CN105780640B - 一种可复位形状记忆合金多维隔震支座 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可复位SMA多维隔震支座，利用压力平衡原理，把活塞杆和支座上顶板连接起来，通过活塞杆挤压液压缸内粘滞阻尼液体，以便对液压缸内部的压缩氮气做功来消耗能量，达到减弱竖向振动的目的，形成竖向减隔震装置；同时采用形状记忆合金SMA材料，SMA钢丝束把液压缸和支座底板连接起来，利用其超强的抗拉性能，对SMA钢丝束进行预张拉，以充分发挥其超弹性、高阻尼和可恢复性的特点，存储和消耗能量，减弱结构水平方向振动，使支座可复位，形成水平减震装置。本发明实现了桥梁多维减隔震作用，将桥梁结构的竖向和水平振动同时隔离，具有适用范围广、抗疲劳性能强、隔震效果好等特点。

Description

一种可复位形状记忆合金多维隔震支座

技术领域

本发明涉及土木工程领域，特别是一种抗震结构。

背景技术

地震是一种突发性的自然灾害，它不仅严重危害人类生命财产安全，还造成大量基础设施的破坏和倒塌、道路桥梁的阻塞、交通的中断等，更会对灾后救援工作造成严重影响。结构抗震是根据设计基准期内的结构抗震等级和工程要求，在经济合理的条件下使结构物具有足够的抗震能力。科学合理的减震、隔震措施不仅能够大大减少桥梁结构在正常使用状态下的检测、养护和维修费用，还能够提供消耗地震能量所需的阻尼，减小结构地震响应，实现结构的水平和竖向隔震，从而保障交通的正常运行，提高桥梁结构的使用寿命。

形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)是一类对形状有记忆功能的材料，该材料本身具有自感知、自诊断和自适应的功能，超弹性、延展性非常好，可恢复变形可达8％～10％，作为智能材料之一，已广泛应用于各个领域。近年来，SMA在土木工程中的研究与应用也有了较快的发展，目前在土木工程中其主要研究与应用范围包括主动控制器(驱动器)、被动装置(阻尼器和隔震装置)、应用到实际工程的加固原件、SMA智能混凝土等。

传统的隔震装置如铅芯叠层橡胶隔震支座等，在发生较大的变形之后很难恢复到原来的形状，必须进行更新替换。而利用SMA制成的隔震装置在发生变形之后，其可恢复性能够使支座在震后恢复原位，SMA的应力与应变之间形成滞回曲线使它具有很强的能量储存和能量传输能力，利用该特性可增强支座的减震耗能效果，限制支座的过大位移，经卸载或对SMA加热，又可使之变形恢复，而且它的耐久性和抗疲劳性能也要比橡胶好得多。

因此，SMA隔震装置的抗震设计越来越受到大家的关注，例如：Wilde等将SMA棒和叠层橡胶支座结合起来制成了一种新的隔震系统用于高架公路桥的隔震，研究表明，在大地震的情况下，SMA棒不仅可以耗能，还可以起到位移控制器的作用；Dolce和Cardone提出了两类足尺寸被动控制装置(用于框架结构的支撑耗能装置和用于房屋和桥梁的隔震装置)，结果表明两种装置都具有自恢复能力，对小变形具有很大的刚度和良好的耗能能力；Mayes等采用试验方法研究了SMA弹簧隔震装置的性能，结果表明，超弹性SMA隔震装置能够减小动力系统的共振频率和共振幅值。这些实例表明SMA材料虽然形式不同，但都能达到良好的隔震效果，超弹性使结构的自复位能力增强，该材料更多的使用形式和性能开发利用有待继续研究，在实际工程中具有广阔的应用前景。

密闭的气压或液压容器能够具有较高的承载力，支承上部结构时整个结构系统可以具有很低的振动频率，能够获得比较好的隔震效果：有日本学者利用气压或液压系统进行竖向或三维隔震，以减少上部结构地震响应；2002年，Nakamura等提出具有铅芯橡胶支座和双金属风箱空气压力弹簧的三维隔震器；2003年，Ogiso等研究了采用金属风箱作为竖向隔震装置和铅芯橡胶支座作为水平隔震装置的组合三维隔震系统。

与空气弹簧竖向隔震原理类似，有学者提出了液压弹簧竖向隔震系统：2002年，Kajii等提出液压缸三维隔震系统；Kashiwazaki等提出由橡胶支座和一套承载液压缸组成三维隔震系统，承载液压缸与蓄有压缩氮气的储能器相连接；2005年，Shimada等提出一种三维隔震系统，包括一组与蓄能器连接的承载液压缸，该储能器含有压缩气体，串联一组抑制摇摆缸，在每个承载缸下有一个叠层橡胶支座，分析表明该装置具有良好的竖向及水平隔震性能。由此可见，无论采用哪种压强形式，利用该隔震原理设计的装置对结构竖向隔震效果良好。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可复位形状记忆合金多维隔震支座，用于解决现有的桥梁上部结构采用传统橡胶支座位移大、复位能力差、易落梁等抗震能力弱的技术问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可复位形状记忆合金多维隔震支座，用于隔离位于下方的物体对其上方的物体所传递的震动，其特征在于：包括竖向隔震装置和水平隔震装置，其中竖向隔震装置为设置在上下两个物体之间的液压缸型式，水平隔震装置为一端固定在液压缸上的预张拉的形状记忆合金钢丝束，且形状记忆合金钢丝束的张拉方向与液压缸的行程方向垂直。

上述隔震支座可应用于桥梁工程，在桥梁上部结构和下部结构之间设置本发明的支座，能够在正常使用范围内使得上部结构与下部结构之间产生适量的水平和竖向位移，防止落梁的发生，尽可能减少桥梁下部结构向上部结构传递震动。

进一步的，在本发明中，所述形状记忆合金钢丝束设置有多束，围绕液压缸的中轴形成对称预张拉，且每束形状记忆合金钢丝束的张拉预应变相同。这样的对称设置可以限制液压缸在形状记忆合金钢丝束水平所在平面内的位移，应用到桥梁工程中，可以限制桥梁上部结构过大的水平位移，防止落梁现象的发生。

进一步的，在本发明中，还包括连接装置，所述连接装置包括一号支座板和二号支座板，一号支座板和二号支座板分别通过锚固螺栓与相应的上部物体、下部物体相连接；所述液压缸型式的隔震装置包括活塞杆和配套的液压缸，且活塞杆位于液压缸外的一头与一号支座板刚性连接，液压缸的缸底置于表面平滑的钢板上，所述钢板置于二号支座板上，方便液压缸实现在水平面内的滑动；所述二号支座板上固定设置有锚固挡板并配套设置有锚头，所述可复位形状记忆合金钢丝束一端通过锚固固定端与在液压缸的外侧壁刚性连接，另一端通过锚头固定在锚固挡板上。

其中，二号支座板上的锚固挡板对液压缸在可复位形状记忆合金钢丝束所在平面内的振动能起到限位作用，应用于桥梁工程中，可以防止地震作用下落梁现象的发生。

进一步的，在本发明中，液压缸内的液体为粘滞阻尼液体，液压缸内的气体为压缩氮气或惰性气体。活塞上设置有活塞头形成推动系统，通过液压缸内的粘滞阻尼液体与压缩氮气相互作用，实现竖直方向的隔震效果。

有益效果：

本发明利用压力平衡原理，把活塞杆和支座上顶板连接起来，通过活塞杆挤压液压缸内粘滞阻尼液体，据此对压缩氮气做功来消耗结构振动能量，且粘滞阻尼液体本身也能摩擦耗能，既能提供必要的竖向刚度又能达到减弱竖向振动的目的；同时采用SMA材料制成形状记忆合金钢丝束，形状记忆合金钢丝束把液压缸和支座底板连接起来，对形状记忆合金钢丝束进行预张拉，以充分发挥其超弹性、高阻尼和可恢复性的特点，存储和消耗能量，减弱结构水平方向振动，限制水平方向位移，达到自复位的效果；锚固挡板对支座还能起到限位作用，防止强震作用下落梁现象的发生。

本发明应用于桥梁工程，实现了对桥梁上部结构的多维减隔震，在地震作用下，能够同时在水平和竖直两个方向进行隔震，消耗能量，并且自动回复到正常使用状态，防止落梁的产生，避免上部结构的破坏，具有隔震效果好、抗疲劳、耐久性好的特点，可广泛应用于土木工程结构的减隔震中，应用前景好。

附图说明

图1是本发明整体纵向剖面构造示意图；

图2是图1中A-A处的剖面图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1的仰视图；

图5是活塞的纵剖面图；

图6是液压缸的纵剖面图；

图7是液压缸盖端俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

参见图1-7，本发明是一种适用于桥梁结构抗震领域的多维隔震装置。包括液压缸型式的竖向隔震装置和形状记忆合金钢丝束型式的水平隔震装置共同组成的多维隔震装置。

具体结构设置如下：

在桥梁的上部结构和下部结构之间通过连接装置设置本发明中的竖向隔震装置和水平隔震装置。

所述连接装置包括一号支座板1和二号支座板11，一号支座板1和二号支座板11分别各自通过两组锚固螺栓2、12与桥梁的上部结构、桥梁的下部结构固连，每组锚固螺栓包括按照圆形均匀分布的8个；所述液压缸型式的隔震装置包括竖直设置的活塞杆3和配套的液压缸5，液压缸5内的液体为粘滞阻尼液体6，液压缸5内的气体为压缩氮气14，活塞3位于液压缸5外的一头与一号支座板1刚性连接，液压缸5的缸底下方设置一平滑的钢板10后置于二号支座板11上；所述二号支座板11上刚性连接有锚固挡板7或者将锚固挡板7与二号支座板11制作成整体，锚固挡板7配套设置有锚头9，所述形状记忆合金钢丝束8水平设置有8束，且每束均是一端通过锚固固定端13与在液压缸5的外侧壁刚性连接、另一端通过锚头9固定在锚固挡板7上，8束形状记忆合金钢丝束8围绕液压缸5的中轴形成对称预张拉，且每束形状记忆合金钢丝束8的张拉预应变相同，从而形成相同的初应力。

如图5所示为活塞杆3位于液压缸5内一头的具体结构，包括与活塞杆3刚性连接的活塞上钢板4-1，活塞杆3再依次把活塞4、活塞密封圈4-4、活塞垫片4-2、活塞螺母4-3连接起来。

如图6和图7所示，通过液压缸锚固螺栓5-2将液压缸5与端盖5-1连接起来，在活塞杆3与盖端5-1之间设置密封圈5-4，并且在端盖5-1上设置排气孔5-3。

本发明的竖向隔震装置中，在正常使用状况下或发生地震时，桥梁的上部结构产生的竖向振动和荷载通过活塞杆3传递给液压缸5，对液压缸5内压缩氮气15做功，推动活塞5的往复运动，从而消耗能量，粘滞阻尼液体6本身也摩擦耗能，减小上部结构竖向振动响应，该装置利用压强平衡的原理能够使活塞5重新恢复平衡，达到竖直方向的自复位效果。

同时，该发明的水平隔震装置中，形状记忆合金钢丝束8为对称设置且初应力相同，由于锚固固定端13与液压缸5刚性连接，在地震等荷载作用下，允许上部装置带动液压缸5在水平方向发生适量的滑动，由于形状记忆合金钢丝束8的再次张拉和收缩产生的不平衡拉力使液压缸5进行往复运动，利用SMA材料的高阻尼性能进行耗能，减小水平方向的振动，达到隔震效果；锚固挡板7能够限制液压缸5过大的位移，从而防止上部结构的脱落。

具体设计时，根据结构隔震的要求，确定该支座各组成部件的材性、尺寸。相关设计参数由结构模态分析获取的基频决定，根据竖向位移限值要求选择合适的液压缸5初压强，根据最大承压要求选择液压缸5的材料和厚度等尺寸，同时根据水平位移的限值要求选择合适的形状记忆合金钢丝束8的初应变、钢丝束面积、锚固挡板7的高度等尺寸要求。

以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种可复位形状记忆合金多维隔震支座，用于隔离位于下方的物体对其上方的物体所传递的震动，其特征在于：包括竖向隔震装置和水平隔震装置，其中竖向隔震装置为设置在上下两个物体之间的液压缸型式，水平隔震装置为一端固定在液压缸上的预张拉的形状记忆合金钢丝束(8)，且形状记忆合金钢丝束(8)的张拉方向与液压缸的行程方向垂直；

还包括连接装置，所述连接装置包括一号支座板(1)和二号支座板(11)，一号支座板(1)和二号支座板(11)分别通过锚固螺栓(2、12)与相应的上部物体、下部物体相连接；所述液压缸型式的隔震装置包括活塞杆(3)和配套的液压缸(5)，且活塞杆(3)位于液压缸(5)外的一头与一号支座板(1)刚性连接，液压缸(5)的缸底置于表面平滑的钢板(10)上，所述钢板(10)置于二号支座板(11)上；所述二号支座板(11)上固定设置有锚固挡板(7)并配套设置有锚头(9)，所述形状记忆合金钢丝束(8)一端通过锚固固定端(13)与在液压缸(5)的外侧壁刚性连接，另一端通过锚头(9)固定在锚固挡板(7)上。

2.根据权利要求1中所述的可复位形状记忆合金多维隔震支座，其特征在于：所述形状记忆合金钢丝束(8)设置有多束，围绕液压缸的中轴形成对称预张拉，且每束形状记忆合金钢丝束(8)的张拉预应变相同。

3.根据权利要求1所述的可复位形状记忆合金多维隔震支座，其特征在于：液压缸(5)内的液体为粘滞阻尼液体，液压缸(5)内的气体为压缩氮气或惰性气体。