电流变复合叠层橡胶支座变刚度变阻尼被动控制装置 【技术领域】
一种电流变复合叠层橡胶支座变刚度变阻尼被动控制装置，属于结构隔震控制与振动控制技术领域。
背景技术
叠层橡胶支座隔震是一种较为成熟的工程隔震技术，通过隔震装置，把建筑物上部结构和地基基础“隔离”，改变上部结构的动力特性，可以极大地减轻地震对上部结构的动力作用，从而达到“以柔克刚”的减震效果。叠层橡胶支座由橡胶层和钢板分层叠合经高温硫化粘结而成。当橡胶支座承受垂直荷载时，橡胶层的横向变形收到约束，使橡胶支座具有很大的垂直承载力和竖向刚度。现有技术的叠层橡胶支座的阻尼和刚度参数一旦选定后，其在工作过程中就无法再进行调节，从而限制了叠层橡胶隔震支座的隔震性能，使得其仅适用于短周期的中低层建筑和刚性结构，而对高层和超高层建筑不太适用。因此，现有叠层橡胶支座固定的参数限制了叠层橡胶支座应用范围，也使叠层橡胶支座的发展空间受到限制。
中低层的砌体房屋采用叠层橡胶支座进行基础隔震，可以较大地提高抗震能力，但也存在一些不足。橡胶支座隔震的基本原理是将刚性房屋的基本周期延长，一般设计取1.5秒--2.0秒。这样可以大大降低结构对能量集中在高频部分的地震波的响应；但对地震波中的低频部分仍存在发生类共振的可能性。当地震较强时，由于低频部分含有的能量也相应增加，结构反应将会明显增大，特别当地震动能量集中在低频段时，结构反应会更大。由于隔震层的刚度比上部结构层间刚度小100倍，甚至更小，变形将集中发生在隔震层。出于经济方面的考虑，叠层橡胶支座直径不可能用得太大，其水平位移就有可能会超过其变形极限，导致失稳现象发生。
电流变液是一种具有广泛应用前景的智能材料。它是用不导电的母液和均匀散布在其中的固体电介质颗粒所制成的悬浮体。在电场作用下，电流变液在电场的作用下就能从流动性良好地具有一定粘滞度的牛顿流体转变为有一定剪切屈服应力的粘塑性体(即所谓的“硬化”)；且随着电场的加强，这种剪切屈服应力会有相当的增高。电流变液具有连续可调、响应速度快、可逆性和所需能耗低等特点，特别是它可以大大减小控制的“时迟”，提高了振动控制的稳定性，使得它在结构振动控制的应用方面具有特殊的地位。目前研制的新型巨电流变液在4kV/mm的电场强度下可以达到100kPa以上的屈服强度，可以满足工程应用的需要。
【发明内容】
本发明为了解决上述问题，提高叠层橡胶支座的隔震性能及适用范围，防止橡胶支座变形失稳；基于传统的隔震技术、控制方法及新兴的电流变技术，提出一种水平阻尼和刚度实时可调节的新型电流变复合叠层橡胶支座变刚度变阻尼被动控制装置。
本发明提供了一种电流变复合叠层橡胶支座变刚度变阻尼被动控制装置。该装置包括有：上、下部分别设置有上连结板9和下连结板11的电流变复合叠层橡胶支座1；其特征在于：该装置还主要包括有与电流变复合叠层橡胶支座1的钢板连接的钢板高压引线5，测控电流变复合叠层橡胶支座1水平位移的红外线发射器3和红外线接收器4，接收红外线发射器3和红外线接收器4输出信号的、控制电源6与增压器7之间接通或断开的电控开关2；该装置的结构和连接方式为：上、下部分别设置有上连结板9和下连结板11的电流变复合叠层橡胶支座1固定在底座8上；开口向内的两个U型钢架10对应布置在电流变复合叠层橡胶支座1的两侧，其也固定在底座8上，其端头与上、下连结板9和11相隔预留距离u，u值为电流变复合叠层橡胶支座1直径的30％-50％；红外线发射器3固定在钢架10的上端头内侧，红外线接收器4固定在钢架10的下端头内侧，两者置于同一垂直线上，两个红外线发射器3或两个红外线接收器4置于同一水平线上；红外线接收器4与上连结板9相隔垂直预留距离v，v值为电流变复合叠层橡胶支座1高度的5％-10％；电控开关2的控制信号输入端与红外线发射器3、红外线接收器4的输出端连接，电控开关2的电源输入端与电源6连接，电控开关2的电源输出端与增压器7输入端连接，增压器7的输出端与钢板高压引线5连接，钢板高压引线5再与电流变复合叠层橡胶支座1的钢板电连接，构成该装置的电工作回路。
所述的电流变复合叠层橡胶支座变刚度变阻尼被动控制装置，所述电源6除采用常规家用电源或动力电源外、还可用蓄电池或干电池作为电源。
本发明利用了电流变液的可调节性，当电流变复合叠层橡胶支座1受动力荷载振动而产生的水平位移大于预留距离u时，其中一条红外线接受通路被断开，此时电控开关2打开，电源接通，通过增压器7使高压电源经钢板高压引线5施加在电流变复合叠层橡胶支座1的钢板上，从而改变钢板间电流变液的状态，为电流变复合叠层橡胶支座1提供附加刚度和阻尼。当电流变复合叠层橡胶支座1振动减弱，水平位移减小时，两条红外线通路贯通，电控开关2闭合，电源6被切断，钢板间的电流变液恢复原来的流动性，卸载附加的刚度和阻尼。当多层橡胶剪切变形过大时，通过开闭电流变复合叠层橡胶支座1各层钢板所通的电压可以改变电流变液的屈服强度，从而改变电流变复合叠层橡胶支座1的水平刚度和阻尼。该装置可以根据实际需要调整钢架10与上、下连结板9和11相隔预留距离u值，实时调整电流变复合叠层橡胶支座1的刚度和阻尼。
本发明的一种电流变复合叠层橡胶支座变刚度变阻尼被动控制装置具有主动变刚度控制装置能动地避开地震动频率的特性，同时又有阻尼控制消减受控结构动力反应峰值的特性，因此对较宽频带内的外界激励具有非频率的减震性能，大大提高了其的适用范围。该装置可以提供比常规叠层橡胶支座更好的隔震能力、并增强了对电流变复合叠层橡胶支座1变形的保护能力，减小了电流变复合叠层橡胶支座1的失稳破坏。该装置还具有响应速度快、设备简单、能耗少、体积小、重量轻、成本低、构件无磨损、可靠性好、安装方便等优点。
【附图说明】
图1是本发明的一种电流变复合叠层橡胶支座变刚度变阻尼被动控制装置结构示意图。
图2是电流变复合叠层橡胶支座超过预留距离u后的本发明的工作状态示意图。
图3是本发明的控制过程示意图。
图中1、电流变复合叠层橡胶支座，2、电控开关，3、红外线发射器
4、红外线接收器，5、钢板高压引线，6、电源，7、增压器
8、底座，9，上连结板，10、钢架，11、下连结板。
【具体实施方式】
按照图1～图3所示的本发明的电流变复合叠层橡胶支座变刚度变阻尼被动控制装置的技术方案将市售和设计加工的部件组装为一体，实现该装置。该装置中，各部件之间均采用常规螺栓、螺纹连接方式。