CN101429788B - 形状记忆合金阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种形状记忆合金阻尼器。该阻尼器由新型形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料制成。这种新型阻尼材料由奥氏体形状记忆合金细丝经过缠绕、编织、冲压成型，具有变形和耗能能力大的特点。采用形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料的形状记忆合金阻尼器可以被安装在多、高层建筑结构的层间斜撑上，作为被动阻尼器使用，减小建筑结构在地震动作用下的反应，保护结构构件不发生损伤。与传统被动阻尼器相比，这种新型形状记忆合金阻尼器具有地震后变形可自动恢复的优点，因此在地震后不需要对阻尼器进行维修和更换，大大节省结构中被动耗能减震系统的维护费用。
Description
(一)技术领域
本发明涉及土木、建筑领域，具体说就是一种形状记忆合金阻尼器。
(二)背景技术
现代城市地震灾害具有经济损失巨大的特点，这主要是因为随着经济和社会的发展，城市的数量和规模不断扩大，成为人口高度密集、财富高度集中的地区，一旦遭受重创就损失惨重。众所周知在近20年内，世界各地发生在城市集中地区的大地震，其震后的经济损失都动辄以百亿美元计算。例如，1989年美国Loma Prieta M7.1级地震，经济损失150亿美元；1994年美国Northridge M6.7级地震，经济损失达200亿美元；而1995年的日本阪神M7.1级地震经济损失则达到了创记录的1000亿美元。然而往往被人们忽视的是，历次地震后城市基础设施的修复和重建费用更为巨大，并且重建历程十分漫长。以1999年9月21日发生在我国台湾的集集地震为例，地震中的经济损失约92亿美元，但其地震后用于基础设施重建和修复的费用约合102亿美元。2008年5月12日在我国四川汶川发生的8.0级特大地震，直接经济损失达8451亿人民币，截止目前地震后的重建和修复费用虽然还未统计，但可以预见其将远超过地震造成的直接经济损失。因此，目前世界各国的地震工程研究者都已意识到，仅仅保证建筑结构在地震中不倒塌，保障人员生命安全是不够的，还应尽量减轻建筑结构(包括结构构件和非结构构件)在地震后的不可回复性的损伤(如构件的裂缝、不可回复的塑性变形)，使城市在地震后能够迅速恢复各项功能，减小地震造成的巨额经济损失。
仅依靠传统的结构抗震设计思想，即利用结构构件本身的强度、刚度和延性(即塑性变形)来抵抗地震作用、耗散地震能量，是难以实现上述抗震目标的。这是今年5.12汶川地震后许多专家学者对震区大量建筑结构进行灾害调查所得出的共识。即严格按照建筑抗震规范设计和严格按照抗震要求施工的建筑结构，能够保证在地震中不发生严重破坏，甚至能保证主体结构构件基本完好(震中除外)，但非结构构件的损伤却极其普遍(如大量填充墙，非承重墙出现裂缝和玻璃幕墙破碎)。这些结构地震后通过修复虽然完全可以继续使用，但修复的费用却十分巨大。要解决这一问题唯有通过在建筑结构中安装附加的耗能减震装置，也就是使结构在地震中遭受的地震能量通过减震装置耗散掉，结构的变形也集中在减震装置中，从而保护主体建筑的结构构件和非结构构件不发生塑性损伤。这就是美国学者J.T.P.Yao在1972年首先提出的结构振动控制的概念。目前，土木工程结构在地震作用下的振动控制策略主要可分为主动控制、被动控制、半主动控制、智能控制和混合控制五类，而被动控制是目前研究和应用得最为成熟的技术。截止现在全世界已有数千幢建筑安装了各种类型的被动减震装置(即被动阻尼器)，用以控制和减小结构在地震作用下的损伤，其中有些建筑已经经过实际地震的检验，证明这些安装在结构上的被动阻尼器确实具有很好的减小地震损伤、保护主体结构的作用。但目前开发成熟的几类被动阻尼器都有一个共同的缺点，就是由于需要通过阻尼器的变形来耗散地震能量，因此阻尼器在地震后都存在残余变形(即使是在小地震下)，地震后不得不对阻尼器进行维修和更换，由此带来的费用也十分巨大。因此开发新型的具有变形自动回复功能的，同时又具有很好耗能能力的阻尼器，免除地震后由于更换阻尼器带来的巨额费用，无疑是十分必要的，并且必将具有极好的工程应用前景。
形状记忆合金正是研究和开发具有上述目标功能的新型阻尼器的理想材料。形状记忆合金是一种具有多种特殊力学性能的新型功能材料。处于奥氏体状态的形状记忆合金具有超弹性特性，即当其最大应变不超过8％时，材料变形完全可以自动回复，不产生残余变形，这对于普通金属材料是难以想象的。同时在形状记忆合金产生变形和变形回复的过程中还具有一定的耗能能力。形状记忆合金被用于作为建筑结构上的被动阻尼器的研究是从二十世纪九十年代初开始的，到目前已取得了一定的学术研究成果，并且在意大利的两幢建筑上进行了实际的应用。但与其他类型的阻尼器相比，形状记忆合金阻尼器虽然具有变形可自动回复的优点，同时又有耗能能力小的弱点，影响了其大规模的推广应用。因此研究开发新型形状记忆合金阻尼器，保留其变形自回复的优点，同时通过改变材料的利用方式提高阻尼器的耗能能力，是减轻建筑结构在地震作用下损伤，减小地震后修复结构本身或修复、更换阻尼器费用的有效方案。
(三)、发明内容
本发明的目的在于提供一种既具有变形可回复功能，又具有很好耗能能力的新型形状记忆合金阻尼器。
本发明的目的是这样实现的：
本发明形状记忆合金阻尼器，其制作方法如下：
(1)将直径范围在0.1mm到0.3mm之间的奥氏体形状记忆合金细丝在缠绕设备上缠绕制成线圈；
(2)将制成的线圈拉伸，使每匝线圈具有均匀的螺距；
(3)将拉伸后的线圈根据拟加工阻尼器的尺寸和受力特点，沿模具板的横向、纵向或纵横向组合的方式进行编织、铺叠，得到形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料的坯料；
(4)对形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料的坯料进行冷冲压，形成形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料；
(5)将形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料安装在阻尼器中，作为核心耗能部件；
(6)将阻尼器安装在多层或高层建筑的层间斜撑上。
本发明形状记忆合金阻尼器，在地震中能够帮助结构耗散地震能量，减小结构地震反应，保护结构构件不发生损伤。在地震后，由于形状记忆合金具有超弹性特性，阻尼器的变形将自动回复，不需任何维修和替换，可大大节省阻尼器的维护费用。
(四)、附图说明
图1是形状记忆合金螺旋线圈缠绕原理图；
图2是形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料编织模板示意图；
图3是形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料编织方法示意图；
图4是形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料坯料示意图；
图5是形状记忆合金阻尼器构造示意图；
图6是形状记忆合金阻尼器在结构中的安装方法示意图。
(五)、具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做进一步说明。
实施例1，结合图1、图2、图3、图4，图5、图6，本发明所述的形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料的制备过程如下：
(1)选择直径范围在0.1--0.3mm的奥氏体形状记忆合金细丝，然后在专用缠绕设备上将形状记忆合金细丝缠绕制成螺旋线圈，线圈直径控制在合金丝径的5--15倍，以便保证螺旋线圈之间能够具有较好的啮合钩联，而后均匀拉伸螺旋线圈，使螺旋螺距等于线圈直径。
(2)根据预加工阻尼器的尺寸，选用适当的模板进行形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料的编织。模板为一块木板，其上布满等间距排列的钉子，钉子间距为螺旋线圈外径的5--15倍(图2)。用一根钩针勾住螺旋线圈，并在各排钉子间根据一定规则进行编织。编织时将拉伸好的形状记忆合金线圈一端固定在钉板上起始的第一排第一个钉子上，并顺次缠绕在第一排每个钉子上，这样在每个钉子周围就形成了环状形状记忆合金螺旋线圈；从第二排钉子开始进行规则的交叉编织(图3)，用钩针穿过前排已形成的线圈并钩住形状记忆合金螺旋线，拉钩针向后使形状记忆合金螺旋线穿过线圈并挂于后排对应钉子上，后排钉子周围也形成环状形状记忆合金螺旋线圈，且前后线圈是交叉的。如此重复交叉编织，直至形成一张具有一定面积的平面网。
(3)为防止上述平面网变形，在从钉板上卸下平面网之前，要用同样的形状记忆合金螺旋线将网的四周边缘缝合好，并用一块压板压实，使各钩联线圈间啮合好；
(4)将若干张编织好的平面网叠合在一起，并用压板压实，使各层平面网间很好啮合。随后将这啮合在一起的若干张平面网用一根模具芯棒卷起，制成元件毛胚，在10--40MPa压力下对毛胚进行冷冲压成型，制成圆环状的形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料(图4)。该材料内部为无数由超弹性形状记忆合金细丝缠绕而成的微弹簧，并且各微弹簧间互相挤压、摩擦，使得材料具有很好的阻尼特性。
实施例2，结合图5、图6，采用电脉冲工艺，将实施例1所述的环状形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料的上下两端与两块钢板焊接在一起，构成形状记忆合金阻尼器。将该阻尼器安装在多、高层建筑各层的梁底和本层人字形斜撑间。在地震中通过阻尼器中形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料的剪切变形耗散地震能量。同时由于奥氏体形状记忆合金材料具有超弹性特性，因此在地震后阻尼器的变形还可自动回复，不需对阻尼器进行修复和更换。
Claims (1)
1.一种形状记忆合金阻尼器，其制作方法如下：
(1)将直径范围在0.1mm到0.3mm之间的奥氏体形状记忆合金细丝在缠绕设备上缠绕制成线圈；
(2)将制成的线圈拉伸，使每匝线圈具有均匀的螺距；
(3)将拉伸后的线圈根据拟加工阻尼器的尺寸和受力特点，沿模具板进行编织、铺叠，其中模具板为一块木板，木板上布满等间距排列的钉子，钉子间距为螺旋线圈外径的5--15倍，编织时将拉伸好的形状记忆合金螺旋线一端固定在钉板上起始的第一排第一个钉子上，并顺次缠绕在第一排每个钉子上，从第二排钉子开始进行规则的交叉编织，即用钩针穿过前排已形成的线圈并钩住形状记忆合金螺旋线，拉钩针向后使形状记忆合金螺旋线穿过线圈并挂于后排对应钉子上，如此重复交叉编织，直至形成一张具有一定面积的平面网，得到形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料的坯料；
(4)对形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料的坯料进行冷冲压，形成形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料；
(5)将形状记忆合金微弹簧摩擦阻尼材料安装在阻尼器中，作为核心耗能部件；
(6)将阻尼器安装在多层或高层建筑的层间斜撑上。
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