CN108316507A - Sma棒装配式自复位阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SMA棒装配式自复位阻尼器，属于建筑领域，该阻尼器包括第一约束板、第二约束板、底板、芯板、上盖板、下端板、SMA棒和耗能元件；第一约束板和第二约束板的下端与底板固定连接，第一约束板和第二约束板的内侧均固定设置有加肋角钢板，底板的下表面固定设置有连接板；芯板位于第一约束板和第二约束板之间，芯板上固定设置有上驱动块和下驱动块，上盖板穿在芯板上并位于第一约束板、第二约束板和上驱动块上方，下端板穿在芯板上并位于下驱动块和两个加肋角钢板下方，SMA棒穿过上盖板和下端板并固定；耗能元件位于第一约束板和第二约束板之间并固定。发明抗震能力强，稳定性高，并且保证了SMA棒材在拉、压两种状态下的耗能和自复位能力。

Description

SMA棒装配式自复位阻尼器

技术领域

本发明涉及建筑领域，特别是指一种SMA棒装配式自复位阻尼器。

背景技术

阻尼器，是以提供运动的阻力，耗减运动能量的装置，应用在建筑、桥梁、铁路等结构工程中，提高建筑结构的抗震与减震性能。

传统阻尼器结构复杂，多采用金属、橡胶、钢垫片等材料制成，这种材料的稳定性和耐久性较差，地震之后结构虽然不倒，但具有较大的震后残余变形，不能继续使用。

超弹性形状记忆合金(shape memory alloys,SMA)是一种具有形状记忆效应、超弹性和高阻尼性的材料，同时具备耗能能力和自复位能力，镍钛SMA的可恢复应变高达6～8％，将SMA应用到阻尼器上，能够提高耗能能力以及自复位能力。目前的阻尼器往往选用SMA丝材(例如中国专利文献CN206477464U)，但由于SMA丝材直径较小，不方便安装使用，产生的屈服力较小，易断裂，在激励结束后有较大变形或被损毁，需要更换新的阻尼器，更换昂贵不适合作为土木工程阻尼器使用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种SMA棒装配式自复位阻尼器，本发明结构简单，抗震能力强，延性性能好，稳定性高，并且通过特殊的结构构造方式，实现了SMA棒材在拉、压两种状态下的耗能和自复位能力。

本发明提供技术方案如下：

一种SMA棒装配式自复位阻尼器，包括第一约束板、第二约束板、底板、芯板、上盖板、下端板、SMA棒和耗能元件，其中：

所述第一约束板和第二约束板的下端与所述底板固定连接，所述第一约束板和第二约束板的内侧均固定设置有加肋角钢板，所述底板的下表面固定设置有连接板；

所述芯板位于所述第一约束板和第二约束板之间，所述芯板上固定设置有上驱动块和下驱动块，所述上盖板穿在所述芯板上并位于所述第一约束板、第二约束板和上驱动块上方，所述下端板穿在所述芯板上并位于所述下驱动块和两个加肋角钢板下方，所述SMA棒穿过所述上盖板和下端板并固定；

所述耗能元件位于所述第一约束板和第二约束板之间，并固定在所述第一约束板、第二约束板和芯板上。

进一步的，所述SMA棒为两根，所述上盖板和下端板上均开设有供所述芯板穿过的芯板孔和供两根SMA棒穿过的两个棒孔，两个棒孔位于所述芯板孔两侧。

进一步的，所述芯板截面为矩形，所述芯板孔为矩形孔；所述SMA棒截面为圆形，所述棒孔为圆孔。

进一步的，所述SMA棒穿出所述上盖板和下端板的两端设置有螺纹，螺母拧在螺纹上将上盖板和下端板向内侧固定。

进一步的，所述耗能元件包括两块相对设置的翼缘板和设置在两块翼缘板之间的至少一块腹板，所述腹板上开有菱形孔。

进一步的，所述耗能元件为U型钢板，所述U型钢板的圆弧段开设有沿圆弧方向的长孔。

进一步的，所述耗能元件为偶数个，所述耗能元件的一端连接在所述芯板上，另一端连接在所述第一约束板或第二约束板上。

进一步的，所述第一约束板和第二约束板的下端与所述底板焊接，所述连接板与底板焊接，所述上驱动块和下驱动块焊接在所述芯板上，所述加肋角钢板焊接在所述第一约束板和第二约束板上。

进一步的，所述第一约束板、第二约束板和芯板上开设有螺栓孔，所述耗能元件通过螺栓连接在第一约束板、第二约束板和芯板上。

进一步的，所述螺栓为高强螺栓。

本发明具有以下有益效果：

本发明的SMA棒装配式自复位阻尼器基于SMA棒材的超弹性性能和耗能元件的良好的塑性耗能，结构区分明确，受力性能简单明了，能够有效消耗地震能量的同时减少残余变形帮助结构恢复到原位，解决了传统阻尼器结构复杂，复位能力差，耐久性低的问题，可有效减轻结构的地震反应，可实现装配化和震后拆卸。

本发明使用SMA棒材作为自复位元件，充分利用了SMA棒材的特点，安装方便，提供较大的屈服力，克服了SMA丝材屈服力不足、难以加工等缺点。并且本发明通过特殊构造，实现了SMA棒材在拉、压过程中始终保持受拉耗能状态，避免SMA棒材受压破坏，充分发挥SMA棒材的超弹性性能，保证了阻尼器在拉、压两种状态下的耗能能力。同时，本发明实现不同耗能元件与SMA棒的并联使用，充分发挥了不同耗能元件的耗能能力和SMA棒材的自复位能力，克服了单纯SMA棒材耗能能力不足以及目前阻尼器耗能元件单一的缺点；并通过可拆卸的安装实现不同耗能元件在阻尼器中的并联，实现了耗能元件的快速更换，改变了以往阻尼器耗能元件单一、不可替换的缺点，充分利用不同耗能元件的耗能能力，满足不同强度的地震的耗能要求。

附图说明

图1为本发明的SMA棒装配式自复位阻尼器一个实施方式的主视图；

图2为本发明的SMA棒装配式自复位阻尼器另一个实施方式的主视图；

图3为本发明的SMA棒装配式自复位阻尼器的左视图；

图4为本发明的SMA棒装配式自复位阻尼器的立体图；

图5为上盖板的示意图；

图6为下端板的示意图；

图7为耗能元件一个实施方式的示意图；

图8为耗能元件另一个实施方式的示意图；

图9为SMA棒装配式自复位阻尼器的受拉状态示意图；

图10为SMA棒装配式自复位阻尼器的受压状态示意图。

其中，各部件的编号为：第一约束板1、第二约束板2、底板3、芯板4、上盖板5、下端板6、上驱动块7、下驱动块8、SMA棒9、连接板10、耗能元件11(或14)、加肋角钢板12(或13)、芯板孔15(或16)、棒孔17(或18)、螺母19、翼缘板20、腹板21、菱形孔22、长孔23、螺栓24。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种SMA棒装配式自复位阻尼器，如图1-4所示，包括第一约束板1、第二约束板2、底板3、芯板4、上盖板5、下端板6、SMA棒9和耗能元件11(或14)，其中：

第一约束板1和第二约束板2的下端与底板3固定连接，形成上端和前后两侧开口的外围约束。第一约束板1和第二约束板2的内侧靠下的部分均固定设置有加肋角钢板12(或13)，加肋角钢板的其中一个平面朝下。底板3的下表面固定设置有连接板10，连接板用于与外部梁、柱连接。

芯板4位于第一约束板1和第二约束板2之间，芯板4上固定设置有上驱动块7和下驱动块8；上盖板5穿在芯板4上并位于第一约束板1、第二约束板2和上驱动块7上方，上盖板受第一约束板、第二约束板和上驱动块约束，只能向上移动，不能向下移动；芯板穿出上盖板的部分用于与外部梁、柱连接。下端板6穿在芯板4上并位于下驱动块8和两个加肋角钢板12、13下方，下端板受下驱动块和两个加肋角钢板约束，只能向下移动，不能向上移动；SMA棒9穿过上盖板5和下端板6并固定，使得芯板、上盖板、下端板、SMA棒、上驱动块和下驱动块形成一个整体。

耗能元件11(或14)位于第一约束板1和第二约束板2之间，并固定在第一约束板1、第二约束板2和芯板4上。

本发明通过如下方式组装的到：

本发明的具体制作方案：

1.将加肋角钢板12(或13)固定在第一约束板1、第二约束板2的指定位置。将底板3与第一约束板1和第二约束板2下端固定。将连接板10固定于底板3的下部。

2.将上盖板5穿过芯板4的上方，并放置在上驱动块7的上方。将下端板6穿过芯板4的下方，并放置在下驱动块8的下方。

3.将耗能元件11(或14)一侧固定连接芯板4上，另一侧分别连接在第一约束板1和第二约束板2上。

4.将SMA棒分别穿过上盖板5和下端板6，固定连接。

目前的阻尼器往往选用SMA丝材，SMA丝材直径较小，不方便安装使用，产生的屈服力较小，易断裂。发明人经研究发现，SMA棒材也具有良好的超弹性能力，相对于SMA丝材有更大的屈服力，加工操作简便。但是SMA材料具有受拉能力强，受压能力弱的特性，由于SMA丝材受压时会松弛，即SMA不会受压力，但是SMA棒材不可避免的会受到压力，容易破坏，不能满足使用要求。

本发明通过特殊构造，保证阻尼器在拉、压两个状态下，SMA棒均保持受拉耗能状态，避免SMA棒产生受压破坏，充分发挥SMA棒的性能。具体工作方式如下：

1.正常状态下，如图1、2所示：上盖板5位于第一约束板1、第二约束板2和上驱动块7上方；下端板6位于加肋角钢板12(或13)和下驱动块8的下方，SMA棒9和内部耗能单元11(或14)均处于未拉伸状态。

2.受拉状态，如图9所示：芯板4受到外部梁、柱向上的拉力时，下端板6靠在加肋角钢板12(或13)上，限制下端板6向上移动。上驱动块7推动上盖板5向上移动，使上盖板5与第一约束板1和第二约束板2的顶部之间产生一定的位移，在芯板4往上移动的过程中，SMA棒9被拉伸，内部耗能单元11(或14)也会被拉伸发生塑性变形，从而起到耗能作用。

3.受压状态，如图10所示：芯板4受到外部梁、柱向下的压力时，上盖板5靠在第一约束板1和第二约束板2的顶部，约束上盖板5向下的位移，下驱动块8在芯板4的带动下向下移动时推动下端板6向下移动，使下端板6与加肋角钢板12、13之间产生一定的距离，SMA棒9被拉伸，内部耗能单元11(或14)也会被拉伸发生塑性变形，从而起到耗能作用。

本发明的SMA棒装配式自复位阻尼器基于SMA棒材的超弹性性能和耗能元件的良好的塑性耗能，结构区分明确，受力性能简单明了，能够有效消耗地震能量的同时减少残余变形帮助结构恢复到原位，解决了传统阻尼器结构复杂，复位能力差，耐久性低的问题，可有效减轻结构的地震反应，可实现装配化和震后拆卸。

本发明使用SMA棒材作为自复位元件，充分利用了SMA棒材的特点，安装方便，提供较大的屈服力，克服了SMA丝材屈服力不足、难以加工等缺点。并且本发明通过特殊构造，实现了SMA棒材在拉、压过程中始终保持受拉耗能状态，避免SMA棒材受压破坏，充分发挥SMA棒材的超弹性性能，保证了阻尼器在拉、压两种状态下的耗能能力。同时，本发明实现不同耗能元件与SMA棒的并联使用，充分发挥了不同耗能元件的耗能能力和SMA棒材的自复位能力，克服了单纯SMA棒材耗能能力不足以及目前阻尼器耗能元件单一的缺点；并通过可拆卸的安装实现不同耗能元件在阻尼器中的并联，实现了耗能元件的快速更换，改变了以往阻尼器耗能元件单一、不可替换的缺点，充分利用不同耗能元件的耗能能力，满足不同强度的地震的耗能要求。

作为本发明的一种改进，SMA棒9优选为两根，如图5、6所示，上盖板5和下端板6上均开设有供芯板4穿过的芯板孔15(或16)和供两根SMA棒9穿过的两个棒孔17(或18)，芯板孔大小与芯板相匹配，棒孔大小与述SMA棒所匹配，两个棒孔17(或18)位于芯板孔15(或16)两侧，均衡受力。

进一步的，芯板4截面优选为矩形，芯板孔15(或16)为矩形孔；SMA棒9截面优选为圆形，棒孔17(或18)为圆孔。

本发明可以使用多种方法将SMA棒与上盖板和下端板固定连接，优选的，SMA棒9穿出上盖板5和下端板6的两端设置有螺纹，螺母19拧在螺纹上将上盖板5和下端板6向内侧固定，实现螺栓形式的连接，螺母优选为高强螺母。

本发明的耗能元件可以有多种，这里给出两个实施方式：

方式一：

如图7所示，耗能元件11包括两块相对设置的翼缘板20和设置在两块翼缘板20之间的至少一块腹板21，腹板21上开有菱形孔22，菱形孔供SMA棒穿过，并且菱形孔大于SMA棒的截面，保证SMA棒受拉以及耗能元件变形时SMA棒和耗能元件的相对移动；菱形孔部分是削弱段，保证受力时腹板相同厚度处同时屈服。

方式二：

如图8所示，耗能元件为U型钢板14，U型钢板14的圆弧段开设有沿圆弧方向的长孔23，长孔保证SMA棒受拉以及耗能元件变形时SMA棒和耗能元件的相对移动。

耗能元件11(或14)的数量可以根据需要进行设定，优选的为偶数个，均匀分布在芯板两侧；耗能元件11(或14)的一端连接在芯板4上，另一端连接在第一约束板1或第二约束板2上。

本发明中，固定连接方式可以采用焊接，具体的：第一约束板1和第二约束板2的下端与底板3焊接，连接板10与底板3焊接，上驱动块7和下驱动块8焊接在芯板4上，加肋角钢板12(或13)焊接在第一约束板1和第二约束板2上。

耗能元件的可拆卸连接可以采用螺栓连接，具体的：第一约束板1、第二约束板2和芯板4上开设有螺栓孔，耗能元件11(或14)通过螺栓24连接在第一约束板1、第二约束板2和芯板4上。本发明通过预留螺栓孔，实现SMA棒材和不同耗能元件之间的并联。

优选的，螺栓24为12.9高强螺栓。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种SMA棒装配式自复位阻尼器，其特征在于，包括第一约束板、第二约束板、底板、芯板、上盖板、下端板、SMA棒和耗能元件，其中：

所述第一约束板和第二约束板的下端与所述底板固定连接，所述第一约束板和第二约束板的内侧均固定设置有加肋角钢板，所述底板的下表面固定设置有连接板；

所述芯板位于所述第一约束板和第二约束板之间，所述芯板上固定设置有上驱动块和下驱动块，所述上盖板穿在所述芯板上并位于所述第一约束板、第二约束板和上驱动块上方，所述下端板穿在所述芯板上并位于所述下驱动块和两个加肋角钢板下方，所述SMA棒穿过所述上盖板和下端板并固定；

所述耗能元件位于所述第一约束板和第二约束板之间，并固定在所述第一约束板、第二约束板和芯板上。

2.根据权利要求1所述的SMA棒装配式自复位阻尼器，其特征在于，所述SMA棒为两根，所述上盖板和下端板上均开设有供所述芯板穿过的芯板孔和供两根SMA棒穿过的两个棒孔，两个棒孔位于所述芯板孔两侧。

3.根据权利要求2所述的SMA棒装配式自复位阻尼器，其特征在于，所述芯板截面为矩形，所述芯板孔为矩形孔；所述SMA棒截面为圆形，所述棒孔为圆孔。

4.根据权利要求2所述的SMA棒装配式自复位阻尼器，其特征在于，所述SMA棒穿出所述上盖板和下端板的两端设置有螺纹，螺母拧在螺纹上将上盖板和下端板向内侧固定。

5.根据权利要求1所述的SMA棒装配式自复位阻尼器，其特征在于，所述耗能元件包括两块相对设置的翼缘板和设置在两块翼缘板之间的至少一块腹板，所述腹板上开有菱形孔。

6.根据权利要求1所述的SMA棒装配式自复位阻尼器，其特征在于，所述耗能元件为U型钢板，所述U型钢板的圆弧段开设有沿圆弧方向的长孔。

7.根据权利要求5或6所述的SMA棒装配式自复位阻尼器，其特征在于，所述耗能元件为偶数个，所述耗能元件的一端连接在所述芯板上，另一端连接在所述第一约束板或第二约束板上。

8.根据权利要求1-6任一所述的SMA棒装配式自复位阻尼器，其特征在于，所述第一约束板和第二约束板的下端与所述底板焊接，所述连接板与底板焊接，所述上驱动块和下驱动块焊接在所述芯板上，所述加肋角钢板焊接在所述第一约束板和第二约束板上。

9.根据权利要求8所述的SMA棒装配式自复位阻尼器，其特征在于，所述第一约束板、第二约束板和芯板上开设有螺栓孔，所述耗能元件通过螺栓连接在第一约束板、第二约束板和芯板上。

10.根据权利要求9所述的SMA棒装配式自复位阻尼器，其特征在于，所述螺栓为高强螺栓。