技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明土木工程結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)控制裝置的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種改變表面體型的自立式高聳結(jié)構(gòu)智能破渦裝置。

背景技術(shù)：

自立式高聳結(jié)構(gòu)是社會(huì)生產(chǎn)生活中廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電塔、自立式輸電線塔、高聳煙囪等結(jié)構(gòu)逐漸增多，并且越來(lái)越往高柔方向發(fā)展。由于斷面往往為圓形或近似圓形的多邊形，細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)形式使得它們極易發(fā)生渦激共振，從而使其長(zhǎng)期處于往復(fù)應(yīng)力的工作狀態(tài)，在未達(dá)到其極限荷載的情況下，就極有可能發(fā)生疲勞損傷導(dǎo)致的破壞，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，采取措施減輕風(fēng)致振動(dòng)的影響成為這類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。

目前，較為常用的手段是采用調(diào)頻阻尼器來(lái)抑制這類(lèi)結(jié)構(gòu)過(guò)大的振動(dòng)響應(yīng)，如調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper, TMD）、調(diào)頻液體阻尼器（Tuned Liquid Damper, TMD）和調(diào)頻液柱阻尼器（Tuned Liquid Column Damper, TMD）。然而，這類(lèi)裝置在地震災(zāi)害下往往不能發(fā)揮作用，有時(shí)反而由于附加了過(guò)大的質(zhì)量而造成了地震響應(yīng)的增大，給結(jié)構(gòu)帶來(lái)更大的損傷。除了這類(lèi)振動(dòng)控制技術(shù)以外，空氣動(dòng)力學(xué)措施是抑制渦激共振的另一個(gè)重要思路，其理念是通過(guò)一些措施改變結(jié)構(gòu)外形，從而使得導(dǎo)致渦振的漩渦脫落無(wú)法發(fā)生，由此而產(chǎn)生了工程中常用的直板型和螺旋型破風(fēng)圈。然而，這些破風(fēng)圈盡管有效地降低了橫風(fēng)向的渦激振動(dòng)，但卻將結(jié)構(gòu)在順風(fēng)向的體形系數(shù)增大了20%左右，導(dǎo)致颶風(fēng)來(lái)臨時(shí)順風(fēng)向振動(dòng)響應(yīng)顯著增大，從而有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷乃至倒塌。

因此，如何充分利用破風(fēng)圈抑制渦激振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，并減小其順風(fēng)向?qū)w形系數(shù)的放大作用具有一定的實(shí)際意義。本發(fā)明旨在利用形狀記憶合金等智能材料的獨(dú)特性能，設(shè)計(jì)一種可根據(jù)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境智能改變結(jié)構(gòu)體型的智能破渦裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種改變表面體型的自立式高聳結(jié)構(gòu)智能破渦裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種改變表面體型的自立式高聳結(jié)構(gòu)智能破渦裝置，包括主結(jié)構(gòu)，所述主結(jié)構(gòu)上通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接有葉片，所述葉片與所述驅(qū)動(dòng)層的一端，所述驅(qū)動(dòng)層的另一端與所述主結(jié)構(gòu)相連，所述驅(qū)動(dòng)層兩側(cè)包裹有環(huán)境層。

進(jìn)一步的，所述環(huán)境層包括內(nèi)外兩層，所述內(nèi)外兩層的環(huán)境層的外側(cè)均包裹有保護(hù)層。

進(jìn)一步的，所述保護(hù)層的內(nèi)側(cè)與所述主結(jié)構(gòu)外側(cè)緊密相連。

進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)由下伸出鋼板，轉(zhuǎn)軸和上伸出鋼板組成。

進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)層采用形狀記憶合金或磁性形狀記憶合金，形式為絲材或薄膜。

進(jìn)一步的，所述環(huán)境層為線圈加熱層提供溫度場(chǎng)或磁場(chǎng)的薄帶狀構(gòu)造；所述保護(hù)層采用薄鋼板或具有防水、防火能力的輕質(zhì)高強(qiáng)材料。

本發(fā)明的有益效果:

本發(fā)明充分利用了空氣動(dòng)力學(xué)原理和形狀記憶合金等智能驅(qū)動(dòng)材料的獨(dú)特性能，既可利用利用超彈性特性，無(wú)需外加能源自適應(yīng)地在特定風(fēng)速下改變?nèi)~片形態(tài)；又可利用形狀記憶效應(yīng)，通過(guò)外加能源智能改變?nèi)~片形態(tài)；在風(fēng)速降低后，利用驅(qū)動(dòng)層材料的自恢復(fù)能力，葉片恢復(fù)初始形態(tài)。該裝置能夠在渦激共振風(fēng)速時(shí)破壞渦脫，又能在較大風(fēng)速時(shí)改變結(jié)構(gòu)表面體型，從而一定程度上降低風(fēng)荷載對(duì)自立式高聳結(jié)構(gòu)的不利影響。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的立面示意圖；

圖2是本發(fā)明的1-1剖面示意圖；

圖3是本發(fā)明的2-2剖面示意圖；

圖4是本發(fā)明的局部水平剖面示意詳圖；

圖5（a）是本發(fā)明的局部豎向剖面示意詳圖；

圖5（b）是本發(fā)明的局部豎向剖面局部放大示意圖；

圖6（a）是本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的局部豎向剖面示意詳圖；

圖6（b）是本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的局部豎向剖面局部放大示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明：1、主結(jié)構(gòu)，2、主結(jié)構(gòu)，3、驅(qū)動(dòng)層，4、環(huán)境層，5、保護(hù)層，6、轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，61、下伸出鋼板，62、轉(zhuǎn)軸，63、伸出鋼板。

具體實(shí)施方式

下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。

參照?qǐng)D1-4所示，一種改變表面主結(jié)構(gòu)體型的自立式高聳結(jié)構(gòu)智能破渦裝置，包括主結(jié)構(gòu)1，所述主結(jié)構(gòu)1上通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)6連接有葉片2，所述葉片2與所述驅(qū)動(dòng)層3的一端，所述驅(qū)動(dòng)層3的另一端與所述主結(jié)構(gòu)1相連，所述驅(qū)動(dòng)層3兩側(cè)包裹有環(huán)境層4。

優(yōu)選的，葉片2采用鋼材或其它高強(qiáng)度材料，其根部通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)6與主結(jié)構(gòu)1表面相連，同時(shí)在其兩側(cè)與驅(qū)動(dòng)層3伸出部分連接。

進(jìn)一步的，所述環(huán)境層4包括內(nèi)外兩層，所述內(nèi)外兩層的環(huán)境層4的外側(cè)均包裹有保護(hù)層5，所述環(huán)境層4主要為驅(qū)動(dòng)層3提供變形所需要的溫度場(chǎng)或磁場(chǎng)，包裹在驅(qū)動(dòng)層的內(nèi)、外兩側(cè)（如附圖5），也可按照驅(qū)動(dòng)層3材料的截面形狀包裹（如附圖6），可采用通電線圈等方式提供可變的溫度場(chǎng)或磁場(chǎng)。

進(jìn)一步的，所述保護(hù)層5的內(nèi)側(cè)與所述主結(jié)構(gòu)1外側(cè)緊密相連。

進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)6由下伸出鋼板61，轉(zhuǎn)軸62和上伸出鋼板63組成，采用鋼材等具有較高強(qiáng)度和剛度的材料，兩端通過(guò)鋼板與主結(jié)構(gòu)1固接，葉片2根部的套筒套在轉(zhuǎn)軸外形成可平面轉(zhuǎn)動(dòng)的可靠連接。

進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)層3采用形狀記憶合金或磁性形狀記憶合金，形式為絲材或薄膜，可根據(jù)需要對(duì)驅(qū)動(dòng)層3的合金材料施加預(yù)應(yīng)力，從而使得葉片2在常態(tài)風(fēng)作用下具有一定的剛度，能夠發(fā)揮破風(fēng)圈的功能。

進(jìn)一步的，所述環(huán)境層4為線圈加熱層提供溫度場(chǎng)或磁場(chǎng)的薄帶狀構(gòu)造；所述保護(hù)層5采用薄鋼板或具有防水、防火能力的輕質(zhì)高強(qiáng)材料。

本發(fā)明的原理：

在常態(tài)風(fēng)的較低風(fēng)速作用下，施加預(yù)應(yīng)力后的形狀記憶合金材料（驅(qū)動(dòng)層）處于奧氏體狀態(tài)，由于形狀記憶合金材料沿著葉片兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，整個(gè)體系具有較大的剛度，葉片固定，破壞圓形截面的渦脫過(guò)程，發(fā)揮破風(fēng)圈的作用；隨著風(fēng)速的增加或颶風(fēng)來(lái)臨，結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離渦激共振狀態(tài)，此時(shí)作用在葉片上的風(fēng)壓力隨之增大，形狀記憶合金中的應(yīng)力隨之增加，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，使得在一定的風(fēng)速時(shí)，形狀記憶合金發(fā)生馬氏體相變，產(chǎn)生較大變形，拉動(dòng)與順風(fēng)向垂直的葉片收起，保證了結(jié)構(gòu)整體的體型系數(shù)沒(méi)有或較少增加；也可在主結(jié)構(gòu)或葉片布置風(fēng)速、壓力或加速度等傳感器，監(jiān)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)壓或響應(yīng)，據(jù)此通電改變環(huán)境層中溫度場(chǎng)的溫度，控制葉片的形態(tài)，以達(dá)到順、橫風(fēng)向響應(yīng)最小的目的；當(dāng)風(fēng)速再次減小后，由于形狀記憶效應(yīng)或超彈性效應(yīng)，葉片又自動(dòng)恢復(fù)初始狀態(tài)。這樣，該發(fā)明既可在預(yù)期風(fēng)速時(shí)自動(dòng)收縮，改變主結(jié)構(gòu)體型，也可通過(guò)環(huán)境層中溫度場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化，智能地控制葉片達(dá)到期望形態(tài)，并在風(fēng)速降低后自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，從而通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)的原理減小風(fēng)荷載對(duì)自立式高聳結(jié)構(gòu)損傷。

本發(fā)明的實(shí)施步驟：

（1）根據(jù)主結(jié)構(gòu)1的截面特性、動(dòng)力特性及風(fēng)場(chǎng)環(huán)境確定所需葉片2、驅(qū)動(dòng)層3的材料、尺寸和連接位置，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的環(huán)境層4、保護(hù)層5和轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)6。

（2）裝置可在工廠內(nèi)預(yù)先安裝于自立式高聳結(jié)構(gòu)的相應(yīng)節(jié)段，也可在建造現(xiàn)場(chǎng)安裝于結(jié)構(gòu)相應(yīng)部位；將轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)6的下伸出鋼板61、上伸出鋼板63與主結(jié)構(gòu)1焊接或整體澆筑。

（3）在主結(jié)構(gòu)1的表面包裹保護(hù)層5，在保護(hù)層5表面包裹環(huán)境層4；環(huán)境層4表面設(shè)置驅(qū)動(dòng)層3的形狀記憶合金材料，形狀記憶合金材料為絲材或薄膜，其一端與主結(jié)構(gòu)1表面固接；在驅(qū)動(dòng)層3外側(cè)包裹外側(cè)環(huán)境層4和保護(hù)層5，并將驅(qū)動(dòng)層3的形狀記憶合金伸出。

（4）將預(yù)先生產(chǎn)好的葉片2的根部套在轉(zhuǎn)軸62上，隨后將轉(zhuǎn)軸62焊接或用其它方式固定于下伸出鋼板61和上伸出鋼板63之間。

（5）將驅(qū)動(dòng)層3的形狀記憶合金伸出端與葉片2預(yù)留節(jié)點(diǎn)位置固接，并根據(jù)設(shè)計(jì)張拉預(yù)應(yīng)力，使得葉片2沿環(huán)向處于張緊狀態(tài)，具有一定的剛度；最后，將環(huán)境層4所伸出的電線引致主結(jié)構(gòu)1的管線通道中，并與電源相連。

以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明結(jié)構(gòu)的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，比如采用其它形狀的葉片，這些也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍，這些都不會(huì)影響本發(fā)明實(shí)施的效果和專(zhuān)利的實(shí)用性。