CN106481132A - 一种圆盘形状记忆合金阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆盘形状记忆合金阻尼器，包括木柱和连接木柱的木梁，在木柱和木梁相连的转角处连接有基座，基座内设有能够沿其转动的转动圆盘，基座通过竖向连接钢板和木柱卡箍固定在木柱内侧；转动圆盘通过L型固定钢板分别连接竖向连接钢板和木梁，转动圆盘通过刚性系杆与木梁底面连接，基座与转动圆盘间的空隙处设有超弹性形状记忆合金丝，通过刚性系杆的上下往复运动带动转动圆盘的往复转动，使得超弹性形状记忆合金丝发生反复拉伸及复位，承受木柱和木梁的内力。本发明采用节点加固方式，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，解决振动产生的动力响应而导致的建筑物倾斜、倒塌，避免建筑物震后的二次纠偏加固。

Description

一种圆盘形状记忆合金阻尼器

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，具体来说就是一种圆盘形状记忆合金阻尼器，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。古建筑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。现代木结构连接方式大多采用钢连接件连接或部分采用榫卯节点连接，但连接较弱，其抗弯刚度较小，属于半刚性连接。上述木结构的节点构造方式造成了木构架整体抗侧刚度不足，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，本发明给出的是一种圆盘形状记忆合金阻尼器，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。

一种圆盘形状记忆合金阻尼器，包括木柱和连接木柱的木梁，在木柱和木梁相连的转角处连接有基座，基座内设有能够沿其转动的转动圆盘，基座通过竖向连接钢板和木柱卡箍固定在木柱内侧；转动圆盘通过L型固定钢板连接其中心圆轴分别连接竖向连接钢板和木梁，转动圆盘通过刚性系杆连接其偏心圆轴与木梁底面连接，所述基座与转动圆盘间的空隙处设有超弹性形状记忆合金丝，通过刚性系杆的上下往复运动带动转动圆盘的往复转动，使得超弹性形状记忆合金丝发生反复拉伸及复位，承受木柱和木梁的内力。

进一步，所述刚性系杆为沿转动圆盘两侧对称布置的双臂杆，其一端与转动圆盘右侧偏心圆轴铰接，另一端与固定在木梁底部的水平连接钢板铰接。

进一步，所述水平连接钢板通过木梁卡箍固定在木梁底面，通过水平连接钢板使刚性系杆沿转动圆盘竖直设置。

进一步，所述竖向连接钢板通过木柱卡箍固定在木柱内侧，一侧与基座焊接固定，上端与木柱和木梁相连的对角节点之间的间隙为10～30mm。

进一步，所述基座与竖向连接钢板焊接一侧开有供木柱卡箍通过的方形通孔。

进一步，所述基座为在顶边削去一角的五边形开孔板，顶边为倾斜边，开孔半径为R，转动圆盘通过基座中的中心圆轴连接在开孔中。

进一步，所述转动圆盘半径小于基座通孔半径50～100mm。

进一步，所述基座孔壁上均布至少2个基座夹具，转动圆盘圆周面上均布与基座孔壁上同等数量的圆盘夹具，超弹性形状记忆合金丝通过交替设置的基座夹具和圆盘夹具固定在基座和转动圆盘上。

进一步，所述超弹性形状记忆合金丝位于基座孔壁与转动圆盘外侧圆周面之间，并且等距依次穿过基座孔壁和转动圆盘圆周面上的夹具，形成闭合线圈。

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，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。

本发明的效果和优点：本发明利用形状记忆合金的自复位、变形后无残余等特点，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，耗能能力也显著提高，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为圆盘形状记忆合金阻尼器示意图；

图2为圆盘形状记忆合金阻尼器后视图；

图3为圆盘形状记忆合金阻尼核心部件装置示意图；

图4(a)-(b)分别为基座及其附属部分的正视图图4(a)A-A剖视图；

图5(a)-(b)分别为转动圆盘及其附属件正视图和图5(a)B-B剖视图；

图6(a)-(b)分别为刚性系杆的正视图和图6(a)C-C剖视图；

图7(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、基座；4、转动圆盘；5、刚性系杆；6、竖向连接钢板；7、水平连接钢板；8、木柱卡箍；9、木梁卡箍；10、基座夹具；11、圆盘夹具；12、超弹性形状记忆合金丝；13、L型固定钢板；14、中心圆轴；15、偏心圆轴。

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、图2所示，一种圆盘形状记忆合金阻尼器，包括木柱1和连接木柱1的木梁2，在木柱1和木梁2相连的转角处连接有基座3，基座3内设有能够沿其转动的转动圆盘4，基座3通过竖向连接钢板6和木柱卡箍8固定在木柱1内侧；转动圆盘4通过L型固定钢板13连接其中心圆轴14分别与竖向连接钢板6和木梁2连接，转动圆盘4通过刚性系杆5连接其偏心圆轴15与木梁2底面连接；基座3与转动圆盘4间的空隙处设有超弹性形状记忆合金丝12，通过刚性系杆5的上下往复运动带动转动圆盘4的往复转动，使得超弹性形状记忆合金丝12反复拉伸及复位，承受木柱1和木梁2的内力。

其中，刚性系杆5为沿转动圆盘两侧对称布置的双臂杆，其一端与转动圆盘的偏心圆轴15铰接，另一端与固定在木梁2底部的水平连接钢板7铰接。水平连接钢板7通过木梁卡箍9固定在木梁2底面，其位置通过使刚性系杆5保持竖直来确定，通过水平连接钢板7使刚性系杆5沿转动圆盘4竖直设置。

竖向连接钢板6通过木柱卡箍8固定在木柱1内侧，其一侧与基座3焊接固定，上端与木柱1和木梁2相连的对角节点之间的间隙为10～30mm。

如图3、图4(a)-(b)所示，基座3与竖向连接钢板6焊接一侧开有供木柱卡箍8通过的方形通孔。基座3为在顶边削去一角的五边形开孔板，顶边为倾斜边，基座3顶边从左到右倾斜，使得与木梁2底部留有一段距离，目的是保证木梁2可以发生微转动。基座3开孔半径为R，转动圆盘4通孔圆心轴处有一半径为r的中心圆轴14，r约为R的八分之一。中心圆轴14两端通过螺栓与L型固定钢板13固定。L型固定钢板13呈前后对称布置，一端与基座3焊接固定，另一端与圆轴14通过螺栓固定。如图5(a)-(b)所示，转动圆盘4中间开通孔，通孔半径比转动圆盘4中心圆轴14半径略大，转动圆盘4半径小于基座3开孔半径50～100mm。

基座3孔壁上均布至少2个基座夹具10(本发明以3个为例)，转动圆盘4圆周面上均布有与基座3孔壁上同等数量的圆盘夹具11，固定超弹性形状记忆合金丝12通过交替设置的基座夹具10和圆盘夹具11固定在基座和转动圆盘上。

如图3所示，超弹性形状记忆合金丝12位于基座3孔壁与转动圆盘4外侧圆周面之间，并且等距依次穿过基座3孔壁和转动圆盘4圆周面上的夹具，形成闭合线圈。

如图6(a)-(b)所示，刚性系杆两端部设有螺钉孔。

如图7(a)-(c)所示，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。

分别在小震和大震作用下，对木结构榫卯节点进行工程分析，根据所要到达的性能要求确定阻尼器的尺寸和参数。

采用本发明阻尼器，小震时，节点转动很小，加固后的节点刚度增大，由形状记忆合金直接承受内力；大震时，节点发生较大转动，带动刚性系杆上下移动，从而带动转动圆盘绕基座中心的固定圆轴往复转动，此时，形状记忆合金发生反复拉伸及复位，耗散大量地震能量，阻尼器开始发挥耗能作用。

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 (10)

1.一种圆盘形状记忆合金阻尼器，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)相连的转角处连接有基座(3),基座(3)内设有能够沿其转动的转动圆盘(4)，基座(3)通过竖向连接钢板(6)和木柱卡箍(8)固定在木柱(1)内侧；转动圆盘(4)通过L型固定钢板(13)连接其中心圆轴(14)分别与竖向连接钢板(6)和木梁(2)连接，转动圆盘(4)通过刚性系杆(5)连接其偏心圆轴(15)与木梁(2)底面连接；所述基座(3)与转动圆盘(4)间的空隙处设有超弹性形状记忆合金丝(12)，通过刚性系杆(5)的上下往复运动带动转动圆盘(4)的往复转动，使得超弹性形状记忆合金丝(12)反复拉伸及复位，承受木柱(1)和木梁(2)的内力。

2.根据权利要求1所述的一种圆盘形状记忆合金阻尼器，其特征在于：所述刚性系杆(5)为沿转动圆盘(4)两侧对称布置的双臂杆，其一端与转动圆盘(4)右侧偏心圆轴(15)铰接，另一端与固定在木梁(2)底部的水平连接钢板(7)铰接。

3.根据权利要求2所述的一种圆盘形状记忆合金阻尼器，其特征在于：所述水平连接钢板(7)通过木梁卡箍(9)固定在木梁(2)底面，通过水平连接钢板(7)使刚性系杆(5)沿转动圆盘(4)竖直设置。

4.根据权利要求1所述的一种圆盘形状记忆合金阻尼器，其特征在于：所述竖向连接钢板(6)通过木柱卡箍(8)固定在木柱(1)内侧，一侧与基座(3)焊接固定，上端与木柱(1)和木梁(2)相连的对角节点之间的间隙为10～30mm。

5.根据权利要求1所述的一种圆盘形状记忆合金阻尼器，其特征在于：所述基座(3)与竖向连接钢板(6)焊接一侧开有供木柱卡箍(8)通过的方形通孔。

6.根据权利要求1所述的一种圆盘形状记忆合金阻尼器，其特征在于：所述基座(3)为在顶边削去一角的五边形开孔板，顶边为倾斜边，开孔半径为R，转动圆盘(4)通过中心圆轴(14)连接在开孔中。

7.根据权利要求6所述的一种圆盘形状记忆合金阻尼器，其特征在于：所述转动圆盘(4)的半径小于基座(3)开孔半径50～100mm。

8.根据权利要求5所述的一种圆盘形状记忆合金阻尼器，其特征在于：所述基座(3)孔壁上均布至少2个基座夹具(10)，转动圆盘(4)圆周面上均布有与基座(3)孔壁上同等数量的圆盘夹具(11)，超弹性形状记忆合金丝(12)通过交替设置的基座夹具(10)和圆盘夹具(11)固定在基座和转动圆盘上。

9.根据权利要求8所述的一种圆盘形状记忆合金阻尼器，其特征在于：所述超弹性形状记忆合金丝(12)位于基座(3)孔壁与转动圆盘(4)外侧圆周面之间，并且等距依次穿过基座(3)孔壁和转动圆盘(4)圆周面上的夹具，形成闭合线圈。

10.根据权利要求1所述的一种圆盘形状记忆合金阻尼器，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，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。