具有监测和发声预警功能的轴接式耗能杆件结构

1.本发明设计一种具有监测和发声预警功能的轴接式耗能杆件结构，属于结构工程的减震控制、可装配式结构与健康监测技术领域。


背景技术：

2.随着时代的发展，我国钢产量已跃居世界大国的前列，钢结构及组合结构大量涌现。但是随之而来的也有许多亟待解决的问题，例如大跨度钢结构的抗震设计、大型钢混组合桥梁实时监测等。在大跨度结构中，桁架梁及大型桁架等格构式结构的应用较普遍。由于桁架杆件之间的互相支撑作用，其具有刚度大、整体性好及抗震能力强等特点，因此被广泛应用于各个工程领域。
3.目前以桁架为代表的格构式结构应用十分广泛，但是其抗震性能仅能依靠其自身性能，在长期使用下桁架杆件会发生应力集中、疲劳破坏等问题，而如何实时检测桁架的受损情况、何时更换受损构件等是亟需解决的问题。因此，如何能够在保证桁架刚度、强度等特性满足条件的情况下采取一定的减震耗能措施来降低地震作用并且在正常使用的情况下实现实时监测从而表征桁架的受损情况是极为必要的。
4.气流式发声器利用气体作为动力源，通过高速气体来产生声波或者超声波，并且不同流速的气体会产生不同频率的声波，具有能量转化效率高、功率大、结构较小及简单方便等优点，将其用于监测预警具有良好的实用性和创新性。此外，采用粘滞阻尼器等耗能减振构件可以减轻结构的振动幅值和损伤可能性。将上述技术综合应用将使结构主体的安全性和性能得到极大的提升。


技术实现要素：

5.鉴于此，为了提高桁架结构的抗震效果以及实时监测结构的疲劳损伤，本发明提出了一种具有监测和发声预警功能的轴接式耗能杆件结构，主要依靠粘滞阻尼器装置(包括粘滞阻尼器、下连杆以及连接板等构件)进行抗震以及通过发声监测装置(包括气流泵发器、发声器以及拾音器等构件)来进行实时监测。其中阻尼器优先选择粘滞阻尼器，粘滞阻尼器与上弦杆节点处和下弦杆的节点处铰接，形成一个轴接式结构，桁架结构主体部分固结在一起。在地震的作用下，下连杆通过振动发生位移，从而带动粘滞阻尼器的运动。气流泵发器的外壳材料采用了不锈钢，外壳内部结构里主要包括活塞、单向阀等。在阻尼器的活塞内部与气流泵发器活塞内部设置磁铁，目的使两者同时运动，当活塞向单向阀反方向一侧运动时，气流泵发器的活塞与外壳之间有空隙，空气会通过空隙进入到气流泵发器内；当活塞向单向阀一侧运动时，气体就会经过单向阀进入到发生装置当中。为了使空气进入到气流泵发器体积相对较多，泵发器中活塞与单向阀的距离不能少于总长度的50％。为了使阻尼器活塞内部与气流泵发器活塞做相对运动，将气流泵发器焊接在粘滞阻尼器上。气流泵发器中气体通道被设计成内粗外细的形式，即靠近单向阀的通道截面比远离单向阀的截面通道要大。当气流体积一定时，截面越小，流速越快，而流速越快会使发声装置发出更多
频率的声波。旋涡哨进气入口也采用内粗外细的形式，因为空气从气流泵发器气体通道后出来加速，进入到旋涡哨进气入口又会继续加速，所以上述内粗外细的构造可以比笔直的通气口获得更高的气流速度。高速射流沿切线方向进入圆柱形腔内，在腔内加速旋转形成旋涡，最后从圆柱形腔体上方的出口流出超高音速的气流，其中气流出口通道内部刻上了来复线，这种措施会使气流更加的平稳也会使声音信号的频谱更加的复杂，旋涡哨与弹簧哨通过塑料管道连接起来，使弹簧哨在旋涡哨的正上方。簧片哨中内部的不同长度的弹簧片震动来发出不同频率的声波，经由拾音器收集实时的频谱来检测结构是否有损伤破坏，其中拾音器可以通过粘合剂粘结在弹簧哨旁边。旋涡哨和弹簧哨体积不宜过大，且两者体积要协调，两者的材质一般选用钢材、塑料等。本发明中阻尼器的主要功能是消耗部分振动能量，作为一个支撑构件，并使其在解除振动作用之后得以复位形成受力体系。发声器的主要功能是实时发出不同频率的声波然后通过拾音器实时接收数据，试图通过发声器建立的频谱来建立结构的“损伤指纹”。
6.本发明给出了一种具有监测和发声预警功能的轴接式耗能杆件结构，在地震和强风作用下，会产生下连杆和阻尼器的振动，从而导致粘滞阻尼器发生位移，达到耗能减震的作用。在正常使用的情况下，粘滞阻尼器会产生周期运动，两端的磁铁会使气流泵发器的活塞产生移动，从而让发声器发出声波，从而持续的接收声波达到实时监测的目的。该结构既可以增强结构体系的抗震减震效果，又可以实时监测结构的自振频率，当拾音器接收的音频异常时，可以及时到现场进行观察、维修。
7.为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
8.轴接式耗能型桁架与发声监测装置结构，主要包括粘滞阻尼器 (1)、销栓(2)、上弦杆(3)、下弦杆(4)、竖腹杆(5)、气流泵发器(6)、旋涡哨(7)、簧片哨(8)和拾音器(9)。粘滞阻尼器(1) 为轴接式耗能装置，粘滞阻尼器(1)两端连接由销栓(2)，并通过销栓(2)分别与上弦杆(3)和下弦杆(4)形成固接；所述的上弦杆(3)和下弦杆(4)之间通过竖腹杆(5)进行固接。所述气流泵发器(6)安装在粘滞阻尼器(1)上，气流泵发器(6)与旋涡哨(7) 连接，旋涡哨(7)与簧片哨(8)和拾音器(9)连接；旋涡哨(7)、簧片哨(8)和拾音器(9)组成发声监测装置。
9.粘滞阻尼器(1)的活塞内部与气流泵发器(6)的活塞内部设置磁铁，使粘滞阻尼器(1)的活塞与气流泵发器(6)的活塞同时运动；当气流泵发器(6)的活塞向单向阀反方向一侧运动时，气流泵发器 (6)的活塞与外壳之间有空隙，空气会通过空隙进入到气流泵发器 (6)内；当气流泵发器(6)的活塞向单向阀一侧运动时，空气就会经过单向阀进入到发声监测装置当中。
10.气流泵发器(6)打出气体通过内部的单向阀(12)进入到旋涡哨(7)进行气流加速，再进入到簧片哨(8)；经由簧片哨(8)内不同长度的弹簧片(13)振动发出不同频率的声波，由拾音器(9)收集、分析并进行预警。
11.在正常使用的情况下，粘滞阻尼器(1)进行小变形周期运动，由于两个活塞之间有磁铁，所以气流泵发器(6)中的活塞(10)会随着粘滞阻尼器(1)内的活塞运动进行相对运动；
12.当发生振动时，粘滞阻尼器(1)发生较大位移，且下弦杆(4) 和竖腹杆(5)的相对位移运动对粘滞阻尼器的位移运动起到放大的作用，从而更充分地发挥其抗震减震耗能的
作用。
13.所述粘滞阻尼器(1)与发声监测装置结构通过焊接连在了一起，其中焊接的位置应尽量使粘滞阻尼器(1)中的活塞与气流泵发器(6) 中的活塞距离贴近。
14.为了保证桁架结构体系的刚度要求，所述上弦杆(3)、下弦杆(4)、竖腹杆(5)固结连接，增大了结构刚度。这种两根或以上杆通过轴连接方式和装置被叫做“轴接式结构”。这种“轴接式结构”是一种刚性结构，所以在跨中位置进行设置。
15.为了保证发声装置的顺利使用，气流泵发器(6)的气体通道应该设计成内粗外细的形式；旋涡哨(7)的入口也设计成内粗外细的形式，这样的构造可以使气体流速更快。气体通道可以使用塑料、不锈钢等抗腐蚀材料来保证密封性和使用年限。旋涡哨(7)的气流出口内部需要刻上来复线(11)为了使气体流出的更加平稳，旋涡哨(7) 与簧片哨(8)之间用塑料管道连接以保证其密封性。簧片哨(8)的哨片设计多个长短不一的弹簧片(13)为了频谱更加的复杂，实时监测出更多的数据。
16.本发明的轴接式耗能型桁架与发声监测装置结构装配化程度较高，方便安装和更换，当振动作用较强造成结构某一部分发生破坏时，可以对此部分及时进行更换，不影响整体结构的完整性及性能。
17.与现有技术相比，本发明的优点如下：
18.1)本发明的轴接式结构中，可在振动过程中通过粘滞阻尼器的位移效果从而达到减震耗能的目的，这样可以更好的保证结构的稳定性。
19.2)气流泵发器的气体通道和旋涡哨的入口被设计成内粗外细，这样的设计可以使气体流速更快且更稳定。
20.3)旋涡哨的气流入口通道渐小，这可以使气流进一步加速进入到腔内。
21.4)气流出口内部印有来复线，可以使出来的气流更加平稳，也会使声音信号的频谱更加的复杂。
22.5)簧片哨采用多个簧片，其中每个簧片的长度不同，可以产生不同声波频率，使得拾音器更好地收集信号。
23.6)发明的轴接式耗能型桁架结构装配化程度较高，当振动作用较强造成结构某一部分发生破坏时，可以对此部分及时进行更换，不影响整体功能。
24.7)发明的发声监测装置结构的发声结构依靠声信号来记录，而非常规的利用位移、加速度等来记录。发明的发声监测装置结构制作简单，与其他监测装置相比，使用寿命较长，造价更便宜。
附图说明
25.图1为本发明轴式耗能性桁架结构与发声器示意图
26.图2为本发明结构轴式耗能装置与发声器示意图详图。
27.图3为本发明粘滞阻尼器详图。
28.图4为本发明气流泵发器详图。
29.图5为本发明旋涡哨侧视图。
30.图6为本发明旋涡哨俯视图。
31.图7为本发明旋涡哨气流出口截面图。
32.图8为本发明簧片哨示意图。
33.图9为本发明拾音器详图。
34.图10为本发明结构轴式耗能装置与发声器三维图。
35.其中1-阻尼器(粘滞阻尼器)、2-销栓、3-上弦杆、4-下弦杆、5-竖腹杆、6-气流泵发器、7-旋涡哨、8-簧片哨、9-拾音器、10-活塞、11
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来复线、12-单向阀、13-弹簧片。
具体实施方式
36.下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
37.轴接式耗能型桁架与发声监测装置结构，主要包括阻尼器(粘滞阻尼器)(1)、销栓(2)、上弦杆(3)、下弦杆(4)、竖腹杆(5)、气流泵发器(6)、旋涡哨(7)、簧片哨(8)、拾音器(9)、活塞(10)、来复线(11)、单向阀(12)、弹簧片(13)。在地震和强风作用下，会产生下连杆和阻尼器的振动，从而导致粘滞阻尼器发生位移，达到耗能减震的作用。在正常使用的情况下，粘滞阻尼器会产生周期运动，两端的磁铁会使气流泵发器的活塞产生移动，从而让发声器发出声波，从而持续的接收声波达到实时监测的目的。该结构既可以增强结构体系的抗震减震效果，又可以实时监测结构的自振频率，当拾音器接收的音频异常时，可以及时到现场进行观察、维修。
38.在振动过程中通过粘滞阻尼器的位移效果从而达到减震耗能的目的，这样可以更好的保证结构的稳定性。
39.本结构的气流泵发器的气体通道和旋涡哨的入口被设计成内粗外细，这样的设计可以使气体流速更快。
40.本结构的旋涡哨的气流入口通道渐小，这可以使气流进一步加速进入到腔内。
41.本结构的旋涡哨的气流出口内部印有来复线，可以使出来的气流更加平稳，也会使声音信号的频谱更加的复杂。
42.本结构的簧片哨采用多个簧片，其中每个簧片的长度不同，可以产生不同声波频率，使得拾音器更好地收集信号。
43.本结构的装配化程度较高，当振动作用较强造成结构某一部分发生破坏时，可以对此部分及时进行更换，不影响整体功能。
44.在正常使用的情况下，该杆件结构既可以满足工程结构关于刚度、强度与延性的设计要求，也可以通过发声器实时发出不同频率的声波转化为电信号，达到实时监测及预警的效果。该结构可以提前在工厂预制加工并且在现场快速拼装。此外，该耗能杆件结构含有粘滞阻尼器，在地震及强风等动力作用下，将通过阻尼器进行耗能，具有足够的延性，从而可以减轻工程结构主体的振动和损伤。结构在长时间的使用中会发生应力集中等现象导致自振频率的改变，发声器可以准确的发出不同的频率，当发声频率达到的某个阈值可视为预警，表明该结构主体需要维修加固，从而解决了复杂结构内部性能等难以监测的问题。
45.实施例一：
46.如图1所示，具有监测和发声预警功能的轴接式耗能杆件结构包括：1-阻尼器(粘滞阻尼器)、2-销栓、3-上弦杆、4-下弦杆、5-竖腹杆、6-气流泵发器、7-旋涡哨、8-簧片哨、9-拾音器。以一个平面桁架上的一跨为例，跨上弦杆长1.5米，下弦杆长1.5米，竖腹杆长1 米，其中将竖向轴接式耗能型桁架设置在中间跨，轴接式耗能型桁架结构各部位尺寸及设置方
式如下：
47.1)轴接式耗能型装置选用钢材为q235，通过焊接的方法将粘滞阻尼器通过销栓将其固定到桁架结构上。粘滞阻尼器的作用为在结构处于振动情况下通过粘滞阻尼器的阻尼运动从而达到耗能减震的效果。
48.2)粘滞阻尼器是一种根据密度较大的液体运动，特别是当液体通过节流孔时会产生节流阻力的原理而制成的，是一种与活塞运动速度相关的阻尼器。本发明中采用粘滞阻尼器是因为粘滞阻尼器对与振动产生的较小位移较为敏感，能更好的发挥作用，增强结构的耗能减震性能。
49.3)气流泵发器长0.1m，主体为不锈钢材质，泵发器中的活塞与粘滞阻尼器上的活塞通过磁铁连接，气流泵发器中的活塞会随着粘滞阻尼器内的活塞运动进行相对运动，气流泵发器打出气体通过单向阀进入到旋涡哨，其中旋涡哨直径为0.1m，高度为0.1m。
50.4)气体进入到旋涡哨会以为气体在圆形容器中旋转导致声波的速度进一步加快，旋涡哨出口内部刻上了来复线可以使气流更加稳定。簧片哨上的弹簧片长度不一样，分别为4cm和6cm，这会导致当弹簧片因为气流震动的频率不同，可以发出更多不同的不同频率的声波然后通过拾音器实时接收数据，试图通过发声器建立的频谱来建立结构的“指纹”。
51.5)上述的轴接式耗能型装置可通过在预制场预制拼装好之后直接运往现场安装，同时也可在预制场直接将轴接式耗能结构与桁架拼装在一起之后再运往现场，在指定位置进行安装，既节省施工时间，也会降低施工成本。
52.以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。