CN108612217B - 超弹性形状记忆合金—摩擦耗能串联复合阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超弹性形状记忆合金——摩擦耗能串联复合阻尼器，包括一级主板、一级副板、二级主板‑、二级副板、前后连接棒、超弹性记忆合金棒、端连接板组成；一级主板和二级主板‑放置在同一平面内，二级主板‑比一级主板略薄，二级主板‑两侧放置摩擦片。前后连接棒包括两端的长方体形端部和圆柱形中部；前后连接棒依次穿过上二级主板‑、一级主板和下二级主板‑。两个超弹性记忆合金棒两端是螺纹段，中间是削弱段，削弱段与螺纹段之间是过渡段；超弹性记忆合金棒依次穿过前后连接棒，并在端部有固定螺栓拧紧。本发明能够自动的调节阻尼器的工作状态，保护超弹性记忆合金棒免受损坏，耗能能力好，具有一定的自复位能力。

Description

超弹性形状记忆合金—摩擦耗能串联复合阻尼器

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种消能减震装置，尤其是涉及超弹性记忆合金的自复位消能减震装置。

背景技术

建筑结构受到外部激励时，结构会产生相应的运动，当激励消失后，结构会在阻尼的作用下，逐渐停止运动最终保持稳定。但是，当外部激励超过结构能够承受的设计荷载时，结构会发生破坏从而丧失部分或者全部的结构功能。建筑结构阻尼器是通过在结构激励下的摩擦和变形来耗散激励能量，保证主体结构的安全。自复位阻尼器，在激励过程中能够达到耗散地震能量的同时，保证结构在激励消失时，可以恢复到激励前的状态。

自复位阻尼器的耗能元件的屈服点通常低于主体结构，在激励发生时，耗能元件会先于主体结构屈服从而进入塑性状态，起到“结构保险丝”的作用，保护主体结构免受损伤，同时消耗激励能量。

自复位阻尼器的复位单元主要是由具有较高拉伸性能的材料做成，包括钢绞线和超弹性记忆合金等，可以提供较大的弹性变形，在激励结束时在预应力和超弹性行为下，让结构的残余变形减小为零，减少修复和更换的费用。

超弹性记忆合金是一种具有形状记忆效应、超弹性的材料，其最大弹性应变可以达到10％-12％，也就说超弹性记忆合金在其塑性硬化阶段以下受力不仅可以大量耗能，而且基本不会产生残余变形。利用超弹性记忆合金作耗能元件和复位元件，有着比钢绞线更优的地方，比如不易受腐蚀，变形能力更强，基本不会产生残余变形等。

目前，在阻尼器中，超弹性记忆合金运用最多为超弹性记忆丝材，超弹性记忆丝材研究时间较长成为自复位阻尼器中运用最多的材料。但超弹性记忆丝材的直径较小较难应用，易断裂，在激励结束后有较大变形，有较大变形或被损毁，需要更换新的阻尼器，更换昂贵，急需一种与超弹性记忆丝材性能相似且使用方便，不易断裂的超弹性记忆合金。

尽管超弹性记忆合金有着超弹性的性能，可以实现材料的自复位能力，具有优于一般金属的特性，但阻尼能力较小和耗能能力底也成为了超弹性形状记忆合金的弊端；因此在阻尼器的运用中，通常是将超弹性形状记忆合金的阻尼器与耗能能力强的阻尼器一起用。

在专利201210205813.5中公开了超弹性形状记忆合金-摩擦串联复合阻尼器，但是该装置存在以下问题：

1.没有对超弹性记忆合金阻尼器的保护机制，当力达到一定程度后，左右动杆，由于在前后副板的带动下，碰到一级主板，在碰到一级主板后，左右动杆与一级主板之间的力继续增大，最后达到摩擦阻尼器的滑动摩擦力时，左右动杆与一级主板和前后副板之间的力保持在滑动摩擦力下不变。这会导致左右动杆受剪破坏或者一级主板，前、后副板受剪破坏，超弹性记忆合金丝会因受力过大而拉坏，如图1所示。

2.超弹性记忆合金丝受力不均，因自复位阻尼器两侧布置超弹性记忆合金丝，因为丝材缠绕时很难让每根丝承受相同的力，所以不便缠绕；同时因为缠绕的原因，会导致单根丝受力不均，运行时，可能会发生应力集中，导致某特定丝材破损。

3.摩擦型阻尼器与自复位阻尼器共用一个前后副板，不便于分组管理。一旦某一部分阻尼器发生损坏需要更新替换，整个阻尼器需要全部拆解，更换完成后，再进行安装。

发明内容

本发明提供一种具有适应不同地震强度下的自我调节能力，同时又增大了强震下的耗能能力和保护了超弹性记忆合金棒机制，同时又有着一定的自复位能力；此装置能够自动的调节阻尼器的工作状态，保护超弹性记忆合金棒免受损坏，耗能能力好，具有一定的自复位能力。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种超弹性形状记忆合金—摩擦耗能串联复合阻尼器，包括一级主板、上一级副板、下一级副板、二级主板、上二级副板、下二级副板、前连接棒、后连接棒、超弹性记忆合金棒和端连接板；

所述的一级主板由上、下一级副板上下夹持，且所述前、后连接棒设置在一级主板和一级副板的前端和后端，前、后连接棒从上到下依次穿过上一级副板、一级主板和下一级副板；在前、后连接棒之间通过超弹性记忆合金棒相连；且所述的上、下一级副板的前端相对于一级主板向前延伸，上、下一级副板通过连接件与端连接板相连；所述的一级主板的后端相对于上、下一级副板向后延伸，且一级主板后端通过上、下二级副板夹持，且通过连接件连接；所述上、下二级副板还上下夹持二级主板，保证一级主板和二级主板放置在同一平面内。

进一步的，所述的二级主板比一级主板略薄，二级主板两侧与上、下二级副板之间放置摩擦片。

进一步的，所述的二级主板与一级主板厚度相等，在上、下二级副板之间设置摩擦片，摩擦片的长度等于上、下二级副板。

进一步的，所述上二级副板通过环氧树脂与摩擦片粘结，下二级副板通过环氧树脂与摩擦片粘结。

进一步的，所述的前、后连接棒分别由三部分构成，包括两端的长方体形端部和圆柱形中部，长方体形端部便于固定螺栓的放置，圆柱形中部便于在长圆孔中滑动。

进一步，所述的两个超弹性记忆合金棒两端是螺纹段，中间是削弱段，削弱段与螺纹段之间通过过渡段连接为一体；超弹性记忆合金棒的两端分别穿过前、后连接棒，并在超弹性记忆合金棒的端部有固定螺栓拧紧。

进一步，所述的上、下一级副板与一级主板上开设有同轴设置的长圆孔，所述的前、后连接棒穿过该长圆孔，前、后连接棒在外力作用下能在该长圆孔内前后相对移动。

进一步的，所述的端连接板的后端由上、下一级副板上下夹持，且通过连接螺栓从上到下将其连接，端连接板的前端延伸到上、下一级副板外，便于与外部构件连接。

进一步，所述的一级主板后端和二级主板前端之间相隔一定的距离；这段预留的距离是给上下二级副板与二级主板的相对位移提供空间，且二级主板的后端延伸到上、下二级副板外；伸到外部的原因是便于与外部构件连接。

进一步的，所述的二级主板上开设有长圆孔，紧固螺栓穿过上二级副板、上摩擦片、连接孔、下摩擦片和下二级副板将这些部件连接在一起。

进一步的，上二级副板通过环氧树脂与摩擦片粘结，下二级副板通过环氧树脂与摩擦片粘结。

本发明能够自动的调节阻尼器的工作状态，保护超弹性记忆合金棒免受损坏，耗能能力好，具有一定的自复位能力；超弹性记忆合金棒阻尼器——摩擦型自复位阻尼器串联阻尼器，包括两个串联组合的耗能单元，即形状记忆合金棒阻尼器单元和摩擦型阻尼器单元。形状记忆合金棒阻尼器单元包括一级主板、一级副板、前后连接棒、端连接板、两根超弹性记忆合金棒、固定螺帽和连接螺栓构成；摩擦型阻尼器单元包括一边贴有摩擦片的二级副板、二级主板和紧固螺栓构成；两部分通过形状记忆合金棒阻尼器单元的一级主板和二级副板通过连接螺栓联结。

本发明有以下有益效果：

1、拉力作用下，端连接板带动一级副板运动，一级副板带动前连接棒运动，后连接棒在一级主板的阻挡下不运动，前后连接棒的相对距离增大，因此超弹性记忆合金棒在受拉作用下伸长，耗能；当阻尼器位移超过超弹性记忆合金棒的处于损伤变形前的位移时(此时前连接棒与上下一级副板还有一定距离)，此时结构承受的力达到摩擦阻尼器的滑动摩擦力，保护机制生效超弹性记忆合金棒承受的力不再继续增大，摩擦型阻尼器开始耗能。卸载时，超弹性记忆合金棒阻尼器部分，在超弹性记忆合金棒的恢复力下，带动前连接棒一级副板、端连接板运动恢复到平衡位置。

2、压力作用下，端连接板带动一级副板运动，一级副板带动后连接棒运动，前连接棒在一级主板的阻挡下不运动，前后连接棒的相对距离增大，因此超弹性记忆合金棒在受拉作用下伸长，耗能，当阻尼器位移超过超弹性记忆合金棒的处于损伤变形前的位移时(此时后连接棒与上下一级副板还有一定距离)，此时结构承受的力达到摩擦阻尼器的滑动摩擦力，保护机制生效超弹性记忆合金棒承受的力不再继续增大，摩擦型阻尼器开始耗能。卸载时，超弹性记忆合金棒阻尼器器部分，在超弹性记忆合金棒的恢复力下，带动后连接棒一级副板、端连接板运动恢复到平衡位置。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1、背景技术部分的专利201210205813.5的受力分析图；

图2、本发明的二级主板比一级主板厚度略薄时的整体结构图；

图3、本发明中二级主板与一级主板厚度相等的结构示意图；

图4、一级主板俯视图；

图5、一级副板俯视图；

图6、端连接板俯视图；

图7、二级副板俯视图；

图8、二级主板俯视图；

图9、图10、图11的连接棒三视图；

图12本装置(自复位阻尼器部分)三种状态的示意图；

图中,1端连接板，2一级主板，3上一级副板，4下一级副板，5超弹性记忆合金棒，6超弹性记忆合金棒，7前连接棒，8后连接棒，9上二级副板，10下二级副板，11二级主板，12摩擦片，13前后连接螺栓，14紧固螺栓。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

为了方便描述，定义如下概念：

(1一级副板与一级主板上开设有长圆孔，长圆孔的内壁定义为长圆孔朝向超弹性记忆合金棒自复位阻尼器内侧的侧壁。

(2形状记忆合金棒阻尼器部分的静平衡位置就是前后连接棒穿过上下一级副板、一级主板，紧贴在长圆孔内壁上的情况。

(3阻尼器的位移是二级主板和一级副板之间的相对位移。

(4超弹性记忆合金棒阻尼器部分的最大位移就是连接棒在长圆孔中的最大位移，就是长圆孔的长度减去连接棒中间部分的直径。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明介绍超弹性记忆合金棒的阻尼器与摩擦型阻尼器串联使用的情况。本发明提供一种具有适应不同地震强度下的自我调节能力，同时又增大了强震下的耗能能力和保护了超弹性记忆合金棒机制，同时又有着一定的自复位能力。

本发明与授权公告号为CN 102720283 B的专利的一个优势，就是在运行过程中，前后连接棒与上下一级副板的相互挤压的力不会超过超弹性记忆合金所承受的力综合；不会出现上下一级副板和一级主板2的冲切破坏与前后连接棒的受剪受弯破坏。

本申请的一种典型的实施方式中，如图2所示，包括一级主板2、上一级副板、下一级副板、二级主板11、上二级副板、下二级副板、前连接棒、后连接棒、超弹性记忆合金棒和端连接板1；一级主板2由上、下一级副板上下夹持，且所述前、后连接棒设置在一级主板2和一级副板的前端和后端，前、后连接棒从上到下依次穿过上一级副板、一级主板2和下一级副板；在前、后连接棒之间通过超弹性记忆合金棒相连；且所述的上、下一级副板的前端相对于一级主板2向前延伸，上、下一级副板通过连接件与端连接板1相连；所述的一级主板2的后端相对于上、下一级副板向后延伸，且一级主板2后端通过上、下二级副板夹持，且通过连接件连接；所述上、下二级副板还上下夹持二级主板11，保证一级主板2和二级主板11放置在同一平面内，所述的二级主板11比一级主板2略薄，二级主板11两侧放置摩擦片。

另外一种实施例，本发明中的所述的二级主板与一级主板厚度相等，在上、下二级副板之间设置摩擦片，摩擦片的长度等于上、下二级副板，具体的如图3所示；

如图9、图10、图11所示，前、后连接棒分别由三部分构成，包括两端的长方体形端部和圆柱形中部，长方体形端部便于固定螺栓的放置，圆柱形中部便于在长圆孔中滑动。

两个超弹性记忆合金棒两端是螺纹段，中间是削弱段，削弱段与螺纹段之间通过过渡段连接为一体；超弹性记忆合金棒的两端分别穿过前、后连接棒，并在超弹性记忆合金棒的端部有固定螺栓拧紧。

具体的制作过程如下：

(1)分别在小震中震和大震作用下，对工程结构进行分析，根据所要达到的性能要求，确定阻尼器的尺寸和参数。

(2)上一级副板3和下一级副板4的具有相同的结构和尺寸，如图5所示，上二级副板9和下二级副板10的结构和尺寸相同如图7所示，前连接棒7和后连接棒8的结构和尺寸相同。端连接板1和上一级副板3、下一级副板4之间的螺栓孔与一级主板2和上二级副板、下二级副板10之间的螺栓孔是一样的。

(3)前连接棒依次通过上一级副板的前长圆孔、一级主板2的前长圆孔和下一级副板的前长圆孔，并且三个长圆孔尺寸相同并且在一个中心轴的，前连接棒紧贴在前长圆孔的内壁上。后连接棒依次通过上一级副板的后长圆孔、一级主板2的后长圆孔和下一级副板的后长圆孔，并且三个长圆孔尺寸相同并且在一个中心轴的，后连接棒紧贴在后长圆孔的内壁上。

(4)超弹性记忆合金棒的两端是做成螺纹状，前后连接棒两端做成长方体形状，以便于放置固定螺栓，来固定超弹性记忆合金棒。

(5)一个高强螺栓11穿过贴有摩擦片12的上二级副板的螺栓孔、二级主板11的长槽孔和贴有摩擦片12的下二级副板的螺栓孔，将贴有摩擦片12的上二级副板9、二级主板11、下二级副板10联结并施加正压力。

上二级副板通过环氧树脂与摩擦片粘结，下二级副板通过环氧树脂与摩擦片粘结。

(6)一级主板2一端设置有第一长圆孔和第二长圆孔，第一长圆孔是靠近端连接板1，第二长圆孔是远离端连接板1，上、下一级副板上第三长圆孔对应于第一长圆孔，第四长圆孔对应于第二长圆孔，一级主板2靠近第二长圆孔的的一端设置有螺栓孔，便于与摩擦阻尼器部分连接；

(7)上下一级副板上设置有第三、四长圆孔，靠近第三长圆孔的一边对应设置有螺栓孔，与同样设置有螺栓孔的端连接板1连接，端连接板1可以方便的与外部结构连接；

(8)二级主板11上设置有长槽孔，远离摩擦阻尼器的一端方便与外部连接；

(9)上、下二级副板上设置有螺栓孔，上下二级副板靠近二级主板11的一面贴有摩擦片，高强螺栓通过贴有摩擦片的上二级副板螺栓孔、二级主板11的长槽孔和贴有摩擦片的下二级副板螺栓孔，将上二级副板、二级主板11和下二级副板联结，并施加正压力，二级副板靠近超弹性记忆合金棒阻尼器的一段设置有螺栓孔，与同样设置有螺栓孔的一级主板2可以通过螺栓连接；

(10)前后连接棒是由三部分构成，包括圆柱部分和两端的长方体部分，长方体部分的平面可以给螺帽提供一个平面来固定带有螺纹的超弹性记忆合金棒；同时提供预拉力。

本发明具有以下优点：

1、对超弹性记忆合金棒的保护机制；当阻尼器受到小震或中震作用时，超弹性记忆合金棒阻尼器工作，超弹性记忆合金棒受拉变形耗散能量，地震结束时超弹性记忆合金棒在超弹性作用下回到静平衡位置；当受到大震时，超弹性记忆合金棒阻尼器先工作，受力继续增大时，摩擦阻尼器滑动摩擦耗能开始，受力不在继续增大，保护了超弹性记忆合金棒免受损坏，保证其正常的工作能力。

2、受力均匀；受力均匀，满足受力要求，SMA合金丝材阻尼器需要多根SMA合金丝材叠加使用，受力不均匀，而SMA合金棒材可根据承载力选定不同截面积的SMA合金棒材，充分满足对受力的要求，受力均匀；

3、便于拆分叠加；超弹性记忆合金棒阻尼器部分和摩擦型阻尼器部分是通过，对应的螺栓孔，用螺栓进行连接的，容易拆分，一部分损坏可以只拆下其中一部分更换即可。当阻尼或摩擦耗能不足时，可以增加摩擦型阻尼器部分，只需要在二级主板11与外界连接的部分，用螺栓再串联增加一个摩擦型阻尼器即可。

4、阻尼能力和耗能能力增加；摩擦型阻尼器与超弹性记忆合金阻尼器串联可以大大增加阻尼器，阻尼能力和耗能能力，也有一定的自复位能力。

5、安装方便；相比于SMA合金丝材，本发明预紧力可控，可以很容易地通过螺纹拧紧圈数来控制SMA合金棒材的预紧力和整个阻尼器的整体刚度；

6、本发明加工工艺简单，运用方式简单，SMA合金棒材加工简单，容易运用，只需在一定的位置削弱，在两端划出螺纹，加工完毕运用在SMA合金棒阻尼器上，只需用螺母固定两端即可，而SMA合金丝材加工较难，需要用专门的仪器抽丝，安装时需要多次缠绕以保证可以适用于一定大小的受力，并且多根金属丝受力难以保证均匀，每根金属丝受力会有差别，并且单根金属丝承载力有限，容易损毁。

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 (8)

1.一种超弹性形状记忆合金—摩擦耗能串联复合阻尼器，其特征在于，包括一级主板、上一级副板、下一级副板、二级主板、上二级副板、下二级副板、前连接棒、后连接棒、超弹性记忆合金棒和端连接板；

所述的一级主板由上、下一级副板上下夹持，所述的上、下一级副板与一级主板上开设有同轴设置的长圆孔，前、后连接棒穿过该长圆孔；且所述前、后连接棒设置在一级主板和一级副板的前端和后端，前、后连接棒从上到下依次穿过上一级副板、一级主板和下一级副板；在前、后连接棒之间通过超弹性记忆合金棒相连；且所述的上、下一级副板的前端相对于一级主板向前延伸，上、下一级副板通过连接件与端连接板相连；所述的一级主板的后端相对于上、下一级副板向后延伸，且一级主板后端通过上、下二级副板夹持，且通过连接件连接；所述上、下二级副板还上下夹持二级主板，保证一级主板和二级主板放置在同一平面内；

两个超弹性记忆合金棒两端是螺纹段，中间是削弱段，削弱段与螺纹段之间通过过渡段连接为一体；超弹性记忆合金棒的两端分别穿过前、后连接棒，并在超弹性记忆合金棒的端部有固定螺栓拧紧。

2.如权利要求1所述的一种超弹性形状记忆合金—摩擦耗能串联复合阻尼器，其特征在于，所述的二级主板比一级主板略薄，二级主板两侧与上、下二级副板之间放置摩擦片。

3.如权利要求1所述的一种超弹性形状记忆合金—摩擦耗能串联复合阻尼器，其特征在于，所述的二级主板与一级主板厚度相等，在上、下二级副板之间设置摩擦片，摩擦片的长度等于上、下二级副板。

4.如权利要求3或2所述的一种超弹性形状记忆合金—摩擦耗能串联复合阻尼器，其特征在于，所述上二级副板通过环氧树脂与摩擦片粘结，下二级副板通过环氧树脂与摩擦片粘结。

5.如权利要求1所述的一种超弹性形状记忆合金—摩擦耗能串联复合阻尼器，其特征在于，所述的前、后连接棒分别由三部分构成，包括两端的长方体形端部和圆柱形中部。

6.如权利要求1所述的一种超弹性形状记忆合金—摩擦耗能串联复合阻尼器，其特征在于，所述的端连接板的后端由上、下一级副板上下夹持，且通过连接螺栓从上到下将其连接，端连接板的前端延伸到上、下一级副板外。

7.如权利要求1所述的一种超弹性形状记忆合金—摩擦耗能串联复合阻尼器，其特征在于，所述的一级主板后端和二级主板前端之间相隔一定的距离，且二级主板的后端延伸到上、下二级副板外。

8.如权利要求1所述的一种超弹性形状记忆合金—摩擦耗能串联复合阻尼器，其特征在于，所述的二级主板上开设有长圆孔，紧固螺栓穿过上二级副板、上摩擦片、连接孔、下摩擦片和下二级副板将这些部件连接在一起。

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