CN102720283B - 超弹性形状记忆合金-摩擦串联复合阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超弹性形状记忆合金-摩擦串联复合阻尼器，包括一级主板、前副板、右动杆、超弹性形状记忆合金丝、限位套筒、左动杆、高强螺栓、二级主板、后副板、摩擦片、夹具和弹簧夹圈。一级主板和二级主板分离布置在同一平面，其外侧对称布置着前副板和后副板；左动杆穿过前副板、限位套筒、一级主板和后副板；右动杆穿过前副板、一级主板和后副板；弹簧夹圈分别夹持在左动杆和右动杆上，靠近前副板和后副板的外表面；超弹性形状记忆合金丝缠绕在左动杆和右动杆上，并由夹具固定在左动杆上；高强螺栓将粘有摩擦片的前副板、二级主板和粘有摩擦片的后副板联接。本发明能自动调整耗能单元工作状态，具有良好的耗能及一定的复位功能。
Description
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，尤其是能自动调整耗能单元工作状态，具有良好耗能及一定复位功能的阻尼器。
背景技术
地震中建筑物的破坏与倒塌是造成地震灾害的主要原因。传统结构抗震是通过增强结构本身的强度、刚度和延性来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，这是不经济的，也达不到预期效果。消能减震技术是在结构的抗侧力构件中并联阻尼器，由阻尼器消耗大部分地震能量，从而保证主体结构的安全，因而是积极有效的抗震策略。
已应用在实际工程中的传统阻尼器存在着一些局限性：粘弹性阻尼器抗疲劳性差、易老化；粘滞阻尼器易渗漏；金属屈服阻尼器强震后需要更新与替换；摩擦阻尼器复位性差，这也是以上其他类阻尼器的弊端。近几十年，随着材料制造技术的发展，形状记忆合金开始走进土木工程领域。形状记忆合金是一类对形状有记忆功能的机敏材料，其在奥氏体相表现出的超弹性，可恢复应变可达8％～10％，强度高，抗腐蚀、抗疲劳性好。利用超弹性形状记忆合金为唯一耗能材料开发的阻尼器，可以克服传统阻尼器的弊端，但通常耗能能力有限，阻尼不足。将超弹性形状记忆合金与其它高耗能材料组合，利用各自优势开发阻尼器，是解决这一问题的有效途径。公开号为CN101196017的专利中公开了复合型形状记忆合金摩擦阻尼器的技术方案，即将超弹性形状记忆合金丝与摩擦阻尼器并联组合以提供良好的耗能和复位功能，该方案中超弹性形状记忆合金丝与摩擦阻尼器同时工作，不能根据地震强度以及结构在地震下的响应来调整耗能单元的工作状态，这样产生的问题是：超弹性形状记忆合金丝的性能是根据结构在强震下的性能要求确定的，故用量较多，小震时超弹性形状记忆合金丝的耗能能力未能充分发挥，而形状记忆合金材料价格昂贵，因此从实用角度看是不经济的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种超弹性形状记忆合金-摩擦串联复合阻尼器，该阻尼器能根据地震强度和工程结构的地震响应自动调整耗能单元工作状态，具有良好的耗能及一定的复位功能，并且构造简单、造价低廉。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：超弹性形状记忆合金-摩擦串联复合阻尼器，由一级主板、前副板、右动杆、超弹性形状记忆合金丝、限位套筒、左动杆、高强螺栓、二级主板、后副板、摩擦片、夹具和弹簧夹圈组成，其特征是：一级主板和二级主板分离布置在同一平面，其外侧对称布置着前副板和后副板；限位套筒分别设在一级主板与前副板之间以及一级主板与后副板之间；左动杆穿过前副板、限位套筒、一级主板和后副板；右动杆穿过前副板、一级主板和后副板；弹簧夹圈分别夹持在左动杆和右动杆上，靠近前副板和后副板的外表面；超弹性形状记忆合金丝缠绕在左动杆和右动杆上，对称布置在前副板和后副板的外侧，并由夹具固定在左动杆上；摩擦片分别设在二级主板与前副板之间以及二级主板与后副板之间；前副板和后副板分别与摩擦片采用环氧树脂粘结，高强螺栓将粘有摩擦片的前副板、二级主板和粘有摩擦片的后副板联接。
超弹性形状记忆合金-摩擦串联复合阻尼器包括两个串联组合的耗能单元，即形状记忆合金单元和摩擦单元。形状记忆合金单元由超弹性形状记忆合金丝联接左动杆和右动杆并与一级主板、前副板、后副板、限位套筒、夹具和弹簧夹圈组成；摩擦单元由高强螺栓联接粘有摩擦片的前副板、二级主板和粘有摩擦片的后副板组成。阻尼器设计时，要求摩擦单元的滑动摩擦力大于形状记忆合金单元的最大输出力，以实现阻尼器自动调节耗能单元工作状态的功能。为方便以下描述，定义如下概念：①阻尼器的静平衡位置是形状记忆合金单元的静平衡位置，即：前副板、一级主板和后副板的左长孔和右长孔分别对齐，左动杆和右动杆被超弹性形状记忆合金丝约束紧靠在前副板、一级主板和后副板上；②阻尼器的位移是一级主板和二级主板的相对位移；③阻尼器的最大弹性位移即超弹性形状记忆合金丝的最大变形量，其值等于一级主板(或前副板或后副板)的左长孔(或右长孔)长度减去左动杆(或右动杆)的直径。
阻尼器具体工作原理如下：
(1)拉力作用下，一级主板远离二级主板：一级主板带动右动杆运动，而左动杆被前副板和后副板阻挡，从而使超弹性形状记忆合金丝被拉伸；当阻尼器位移超过其最大弹性位移时，右动杆被前副板和后副板阻挡，左动杆与一级主板相撞，左动杆和右动杆与前副板、一级主板和后副板的接触力大于了摩擦单元的最大静摩擦力，则粘有摩擦片的前副板和粘有摩擦片的后副板受一级主板、左动杆和右动杆的带动与二级主板发生相对滑动从而产生摩擦力耗散能量。卸荷时，超弹性形状记忆合金丝的恢复力带动右动杆和一级主板回至静平衡位置。限位套筒随左动杆一起运动。
(2)压力作用下，一级主板靠近二级主板运动：一级主板带动左动杆运动，而右动杆被前副板和后副板阻挡，超弹性形状记忆合金丝被拉伸；当阻尼器位移超过其最大弹性位移时，左动杆被前副板和后副板阻挡，右动杆与一级主板 相撞，左动杆和右动杆与前副板、一级主板和后副板的接触力大于了摩擦单元的最大静摩擦力，则粘有摩擦片的前副板和粘有摩擦片的后副板受一级主板、左动杆和右动杆的带动与二级主板发生相对滑动从而产生摩擦力耗散能量。卸荷时，超弹性形状记忆合金丝的恢复力会带动左动杆和一级主板回至静平衡位置。限位套筒随左动杆一起运动。
综上所述：当外荷载较小(或小震)，阻尼器位移小于最大弹性位移时，仅超弹性形状记忆合金丝消耗能量，且卸荷后无残余位移，阻尼器复位；外荷载较大(或大震)，阻尼器位移大于最大弹性位移时，阻尼器通过摩擦单元的相对滑动产生摩擦力而消耗大量能量，而形状记忆合金单元中左动杆和右动杆由于受前副板、一级主板和后副板的约束而不再发生相对位置的改变，则超弹性形状记忆合金丝保持最大变形量，其耗能能力充分发挥，卸荷后，超弹性形状记忆合金丝的变形量恢复，摩擦单元的相对滑动量为残余位移。
本发明的有益效果是：超弹性形状记忆合金-摩擦串联复合阻尼器能根据地震强度和工程结构的地震响应自动调整耗能单元工作状态，具有良好的耗能及一定的复位功能，并且构造简单、造价低廉。
附图说明
图1是超弹性形状记忆合金-摩擦串联复合阻尼器的主视图。
图2是图1的A-A剖面图。
图3是图2中一级主板的主视图。
图4是图3的B-B剖面图。
图5是图3的C-C剖面图。
图6是图3的D-D剖面图。
图7是图2中二级主板的主视图。
图8是图7的E-E剖面图。
图9是图7的F-F剖面图。
图10是图2中前副板的主视图。
图11是图10的G-G剖面图。
图12是图10的H-H剖面图。
图13是图10的I-I剖面图。
图14是图2中后副板的主视图。
图15是图14的J-J剖面图。
图16是图14的K-K剖面图。
图17是图14的L-L剖面图。
图18是图2中右动杆的主视图。
图19是图2中右动杆的俯视图。
图20是图2中左动杆的主视图。
图21是图20的M-M剖面图。
图22是图2中限位套筒的主视图。
图23是图22的N-N剖面图。
图24是图2中摩擦片的主视图。
图25是图24的O-O剖面图。
图26是图2中弹簧夹圈的主视图。
图27是图26的P-P剖面图。
图中：1.一级主板，2.前副板，3.右动杆，4.超弹性形状记忆合金丝，5.限位套筒，6.左动杆，7.高强螺栓，8.二级主板，9.后副板，10.摩擦片，11.夹具，12.弹簧夹圈，13.一级主板的左长孔，14.一级主板的右长孔，15.一级主板的销栓孔，16.二级主板的销栓孔，17.二级主板的长槽孔，18.前副板的螺栓孔，19.前副板的左长孔，20.前副板的右长孔，21.后副板的螺栓孔，22.后副板的左长孔，23.后副板的右长孔，24.右动杆的夹圈槽，25.左动杆的进丝孔，26.左动杆的出丝孔，27.左动杆的夹圈槽，28.摩擦片的螺栓孔。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
(1)分别在小震和大震作用下，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)前副板2和后副板9具有相同的结构。左动杆6和右动杆3具有相同的直径。一级主板的左长孔13、前副板的左长孔19和后副板的左长孔22具有相同尺寸；一级主板的右长孔14、前副板的右长孔20和后副板的右长孔23具有相同尺寸。前副板的螺栓孔18、后副板的螺栓孔21和摩擦片的螺栓孔28具有相同尺寸。
(3)采用环氧树脂将前副板2和后副板9分别与摩擦片10粘结。前副板的螺栓孔18、后副板的螺栓孔21与摩擦片的螺栓孔28同轴。
(4)一级主板1和二级主板8分离布置在同一平面，其间距满足阻尼器位移要求。前副板2和后副板9对称布置在一级主板1与二级主板8的外侧。前副板的左长孔19、一级主板的左长孔13和后副板的左长孔22竖向对齐；前副板的右长孔20、一级主板的右长孔14和后副板的右长孔23竖向对齐。限位套筒5分别设在一级主板1与前副板2之间以及一级主板1与后副板9之间，以限定一级主板1的安装位置和运动方向；限位套筒5与前副板2、一级主板1和后副板9之间有极小间隙，以避免相对运动时限位套筒5与前副板2、一级主板1和后副板9之间产生摩擦力。前副板的螺栓孔18和后副板的螺栓孔21均位于二级主板的长槽孔17的中部。
(5)两个高强螺栓7穿过粘有摩擦片10的前副板的螺栓孔18、二级主板的长槽孔17和粘有摩擦片10的后副板的螺栓孔21，将粘有摩擦片10的前副板2、二级主板8和粘有摩擦片10的后副板9联接，并施加正压力。
(6)左动杆6穿过前副板的左长孔19、限位套筒5、一级主板的左长孔13、限位套筒5和后副板的左长孔22；右动杆3穿过前副板的右长孔20、一级主板的右长孔14和后副板的右长孔23。左动杆6在靠近前副板2和后副板9的外表面处设有左动杆的夹圈槽27；右动杆3在靠近前副板2和后副板9的外表面处设有右动杆的夹圈槽24。弹簧夹圈12分别夹持在左动杆的夹圈槽27处和右动杆的夹圈槽24处，以限定左动杆6和右动杆3的安装位置和运动方向。
(7)超弹性形状记忆合金丝4缠绕在左动杆6和右动杆3上，对称布置在前副板2和后副板9的外侧。超弹性形状记忆合金丝4的起始端和终止端分别穿过左动杆的进丝孔25和左动杆的出丝孔26，用夹具11固定在左动杆6上。
(8)阻尼器通过一级主板的销栓孔15和二级主板的销栓孔16与工程结构销栓联接。
Claims (1)
1.一种超弹性形状记忆合金-摩擦串联复合阻尼器，由一级主板(1)、前副板(2)、右动杆(3)、超弹性形状记忆合金丝(4)、限位套筒(5)、左动杆(6)、高强螺栓(7)、二级主板(8)、后副板(9)、摩擦片(10)、夹具(11)和弹簧夹圈(12)组成，其特征是：一级主板(1)和二级主板(8)分离布置在同一平面，其外侧对称布置着前副板(2)和后副板(9)；限位套筒(5)分别设在一级主板(1)与前副板(2)之间以及一级主板(1)与后副板(9)之间；左动杆(6)穿过前副板(2)、限位套筒(5)、一级主板(1)和后副板(9)；右动杆(3)穿过前副板(2)、一级主板(1)和后副板(9)；弹簧夹圈(12)分别夹持在左动杆(6)和右动杆(3)上，靠近前副板(2)和后副板(9)的外表面；超弹性形状记忆合金丝(4)缠绕在左动杆(6)和右动杆(3)上，对称布置在前副板(2)和后副板(9)的外侧，并由夹具(11)固定在左动杆(6)上；摩擦片(10)分别设在二级主板(8)与前副板(2)之间以及二级主板(8)与后副板(9)之间；前副板(2)和后副板(9)分别与摩擦片(10)采用环氧树脂粘结，高强螺栓(7)将粘有摩擦片(10)的前副板(2)、二级主板(8)和粘有摩擦片(10)的后副板(9)联接；拉力作用下，一级主板(1)远离二级主板(8)，一级主板(1)带动右动杆(3)运动，而左动杆(6)被前副板(2)和后副板(9)阻挡；压力作用下，一级主板(1)靠近二级主板(8)运动，一级主板(1)带动左动杆(6)运动，而右动杆(3)被前副板(2)和后副板(9)阻挡。
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