 定位仪17将信息反馈给计算机18,计算机18显示并记录感应接收器16所处的位置信息。
[0027] 如图所示导电金属棒a顶部有滑动触点a,导电金属棒b顶部有滑动触点b，导电金 属棒C顶部有滑动触点C，滑动触点设有可伸缩功能，W保证导电金属棒在固定于上连接钢 板2的导电金属板9表面自由滑动且紧密接触;在下连接钢板上第一定位线槽10的正下方设 有预留孔a,第二定位线槽11的正下方设有预留孔b，第=定位线槽12的正下方设有预留孔 C;在下固定钢板与下连接钢板预留孔相应的位置设置预留孔d、预留孔e和预留孔f。
[0028] 如图所示，感应接收器16贴附在定位线槽内壁，当强震可复位隔震垫层发生变形 时感应接收器16的位置发生变化，将强震可复位隔震垫的变形体现在感应接收器16在水平 面内的坐标变化。每个定位线槽正下方有两个预留孔和一根可升降的限位棒，限位棒a穿过 预留孔d和预留孔a到达第一定位线槽10,限位棒b可穿过预留孔e和预留孔b到达第二定位 线槽11，限位棒C可穿过预留孔f和预留孔C到达第=定位线槽12,限位棒到达定位线槽后使 已复位的强震可复位隔震垫层随下固定钢板2-起发生位移。
[0029] 如图所示，强震可复位隔震垫层33设有第一定位线槽10、第二定位线槽11和第= 定位线槽12，=个定位线槽围绕强震可复位隔震垫轴线两两相隔120°布设;导电金属棒a固 定在下固定钢板2靠近第一定位线槽10的一侧，与第一定位线槽10和强震可复位隔震垫轴 线在同一平面上，导电金属棒b固定在下固定钢板2靠近第二定位线槽11的一侧，与第二定 位线槽11和强震可复位隔震垫轴线在同一平面上，导电金属棒C固定在下固定钢板2靠近第 =定位线槽12的一侧，与第=定位线槽12和强震可复位隔震垫轴线在同一平面上。第一定 位线槽10内壁贴附有第一感应接收器30,第二定位线槽11内壁贴附有第二感应接收器31、 第=定位线槽12内壁贴附有第=感应接收器32;各感应接收器均感应到逐次给导电金属棒 a、导电金属棒b和导电金属棒C通电后产生的磁场，根据磁场强度的大小推算出感应接收器 距导电金属棒的距离。
[0030] 本发明采用逐层复位的方式，先W贴附在强震可复位隔震垫底部第一层的第一感 应接收器30、第二感应接收器31和第=感应接收器32为测量单元，开关控制器19在计算机 18的控制下给导电金属棒a通电，导电金属棒a产生磁场后根据第一感应接收器30感应到的 磁场强度计算出第一感应接收器30距导电金属棒a的距离d;通过计算机18控制开关控制器 19切换为为导电金属棒b通电，根据第一感应接收器30感应到的磁场强度计算出第一感应 接收器30距导电金属棒b的距离1;再通过计算机18控制开关控制器19切换为为导电金属棒 C通电，根据第一感应接收器30感应到的磁场强度计算出第一感应接收器30距导电金属棒C 的距离。如图所示，利用=个距离数据W导电金属棒a的轴线为坐标轴原点，W导电金属棒 a和导电金属棒C轴线的连线为Y轴，然后作出X轴，W原点为圆屯、d为半径作圆弧，W导电金 属棒b的轴线位置为圆屯、1为半径作圆弧，W导电金属棒C的轴线位置为圆屯、r为半径作圆 弧，容易得出3个圆弧的交点即为第一感应接收器30此时在其水平面的位置;在获得第一感 应接收器30位置信息的同时也可获得第二感应接收器31和第=感应接收器32的位置信息。
[0031]如图所示，利用各感应接收器距=根导电金属棒的距离可确定第一感应接收器的 位置X、第二感应接收器的位置y和第=感应接收器的位置Z及坐标；W=个感应接受器位置 为顶点可作一形状大小均不变的等边=角形，利用等边=角形的特点得出第一层强震可复 位隔震垫层轴线的位置q，q的坐标为第一层=个感应接收器坐标之和的=分之一；强震可 复位隔震垫底部第一层的第一感应接收器初始位置为U、第二感应接收器的初始位置为V、 第=感应接收器的初始位置为W、轴线的初始位置为P ;根据变形前后的位置可作向量 U-V、vy、和/jg , |?自表不强震可复位隔震垫底部第一层轴线的位移，将下固定钢 板2按;^移动使第一层的轴线先复位;如图所示，初步复位完成后第一感应接收器的位置 变为S，可作向量品，品可由下式表示
[00 创
（1)
[0033] 得出這后便可计算出角a,如下所示
[0034]
(：2)
[0035] 使下固定钢板2按向量;;：的方向旋转角a,便可使强震可复位隔震垫第一层完全复 位;然后将限位棒a升至该层第一定位线槽10,将限位棒b升至该层第二定位线槽11，将限位 棒C升至该层第=定位线槽12;再通过计算机18控制开关控制器19逐次给导电金属棒a、导 电金属棒b和导电金属棒C通电，W第二层的=个感应接收器为测量单元测出强震可复位隔 震垫变形后第二层的=个感应接收器的坐标，利用类似对第一层复位的操作对第二层进行 复位，第二层完全复位后分别将限位棒a、限位棒b、限位棒C升至第二层的第一定位线槽10、 第二定位线槽11、第=定位线槽12;利用此种方法逐层的将强震可复位隔震垫复位，待全部 复位结束后将=根限位棒降到初始位置。
【主权项】
1. 一种基于电磁感应空间定位的强震可复位隔震垫装置，包括上固定钢板（1)、下固定 钢板(2)、导电金属棒a(3)、导电金属棒b(4)、导电金属棒c(5)、限位棒a(6)、限位棒b(7)、限 位棒c(8)、导电金属板(9)、第一定位线槽（10)、第二定位线槽（11)、第三定位线槽（12)、下 连接钢板（13)、上连接钢板（14)、保护橡胶层（15)、感应接收器（16)、强震可复位隔震垫层 (33)、电磁定位仪（17)、计算机（18)、开关控制器（19)、直流电源(20)、预留孔a(21)、预留孔 b(22)、预留孔c(23)、预留孔d(24)、预留孔e(25)、预留孔f(26); 强震可复位隔震垫层（33)上侧与上连接钢板（14)相连，下侧与下连接钢板（13)相连， 强震可复位隔震垫层(33)外侧紧贴有保护橡胶层（15);第一定位线槽（10)、第二定位线槽 (11) 和第三定位线槽（12)布设在强震可复位隔震垫层(33)上，强震可复位隔震垫层(33)定 位线槽的内壁上贴附有感应接收器(16); 上固定钢板（1)与上连接钢板（14)相连，下固定钢板（2)与下连接钢板（13)相连；下连 接钢板（13)上有预留孔a(21)、预留孔b(22)和预留孔c(23)，预留孔a(21)在第一定位线槽 (10)的正下方，预留孔b(22)在第二定位线槽（11)的正下方，预留孔c(23)在第三定位线槽 (12) 的正下方；下固定钢板(2)与下连接钢板（13)预留孔相应的位置有预留孔d(24)、预留 孔e(25)、预留孔f(26);限位棒a(6)穿过预留孔d(24)和预留孔a(21)进入第一定位线槽 (10)，限位棒b(7)穿过预留孔e(25)和预留孔b(22)进入第二定位线槽（11)，限位棒c(8)穿 过预留孔f (26)和预留孔c(23)进入第三定位线槽（12);三根限位棒穿过各自上部的预留 孔，到达已恢复的强震可复位隔震垫层使恢复完毕的部分随下固定钢板(2) -起发生位移， 直至到达最顶端后三根限位棒再降回初始位置； 第一定位线槽（10)、第二定位线槽（11)、第三定位线槽（12)围绕强震可复位隔震垫轴 线两两相隔120°布设;导电金属棒a(3)固定在下固定钢板(2)靠近第一定位线槽（10)的一 侦L与第一定位线槽（10)和强震可复位隔震垫轴线在同一平面上，导电金属棒b(4)固定在 下固定钢板(2)靠近第二定位线槽（11)的一侧，与第二定位线槽（11)和强震可复位隔震垫 轴线在同一平面上，导电金属棒c(5)固定在下固定钢板(2)靠近第三定位线槽(12)的一侧， 与第三定位线槽（12)和强震可复位隔震垫轴线在同一平面上;导电金属棒a(3)顶部布置有 可伸缩的滑动触点a(27)，导电金属棒b(4)顶部布置有可伸缩的滑动触点b(28)，导电金属 棒c(5)顶部布置有可伸缩的滑动触点c(29);滑动触点a(27)、滑动触点b(28)和滑动触点c (29)在导电金属板(9)表面自由滑动;导电金属板(9)固定在上固定钢板(1)的下表面;导电 金属棒a(3)、导电金属棒b(4)和导电金属棒c(5)连接于开关控制器(19); 感应接收器（16)与电磁定位仪（17)相连，电磁定位仪（17)与计算机（18)相连，开关控 制器（19)与计算机（18)相连，开关控制器（19)与直流电源(20)相连，导电金属板(9)与直流 电源(20)相连;开关控制器（19)在计算机（18)的控制下逐次给导电金属棒a(3)、导电金属 棒b (4)和导电金属棒c(5)通电，通电后导电金属棒产生同心圆式闭合磁场;感应接收器 (16)感应到磁场强度传递给电磁定位仪（17 )，电磁定位仪（17)将信息反馈给计算机（18)， 由计算机(18)进行处理分析。2. -种基于电磁感应空间定位强震可复位隔震垫装置的使用方法，其特征在于： 以待测强震可复位隔震垫内贴附的感应接收器(16)为基本测量单元，将震后强震可复 位隔震垫整体的空间变形曲线在计算机上显示出来，并获得其形变量使其体现在感应接收 器（16)在X、Y方向的坐标变化；由强震可复位隔震垫每层的三个感应接收器作为顶点可作 一等边三角形，其轴线位置为等边三角形的外接圆圆心，且等边三角形的大小形状均不会 发生改变； 采用逐层复位的方式，先以贴附在强震可复位隔震垫底部第一层的第一感应接收器 (30) 、第二感应接收器(31)和第三感应接收器(32)为测量单元，开关控制器（19)在计算机 (18) 的控制下给导电金属棒a(3)通电，根据第一感应接收器(30)、第二感应接收器(31)和 第三感应接收器(32)感应到的磁场强度分别计算出第一感应接收器(30)、第二感应接收器 (31) 和第三感应接收器（32)距导电金属棒a(3)的距离；通过计算机（18)控制开关控制器 (19) 切换为为导电金属棒b(4)通电，根据第一感应接收器(30)、第二感应接收器(31)和第 三感应接收器(32)感应到的磁场强度计算出第一感应接收器(30)、第二感应接收器(31)和 第三感应接收器(32)距导电金属棒b(4)的距离;再通过计算机（18)控制开关控制器（19)切 换为为导电金属棒c(5)通电，根据第一感应接收器(30)、第二感应接收器(31)和第三感应 接收器(32)感应到的磁场强度计算出第一感应接收器(30 )、第二感应接收器(31)和第三感 应接收器(32)距导电金属棒c(5)的距离;利用各感应接收器距三根导电金属棒的距离确定 第一感应接收器的位置x(42)、第二感应接收器的位置y(34)和第三感应接收器的位置z (35)及坐标;根据等边三角形的特点可得出第一层强震可复位隔震垫层轴线的位置q(36)， q(36)的坐标为第一层三个感应接收器坐标之和的三分之一;强震可复位隔震垫底部第一 层的第一感应接收器初始位置为u(37)、第二感应接收器的初始位置为v( 38)、第三感应接 收器的初始位置为w(39)、轴线的初始位置为p(40);根据变形前后的位置可作向量；、 i5、?和5表示强震可复位隔震垫底部第一层轴线的位移，将下固定钢板 (2)按;^移动使第一层的轴线先复位，初步复位完成后第一感应接收器的位置变为s(41)， 可作向量；，G由下式表示得出G后便计算出角α，如下所示使下固定钢板（2)按向量^的方向旋转角α，便可使强震可复位隔震垫第一层完全复 位;然后将限位棒a(6)升至该层第一定位线槽（10)，将限位棒b(7)升至该层第二定位线槽 (11)，将限位棒c(8)升至该层第三定位线槽（12);再通过计算机（18)控制开关控制器（19) 逐次给导电金属棒a(3)、导电金属棒b(4)和导电金属棒c(5)通电，以第二层的三个感应接 收器为测量单元测出强震可复位隔震垫变形后第二层的三个感应接收器的坐标，利用类似 对第一层复位的操作对第二层进行复位，第二层完全复位后分别将限位棒a(6)、限位棒b (7)、限位棒c(8)升至第二层的第一定位线槽(10)、第二定位线槽(11)、第三定位线槽(12); 利用此种方法逐层的将强震可复位隔震垫复位，待全部复位结束后将三根限位棒降到初始 位置。
【文档编号】E02D31/08GK105821910SQ201610224337
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】李建波, 李广州, 梅润雨, 林皋, 胡志强
【申请人】大连理工大学