CN106480991A - 一种形状记忆合金弹簧阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种形状记忆合金弹簧阻尼器，包括木柱和连接木柱的木梁，在木柱和木梁相连的对角上连接有刚性系杆，刚性系杆一端通过木柱卡箍机构铰接在木柱内侧，另一端通过可滑动支座连接在木梁底部的弹簧基座上，形状记忆合金弹簧套在弹簧基座的滑动圆轴上，刚性系杆带动可滑动支座的往复运动，使得形状记忆合金弹簧发生拉伸或压缩，承受木柱和木梁之间的内力。本发明采用节点加固的方法，限制层间侧移，显著提高结构在地震作用下的耗能及自复位能力，从而解决因地震、风振或者机械振动产生的动力响应而导致的建筑物倾斜、倒塌等问题，并避免建筑物震后的二次纠偏加固。

Description

一种形状记忆合金弹簧阻尼器
技术领域
本发明涉及古建筑木结构及现代木结构减震控制、防灾减灾领域，具体来说就是一种形状记忆合金弹簧阻尼器，符合传统木结构古建筑及现代木结构抗震减灾需求。
背景技术
中国古建筑木结构历史悠久，遍布全国各地，蕴含着宝贵的传统营造技艺和建筑文化。现存的古建筑有北京故宫、山西应县木塔、承德避暑山庄、蓟县独乐寺等。现代木结构在建造过程中，主要依赖古建筑木结构的经验，其梁柱连接方式并未发生根本性的改变。木结构梁柱连接方式主要为榫卯连接，即梁端做成榫头形式，柱端做成卯口形式。榫卯连接具有刚柔并济的作用，为典型的半刚性连接。在诸如地震、风荷载作用下，榫卯节点发生挤压变形，榫头松动甚至拔出，其受弯、剪、扭等基本承载能力减弱。这种榫卯节点构造方式造成了木构架抗侧刚度不足，在地震、横风等动力荷载作用下，整体结构容易产生较强的动力响应和较大的层间侧移，从而导致结构遭受严重破坏甚至倒塌。因此，对榫卯节点进行加固以降低木构架的整体动力响应和限制层间侧移是木结构修缮加固的重点。
现行常见的木结构榫卯节点加固方式有很多，比如L型铁箍加固、U型扁钢加固、节点处附加支撑加固、纤维复合增强材料加固等。但是，这些常用的加固方式在大幅度提高了节点刚度的同时，也大幅度地提高了结构整体刚度，而且上述加固方式不具备耗能能力或者仅能提供较小的耗能能力。因此，地震作用下结构的动力响应大幅度提高，使结构潜伏着巨大的安全隐患。此外，震后木构架存在着较大的残余变形，难以自动恢复到初始状态，仍需要二次纠偏加固。
随着科技的发展，阻尼器越来越广泛地应用在结构的加固中。目前，开发应用较多的是基于粘弹性材料、粘滞流体、软钢等材料的阻尼器，但该类材料制作的阻尼器仍然存在着许多缺点，如粘弹性材料的易老化，粘滞阻尼器的再维护成本高，软钢阻尼器的塑性残余变形大等。此外，采用摩擦阻尼器进行加固也是一种常见的类型，其具有良好可靠的耗能能力，且耗能性能受荷载大小、加载频率和加载循环次数的影响较小，但摩擦阻尼器摩擦耗能后存在较大的残余变形，不能自复位。因此，有必要开发一种新型的阻尼器，该阻尼器既要具有良好的耗能能力，又要具有变形后自动恢复到初始状态的能力，如此便可以消除地震后更换阻尼器及二次加固带来的巨额成本，并具有良好的工程应用前景。
形状记忆合金正是开发上述目标阻尼器的理想材料，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，具有显著的形状记忆效应、相变超弹性和高阻尼特性。较其他材料相比，形状记忆合金的抗疲劳性能很好，变形可恢复应变很大(6％～8％)。因此，基于形状记忆合金制成的阻尼器，较其他类型的阻尼器相比，具有变形可自动回复的特点，又具有较高的阻尼耗能能力，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。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种形状记忆合金弹簧阻尼器，其目的是克服以上背景技术存在的缺陷与不足，采用节点加固的方法，限制层间侧移，显著提高结构在地震作用下的耗能及自复位能力，从而解决因地震、风振或者机械振动产生的动力响应而导致的建筑物倾斜、倒塌等问题，并避免建筑物震后的二次纠偏加固。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种形状记忆合金弹簧阻尼器，包括木柱和连接木柱的木梁，在木柱和木梁相连的转角上连接有刚性系杆，刚性系杆一端通过木柱卡箍机构铰接在木柱内侧，另一端通过可滑动支座连接在木梁底部的弹簧基座上，形状记忆合金弹簧套在弹簧基座的滑动圆轴上，刚性系杆带动可滑动支座的往复运动，使得形状记忆合金弹簧发生拉伸或压缩，承受木柱和木梁之间的内力。
进一步，所述木柱卡箍机构包括木柱卡箍，木柱卡箍固定在木柱周壁上，在木柱内侧的木柱卡箍上设有竖向连接钢板，铰支座通过焊接固定在竖向连接钢板上，刚性系杆下端连接在铰支座上。
进一步，所述弹簧基座连接在木梁卡箍上，木梁卡箍固定在木梁周壁上，弹簧基座为框型板结构，其底部框板与木梁底面紧贴，可滑动支座连接在弹簧基座上。
进一步，在所述弹簧基座上设有一对平行分布的滑动圆轴，两个滑动圆轴上分别套有一对相互通过圆轴连接的可滑动圆环构成的可滑动支座，在可滑动圆环的两端分别连接有形状记忆合金弹簧；刚性系杆上端与可滑动圆环的圆轴铰接。
进一步，连接在可滑动圆环两端的形状记忆合金弹簧共有四段，均匀布置在滑动圆轴上，其一端与弹簧基座端部的钢板连接，另一端与滑动圆环连接。
进一步，所述刚性系杆两端分别设有双连接环，刚性系杆一端的双连接环夹持铰支座上的铰环，另一端连接在可滑动支座上的两个可滑动圆环之间的圆轴上。
进一步，所述木柱卡箍和木梁卡箍均由一个框型板连接一个矩形板构成，连接端通过螺栓连接或卡槽形式连接。
本发明的效果和优点：本发明通过加固后的节点刚度增大，由形状记忆合金弹簧直接承受内力；能够耗散大量地震能量，阻尼器发挥耗能作用。利用形状记忆合金弹簧的自复位，变形后无残余特点，加固后的木结构榫卯节点，其抗剪承载能力、抗弯承载能力明显提高，震后可恢复，无残余变形，节点加固后的抗震性能提高使得整个结构抗震性能得到优化。
本发明具有良好的耐久性，抗腐蚀性能和抗疲劳性能。采用卡箍将阻尼器与木结构连接，不使用木钉或木螺丝，对原有结构不产生任何损坏，达到了修旧如旧及保持结构原状的修缮加固原则。
附图说明
图1为形状记忆合金弹簧阻尼器示意图；
图2为基座及其附属部分示意图；
图3(a)-(b)分别为基座、可滑动支座的示意图；
图4(a)-(b)分别为刚性系杆正视图和左视图；
图5(a)-(c)分别为铰支座正视图、右视图和俯视图；
图6(a)-(c)分别为卡箍的正视图、左视图和俯视图。
图中：1、木柱；2、木梁；3、弹簧基座；4、形状记忆合金弹簧；5、可滑动支座；6、刚性系杆；7、铰支座；8、木柱卡箍；9、木梁卡箍；10、竖向连接钢板；11、滑动圆轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1所示，一种形状记忆合金弹簧阻尼器，包括木柱1和连接木柱1的木梁2，在木柱1和木梁2相连的转角上连接有刚性系杆6，刚性系杆6一端通过木柱卡箍机构铰接在木柱1内侧，另一端通过可滑动支座5连接在木梁2底部的弹簧基座3上，形状记忆合金弹簧4套在弹簧基座3的滑动圆轴11上，刚性系杆6带动可滑动支座5的往复运动，使得形状记忆合金弹簧4发生拉伸或压缩，承受木柱1和木梁2之间的内力。
其中，木柱卡箍机构包括木柱卡箍8，木柱卡箍8固定在木柱1周壁上，在木柱1内侧的木柱卡箍8上设有竖向连接钢板10，铰支座7通过焊接固定在竖向连接钢板10上，刚性系杆6下端连接在铰支座7上。
弹簧基座3连接在木梁卡箍9上，木梁卡箍9固定在木梁2周壁上，弹簧基座3为框型板结构，其底部框板与木梁2底面紧贴，可滑动支座5连接在弹簧基座3上。在木梁2底弹簧基座3上连接有一对平行分布的滑动圆轴11，见图2，图3(a)、(b)所示，两个圆轴中间分别套有一对相互通过滑动圆轴11连接的可滑动圆环，两个圆环通过圆轴固定连接在一起，滑动圆轴中间的圆环及其圆环间的固定圆轴共同组成可滑动支座5；在可滑动圆环的两端分别连接有形状记忆合金弹簧4，形状记忆合金弹簧4共有四段，均匀布置在滑动圆轴上，即圆环每侧各有一段形状记忆合金弹簧4，形状记忆合金弹簧4一端与弹簧基座3端部的钢板连接，另一端与滑动圆环连接；刚性系杆6下端与焊接固定在竖向连接钢板10上的铰支座7连接，上端与可滑动支座5中间的可滑动圆环的圆轴铰接。
图4(a)、(b)分别给出了刚性系杆正视图和左视图，图5(a)-(c)分别给出了铰支座正视图、右视图和俯视图。刚性系杆6两端分别设有双连接环，刚性系杆6一端的双连接环夹持铰支座7上的铰环，另一端连接在弹簧基座3上的两个可滑动圆环之间的圆轴上。
图6(a)-(c)分别为卡箍的正视图、左视图和俯视图。木柱卡箍8和木梁卡箍9均由一个框型板连接一个矩形板构成，连接端通过螺栓连接或卡槽形式连接，即在框型板的端部设凸起状的销钉，矩形板对应端设有卡槽进行对接。
小震时，节点转动很小，加固后的节点刚度增大，由形状记忆合金弹簧直接承受内力；大震时，节点往复转动，带动形状记忆合金弹簧发生反复拉伸或压缩，耗散大量地震能量，阻尼器开始发挥耗能作用。利用形状记忆合金弹簧的自复位，变形后无残余特点，加固后的木结构榫卯节点，其抗剪承载能力、抗弯承载能力明显提高，震后可恢复，无残余变形，节点加固后的抗震性能提高使得整个结构抗震性能得到优化。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种形状记忆合金弹簧阻尼器，包括木柱(1)和连接木柱(1)的木梁(2)，其特征在于：在木柱(1)和木梁(2)相连的转角上连接有刚性系杆(6)，刚性系杆(6)一端通过木柱卡箍机构铰接在木柱(1)内侧，另一端通过可滑动支座(5)连接在木梁(2)底部的弹簧基座(3)上，形状记忆合金弹簧(4)套在弹簧基座(3)的滑动圆轴(11)上，刚性系杆(6)带动可滑动支座(5)的往复运动，使得形状记忆合金弹簧(4)发生拉伸或压缩，承受木柱(1)和木梁(2)之间的内力。
2.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金弹簧阻尼器，其特征在于：所述木柱卡箍机构包括木柱卡箍(8)，木柱卡箍(8)固定在木柱(1)周壁上，在木柱(1)内侧的木柱卡箍(8)上设有竖向连接钢板(10)，铰支座(7)通过焊接固定在竖向连接钢板(10)上，刚性系杆(6)下端连接在铰支座(7)上。
3.根据权利要求2所述的一种形状记忆合金弹簧阻尼器，其特征在于：所述弹簧基座(3)连接在木梁卡箍(9)上，木梁卡箍(9)固定在木梁(2)周壁上，弹簧基座(3)为框型板结构，其底部框板与木梁(2)底面紧贴，可滑动支座(5)连接在弹簧基座(3)上。
4.根据权利要求3所述的一种形状记忆合金弹簧阻尼器，其特征在于：在所述弹簧基座(3)上设有一对平行分布的滑动圆轴(11)，两个滑动圆轴上分别套有一对相互通过圆轴连接的可滑动圆环构成的可滑动支座(5)，在可滑动圆环的两端分别连接有形状记忆合金弹簧(4)；刚性系杆(6)上端与可滑动圆环的圆轴铰接。
5.根据权利要求4所述的一种形状记忆合金弹簧阻尼器，其特征在于：连接在可滑动圆环两端的形状记忆合金弹簧(4)共有四段，均匀布置在滑动圆轴上，其一端与弹簧基座(3)端部的钢板连接，另一端与滑动圆环连接。
6.根据权利要求4所述的一种形状记忆合金弹簧阻尼器，其特征在于：所述刚性系杆(6)两端分别设有双连接环，刚性系杆(6)一端的双连接环夹持铰支座(7)上的铰环，另一端连接在可滑动支座(5)上的两个可滑动圆环之间的圆轴上。
7.根据权利要求3所述的一种形状记忆合金弹簧阻尼器，其特征在于：所述木柱卡箍(8)和木梁卡箍(9)均由一个框型板连接一个矩形板构成，连接端通过螺栓连接或卡槽形式连接。
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