技術領域

本發明土木工程結構風致振動控制裝置的技術領域，具體涉及一種改變表面體型的自立式高聳結構智能破渦裝置。

背景技術：

自立式高聳結構是社會生產生活中廣泛應用的結構形式，隨著國民經濟的不斷發展，風力發電塔、自立式輸電線塔、高聳煙囪等結構逐漸增多，并且越來越往高柔方向發展。由于斷面往往為圓形或近似圓形的多邊形，細長的結構形式使得它們極易發生渦激共振，從而使其長期處于往復應力的工作狀態，在未達到其極限荷載的情況下，就極有可能發生疲勞損傷導致的破壞，造成極大的經濟損失。因此，采取措施減輕風致振動的影響成為這類結構設計的關鍵之一。

目前，較為常用的手段是采用調頻阻尼器來抑制這類結構過大的振動響應，如調頻質量阻尼器（Tuned Mass Damper, TMD）、調頻液體阻尼器（Tuned Liquid Damper, TMD）和調頻液柱阻尼器（Tuned Liquid Column Damper, TMD）。然而，這類裝置在地震災害下往往不能發揮作用，有時反而由于附加了過大的質量而造成了地震響應的增大，給結構帶來更大的損傷。除了這類振動控制技術以外，空氣動力學措施是抑制渦激共振的另一個重要思路，其理念是通過一些措施改變結構外形，從而使得導致渦振的漩渦脫落無法發生，由此而產生了工程中常用的直板型和螺旋型破風圈。然而，這些破風圈盡管有效地降低了橫風向的渦激振動，但卻將結構在順風向的體形系數增大了20%左右，導致颶風來臨時順風向振動響應顯著增大，從而有可能導致結構損傷乃至倒塌。

因此，如何充分利用破風圈抑制渦激振動的優勢，并減小其順風向對體形系數的放大作用具有一定的實際意義。本發明旨在利用形狀記憶合金等智能材料的獨特性能，設計一種可根據風場環境智能改變結構體型的智能破渦裝置。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術存在的問題，提供一種改變表面體型的自立式高聳結構智能破渦裝置。

為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現：

一種改變表面體型的自立式高聳結構智能破渦裝置，包括主結構，所述主結構上通過轉動節點連接有葉片，所述葉片與所述驅動層的一端，所述驅動層的另一端與所述主結構相連，所述驅動層兩側包裹有環境層。

進一步的，所述環境層包括內外兩層，所述內外兩層的環境層的外側均包裹有保護層。

進一步的，所述保護層的內側與所述主結構外側緊密相連。

進一步的，所述轉動節點由下伸出鋼板，轉軸和上伸出鋼板組成。

進一步的，所述驅動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。

進一步的，所述環境層為線圈加熱層提供溫度場或磁場的薄帶狀構造；所述保護層采用薄鋼板或具有防水、防火能力的輕質高強材料。

本發明的有益效果:

本發明充分利用了空氣動力學原理和形狀記憶合金等智能驅動材料的獨特性能，既可利用利用超彈性特性，無需外加能源自適應地在特定風速下改變葉片形態；又可利用形狀記憶效應，通過外加能源智能改變葉片形態；在風速降低后，利用驅動層材料的自恢復能力，葉片恢復初始形態。該裝置能夠在渦激共振風速時破壞渦脫，又能在較大風速時改變結構表面體型，從而一定程度上降低風荷載對自立式高聳結構的不利影響。

附圖說明

圖1是本發明的立面示意圖；

圖2是本發明的1-1剖面示意圖；

圖3是本發明的2-2剖面示意圖；

圖4是本發明的局部水平剖面示意詳圖；

圖5（a）是本發明的局部豎向剖面示意詳圖；

圖5（b）是本發明的局部豎向剖面局部放大示意圖；

圖6（a）是本發明的另一種實施方式的局部豎向剖面示意詳圖；

圖6（b）是本發明的另一種實施方式的局部豎向剖面局部放大示意圖。

圖中標號說明：1、主結構，2、主結構，3、驅動層，4、環境層，5、保護層，6、轉動節點，61、下伸出鋼板，62、轉軸，63、伸出鋼板。

具體實施方式

下面將參考附圖并結合實施例，來詳細說明本發明。

參照圖1-4所示，一種改變表面主結構體型的自立式高聳結構智能破渦裝置，包括主結構1，所述主結構1上通過轉動節點6連接有葉片2，所述葉片2與所述驅動層3的一端，所述驅動層3的另一端與所述主結構1相連，所述驅動層3兩側包裹有環境層4。

優選的，葉片2采用鋼材或其它高強度材料，其根部通過轉動節點6與主結構1表面相連，同時在其兩側與驅動層3伸出部分連接。

進一步的，所述環境層4包括內外兩層，所述內外兩層的環境層4的外側均包裹有保護層5，所述環境層4主要為驅動層3提供變形所需要的溫度場或磁場，包裹在驅動層的內、外兩側（如附圖5），也可按照驅動層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或磁場。

進一步的，所述保護層5的內側與所述主結構1外側緊密相連。

進一步的，所述轉動節點6由下伸出鋼板61，轉軸62和上伸出鋼板63組成，采用鋼材等具有較高強度和剛度的材料，兩端通過鋼板與主結構1固接，葉片2根部的套筒套在轉軸外形成可平面轉動的可靠連接。

進一步的，所述驅動層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，可根據需要對驅動層3的合金材料施加預應力，從而使得葉片2在常態風作用下具有一定的剛度，能夠發揮破風圈的功能。

進一步的，所述環境層4為線圈加熱層提供溫度場或磁場的薄帶狀構造；所述保護層5采用薄鋼板或具有防水、防火能力的輕質高強材料。

本發明的原理：

在常態風的較低風速作用下，施加預應力后的形狀記憶合金材料（驅動層）處于奧氏體狀態，由于形狀記憶合金材料沿著葉片兩側對稱布置，整個體系具有較大的剛度，葉片固定，破壞圓形截面的渦脫過程，發揮破風圈的作用；隨著風速的增加或颶風來臨，結構遠離渦激共振狀態，此時作用在葉片上的風壓力隨之增大，形狀記憶合金中的應力隨之增加，通過合理設計，使得在一定的風速時，形狀記憶合金發生馬氏體相變，產生較大變形，拉動與順風向垂直的葉片收起，保證了結構整體的體型系數沒有或較少增加；也可在主結構或葉片布置風速、壓力或加速度等傳感器，監測風速、風壓或響應，據此通電改變環境層中溫度場的溫度，控制葉片的形態，以達到順、橫風向響應最小的目的；當風速再次減小后，由于形狀記憶效應或超彈性效應，葉片又自動恢復初始狀態。這樣，該發明既可在預期風速時自動收縮，改變主結構體型，也可通過環境層中溫度場或磁場的變化，智能地控制葉片達到期望形態，并在風速降低后自動恢復到初始狀態，從而通過空氣動力學的原理減小風荷載對自立式高聳結構損傷。

本發明的實施步驟：

（1）根據主結構1的截面特性、動力特性及風場環境確定所需葉片2、驅動層3的材料、尺寸和連接位置，并設計相應的環境層4、保護層5和轉動節點6。

（2）裝置可在工廠內預先安裝于自立式高聳結構的相應節段，也可在建造現場安裝于結構相應部位；將轉動節點6的下伸出鋼板61、上伸出鋼板63與主結構1焊接或整體澆筑。

（3）在主結構1的表面包裹保護層5，在保護層5表面包裹環境層4；環境層4表面設置驅動層3的形狀記憶合金材料，形狀記憶合金材料為絲材或薄膜，其一端與主結構1表面固接；在驅動層3外側包裹外側環境層4和保護層5，并將驅動層3的形狀記憶合金伸出。

（4）將預先生產好的葉片2的根部套在轉軸62上，隨后將轉軸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）將驅動層3的形狀記憶合金伸出端與葉片2預留節點位置固接，并根據設計張拉預應力，使得葉片2沿環向處于張緊狀態，具有一定的剛度；最后，將環境層4所伸出的電線引致主結構1的管線通道中，并與電源相連。

以上所述的僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本領域的技術人員來說，在不脫離本發明結構的前提下，還可以做出若干變形和改進，比如采用其它形狀的葉片，這些也應該視為本發明的保護范圍，這些都不會影響本發明實施的效果和專利的實用性。