CN106968500A - 一种sma自复位延性钢支撑 - Google Patents

Abstract

本发明是一种SMA自复位延性钢支撑，该支撑主要由矩形钢板、开孔端板、开洞钢管、可移动滑块、形状记忆合金束/丝以及相应的连接部件组成，所述矩形钢板一端焊接、一端通过端部锚具与端板夹紧，并通过接触传力，所述滑块置于钢管开洞部位，并在其上对称缠绕形状记忆合金束/丝，当内支撑与钢管相对运动时，利用两组实现捏缩滞回特征的受拉矩形钢板耗能并提供刚度和承载力，以及缠绕在滑块上始终处于受拉状态的形状记忆合金束/丝实现复位功能。本发明的SMA自复位延性钢支撑具有复位能力好，轴向变形能力强、轴向刚度大、承载力高、造价较低、施工方便等优点。适合作为抗震结构的主要抗侧力构件，在地震设防区具有广泛的工程应用前景。

Description

一种SMA自复位延性钢支撑

技术领域

本发明属于土木工程结构抗震技术领域，具体涉及一种应用于工程结构中的新型自复位延性钢支撑。

背景技术

地震是导致结构使用功能中断甚至倒塌的主要原因之一，虽然现行的结构抗震设计已满足“大震不倒”的要求，但强烈地震下由于地震的无规则往复振动极易导致结构出现严重损伤，结构震后产生过大的残余变形，从而增加了结构震后的修复难度，造成了巨大的经济损失。因此，研发一种震后残余变形小、具有自复位功能的新型抗侧力构件对降低结构震害、减小震后经济损失具有重要意义。

目前，国内外已有的自复位钢支撑实现的主要思路是采用具有饱满滞回特征的耗能装置和复位装置的组合实现耗能及复位双重功能。在遭遇地震作用时，通过耗能装置提供刚度、承载力，并实现耗能，利用复位装置减少结构的震后残余变形，实现复位功能。自复位支撑中采用的耗能装置往往具有稳定、饱满的滞回特征，卸载后会产生过大的塑性残余变形。复位装置常采用预应力钢绞线、形状记忆合金丝/束（Shape Memory Alloys，简称SMA）、弹簧。但已有的自复位钢支撑仍存在一定缺点：（1）采用预应力钢绞线作为复位装置时，由于支撑长度有限，且钢绞线需确保处于弹性状态，导致自复位钢支撑的轴向变形能力不足。此外，过于饱满的耗能装置会显著增加钢绞线的用量。在钢绞线中所施加的预应力也会对周边部件产生过大的附加应力；（2）采用SMA作为复位装置时，虽然可实现较大的轴向变形，但由于耗能装置滞回曲线过于饱满导致实现复位能力的SMA线材用量巨大，造价昂贵。为克服上述缺点，有必要开发一种造价较低、复位效果良好、轴向变形能力强的新型SMA自复位延性钢支撑。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种复位能力好、变形能力强、轴向刚度和轴向承载力可控、SMA用量最少的新型自复位延性钢支撑，该支撑的轴向承载力及轴向刚度由具有捏缩滞回特征的矩形钢板或钢带提供，通过利用少量施加预应力的形状记忆合金线材的超弹性性能实现复位功能，在确保实现复位功能的同时材料用量最少，降低造价。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种SMA自复位延性钢支撑，该钢支撑包括第一耗能钢板组、第二耗能钢板组和复位元件组，其中：

所述第一耗能钢板组的上部固接于第一上部端板上，第一耗能钢板组的下部依次穿过一内部端板和内支撑端板后通过第一端部锚具锚固于内支撑端板的下表面上；

所述第二耗能钢板组的上部固接于第二上部端板上，第二耗能钢板组的下部穿过内部端板后通过第二端部锚具锚固于内部端板的下表面上；

该钢支撑还包括有T形内部支撑组件和外部套管组件，所述T形内部支撑组件的上部固接于第二上部端板上，T形内部支撑组件的下部依次穿过第一上部端板和内部端板后固接于内支撑端板上，所述外部套管组件内设置第一耗能钢板组、第二耗能钢板组和T形内部支撑组件，外部套管组件的两端分别固接有第一上部端板和下部端板；

所述复位元件组包括第一滑块、第二滑块和形状记忆合金束，所述外部套管组件的上部和下部侧面上设有孔槽，所述第一滑块和第二滑块分别滑动地设置在上部和下部的孔槽内，在所述第一滑块和第二滑块之间的T形内部支撑组件上分别设有第一连接板和第二连接板，所述第一连接板抵靠第一滑块，所述第二连接板抵靠第二滑块，所述第一连接板和第二连接板对第一滑块和第二滑块之间的相向行程进行限位，所述第一滑块和第二滑块之间缠绕有形状记忆合金束，并且所述形状记忆合金束对第一滑块和第二滑块施加预应力达到初始设计状态。

进一步的，所述第一耗能钢板组由第一矩形钢板、第二矩形钢板、第三矩形钢板和第四矩形钢板组成，所述内部端板上设有若干通孔，用于第二耗能钢板组穿过，所述第一矩形钢板、第二矩形钢板、第三矩形钢板和第四矩形钢板的底端分别固接一个第一端部锚具，第一耗能钢板组受拉时第一端部锚具与内支撑端板的下端面接触锚固。

进一步的，所述第二耗能钢板组由第五矩形钢板、第六矩形钢板、第七矩形钢板和第八矩形钢板组成，所述内部端板和内支撑端板上设有若干通孔，用于第一耗能钢板组穿过，所述第五矩形钢板、第六矩形钢板、第七矩形钢板和第八矩形钢板的底端分别固接一个第二端部锚具，第二耗能钢板组受拉时第二端部锚具与内部端板的下端面接触锚固。

进一步的，所述T形内部支撑组件由第一T形内部支撑和第二T形内部支撑组成，所述第一T形内部支撑与第二T形内部支撑之间通过第一连接板和第二连接板相连接。

进一步的，所述内部端板焊接于外部套管组件内部的预设位置。

进一步的，所述第二上部端板上焊接有上部连接板铰，所述下部端板上焊接有下部连接板铰，用于连接外部的相应框架结构。

进一步的，所述形状记忆合金束根据第一耗能钢板组、第二耗能钢板组滞回曲线的第二、四象限所需的恢复力确定最少用量。

进一步的，所述形状记忆合金束受拉时由从奥氏体转向马氏体，用于产生相变耗能。

本发明的有益效果是:

本发明的SMA自复位延性钢支撑不仅具有理想的复位能力、可控的轴向承载力及轴向刚度、良好的轴向变形能力、造价较低、施工方便等优点，由于复位材料选用了形状记忆合金束/丝，该支撑还具有抗疲劳性能好、阻尼能力强、可恢复变形大及性能稳定等特点；在多遇地震、偶遇地震或风荷载作用下，可利用矩形钢板及预应力形状记忆合金束/丝共同提供刚度及承载力，有效控制了安装该支撑的结构层间变形；在强烈地震作用下，利用矩形钢板的塑性发展、形状记忆合金束/丝的相变耗能提供结构的整体耗能，并实现钢支撑的轴向变形能力及延性行为；因此，该钢支撑非常适合作为抗震结构的主要抗侧力构件，在地震设防区具有广泛的工程应用前景。

附图说明

图1是本发明的分解结构示意图；

图2是本发明的结构及工作原理图；

图3是本发明图2中的A-A剖面图。

图中标号说明：1、第一矩形钢板，2、第二矩形钢板，3、第三矩形钢板，4、第四矩形钢板，5、第五矩形钢板，6、第六矩形钢板，7、第七矩形钢板，8、第八矩形钢板，9-12、第一端部锚具，13-16、第二端部锚具，17、内部端板，18、第一上部端板，19、外部方钢管，20、下部端板，21、下部连接板铰，22、第二上部端板，23、上部连接板铰，24、第一T形内部支撑，25、第二T形内部支撑，26、第一连接板，27、第二连接板，28、内支撑端板，29、第一滑块，30、第二滑块，31、第一形状记忆合金束，32、第二形状记忆合金束。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

如图1至图3所示，一种SMA自复位延性钢支撑，该钢支撑包括第一耗能钢板组、第二耗能钢板组和复位元件组，其中：

所述第一耗能钢板组的上部固接于第一上部端板18上，第一耗能钢板组的下部依次穿过一内部端板17和内支撑端板28后通过第一端部锚具锚固于内支撑端板28的下表面上；

所述第二耗能钢板组的上部固接于第二上部端板22上，第二耗能钢板组的下部穿过内部端板17后通过第二端部锚具锚固于内部端板17的下表面上；

在本实施例中，第一耗能钢板组和第二耗能钢板组均采用延性矩形钢板

该钢支撑还包括有T形内部支撑组件和外部套管组件，所述T形内部支撑组件的上部固接于第二上部端板22上，T形内部支撑组件的下部依次穿过第一上部端板18和内部端板17后固接于内支撑端板28上，所述外部套管组件内设置第一耗能钢板组、第二耗能钢板组和T形内部支撑组件，外部套管组件的两端分别固接有第一上部端板18和下部端板20；

所述复位元件组包括第一滑块29、第二滑块30和形状记忆合金束，所述外部套管组件的上部和下部侧面上设有孔槽，所述第一滑块29和第二滑块30分别滑动地设置在上部和下部的孔槽内，在所述第一滑块29和第二滑块30之间的T形内部支撑组件上分别设有第一连接板26和第二连接板27，所述第一连接板26抵靠第一滑块29，所述第二连接板27抵靠第二滑块30，所述第一连接板26和第二连接板27对第一滑块29和第二滑块30之间的相向行程进行限位，所述第一滑块29和第二滑块30之间缠绕有形状记忆合金束，并且所述形状记忆合金束对第一滑块29和第二滑块30施加预应力达到初始设计状态，在本实施例中，外部套管组件采用外部方钢管19，形状记忆合金束采用第一形状记忆合金束31和第二形状记忆合金束32两组并排设置。

所述第一耗能钢板组由第一矩形钢板1、第二矩形钢板2、第三矩形钢板3和第四矩形钢板4组成，所述内部端板17上设有若干通孔，用于第二耗能钢板组穿过，所述第一矩形钢板1、第二矩形钢板2、第三矩形钢板3和第四矩形钢板4的底端分别固接一个第一端部锚具，第一耗能钢板组受拉时第一端部锚具与内支撑端板28的下端面接触锚固。

所述第二耗能钢板组由第五矩形钢板5、第六矩形钢板6、第七矩形钢板7和第八矩形钢板8组成，所述内部端板17和内支撑端板28上设有若干通孔，用于第一耗能钢板组穿过，所述第五矩形钢板5、第六矩形钢板6、第七矩形钢板7和第八矩形钢板8的底端分别固接一个第二端部锚具，第二耗能钢板组受拉时第二端部锚具与内部端板17的下端面接触锚固。

所述T形内部支撑组件由第一T形内部支撑24和第二T形内部支撑25组成，所述第一T形内部支撑24与第二T形内部支撑25之间通过第一连接板26和第二连接板27相连接。

所述内部端板17焊接于外部套管组件内部的预设位置。

所述第二上部端板22上焊接有上部连接板铰23，所述下部端板20上焊接有下部连接板铰21，用于连接外部的相应框架结构。

所述形状记忆合金束根据第一耗能钢板组、第二耗能钢板组滞回曲线的第二、四象限所需的恢复力确定最少用量。

所述形状记忆合金束受拉时由从奥氏体转向马氏体，用于产生相变耗能。

本发明原理

如图2中的第一个状态图，本发明中正常使用状态下，由各个矩形钢板和施加预应力的形状记忆合金束共同提供支撑的轴向刚度和承载力；

在往复轴力作用下，第二上部端板22带动第一T形内部支撑24、第二T形内部支撑25、第五矩形钢板5、第六矩形钢板6、第七矩形钢板7、第八矩形钢板8、第一连接板26、第二连接板27、内支撑端板28运动，下部端板20带动方钢管19、第一矩形钢板1、第二矩形钢板2、第三矩形钢板3、第四矩形钢板4、内部端板17和第一上部端板18运动，第一T形内部支撑24及第二T形内部支撑25与外部方钢管19运动方向相反。

（1）如图2中的第二个状态图，图中箭头表示轴力作用方向，当两个T形内部支撑与外部方钢管19相对运动时，内支撑端板28与四个第一端部锚具9-12接触并运动，第一耗能钢板组（即第一矩形钢板1、第二矩形钢板2、第三矩形钢板3、第四矩形钢板4）受拉，第二耗能钢板组（即第五矩形钢板5、第六矩形钢板6、第七矩形钢板7、第八矩形钢板8）通过内部端板17的孔洞伸出而不受力，第二连接板27推动第二滑块30沿轴向运动，第一滑块29接触外部方钢管19上的孔槽固定，缠绕在两个滑块上的两条形状记忆合金束（即第一形状记忆合金束31和第二形状记忆合金束32）受拉，发挥其超弹性特性并提供复位力。

（2）如图2中的第三个状态图，图中箭头表示轴力作用方向，当两个T形内部支撑与外部方钢管19相反运动时，内支撑端板28与四个第一端部锚具9-12脱离，第一耗能钢板组（即第一矩形钢板1、第二矩形钢板2、第三矩形钢板3、第四矩形钢板4）不受力，四个第二端部锚具13-16与内部端板17接触，第二耗能钢板组（即第五矩形钢板5、第六矩形钢板6、第七矩形钢板7、第八矩形钢板8）受拉，第一连接板26推动第一滑块29沿轴向运动，第二滑块30接触外部方钢管19上的孔槽固定，通过缠绕在两个滑块上的两条形状记忆合金束（即第一形状记忆合金束31和第二形状记忆合金束32）受拉，发挥其超弹性特性提供复位力。

（3）综上，第一耗能钢板组和第二耗能钢板组中有一组受拉，此时相应矩形钢板发挥耗能作用，所获得的滞回曲线呈旗帜型捏缩状，且只分布在一、三象限；因此，只需非常少的复位力即可实现理想的复位效果；在往复轴力作用下，SMA自复位延性钢支撑中的形状记忆合金束始终处于受拉状态，这样可减少SMA用量；在钢支撑出现较大的轴向位移时，形状记忆合金束会从奥氏体转向马氏体，产生相变耗能，这也为钢支撑提供一定的耗能能力；因此，具有捏缩滞回特征的矩形钢板和形状记忆合金束共同工作，合成的滞回曲线呈明显的旗帜形状，残余位移几乎为零，复位效果良好；当该支撑需要提供较大的轴向承载力和轴向刚度时，可增加矩形钢板的用量，这样即可实现钢支撑轴向承载力及轴向刚度可控目的；同时，又不会过多增加用于实现复位功能的形状记忆合金束的用量。

这种新型的SMA自复位延性钢支撑充分利用了具有捏缩滞回特征的矩形钢板提供轴向承载力、轴向刚度、耗能能力，利用形状记忆合金束为钢支撑提供复位功能及较大的轴向变形能力，即能减少自复位钢支撑自身的制作成本，还降低了结构震后修复成本，保护了结构的主要受力构件。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”、“第八”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等，另外，在具体实施中，根据设计要求，来确定钢支撑各部件的具体尺寸、延性矩形钢板的数量、形状记忆合金束/丝的用量、形状记忆合金束/丝的预应力大小以及滑块之间的距离。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种SMA自复位延性钢支撑，其特征在于，该钢支撑包括第一耗能钢板组、第二耗能钢板组和复位元件组，其中：

所述第一耗能钢板组的上部固接于第一上部端板上，第一耗能钢板组的下部依次穿过一内部端板和内支撑端板后通过第一端部锚具锚固于内支撑端板的下表面上；

所述第二耗能钢板组的上部固接于第二上部端板上，第二耗能钢板组的下部穿过内部端板后通过第二端部锚具锚固于内部端板的下表面上；

该钢支撑还包括有T形内部支撑组件和外部套管组件，所述T形内部支撑组件的上部固接于第二上部端板上，T形内部支撑组件的下部依次穿过第一上部端板和内部端板后固接于内支撑端板上，所述外部套管组件内设置第一耗能钢板组、第二耗能钢板组和T形内部支撑组件，外部套管组件的两端分别固接有第一上部端板和下部端板；

所述复位元件组包括第一滑块、第二滑块和形状记忆合金束，所述外部套管组件的上部和下部侧面上设有孔槽，所述第一滑块和第二滑块分别滑动地设置在上部和下部的孔槽内，在所述第一滑块和第二滑块之间的T形内部支撑组件上分别设有第一连接板和第二连接板，所述第一连接板抵靠第一滑块，所述第二连接板抵靠第二滑块，所述第一连接板和第二连接板对第一滑块和第二滑块之间的相向行程进行限位，所述第一滑块和第二滑块之间缠绕有形状记忆合金束，并且所述形状记忆合金束对第一滑块和第二滑块施加预应力达到初始设计状态。

2.根据权利要求1所述的SMA自复位延性钢支撑，其特征在于，所述第一耗能钢板组由第一矩形钢板、第二矩形钢板、第三矩形钢板和第四矩形钢板组成，所述内部端板上设有若干通孔，用于第二耗能钢板组穿过，所述第一矩形钢板、第二矩形钢板、第三矩形钢板和第四矩形钢板的底端分别固接一个第一端部锚具，第一耗能钢板组受拉时第一端部锚具与内支撑端板的下端面接触锚固。

3.根据权利要求1所述的SMA自复位延性钢支撑，其特征在于，所述第二耗能钢板组由第五矩形钢板、第六矩形钢板、第七矩形钢板和第八矩形钢板组成，所述内部端板和内支撑端板上设有若干通孔，用于第一耗能钢板组穿过，所述第五矩形钢板、第六矩形钢板、第七矩形钢板和第八矩形钢板的底端分别固接一个第二端部锚具，第二耗能钢板组受拉时第二端部锚具与内部端板的下端面接触锚固。

4.根据权利要求1所述的SMA自复位延性钢支撑，其特征在于，所述T形内部支撑组件由第一T形内部支撑和第二T形内部支撑组成，所述第一T形内部支撑与第二T形内部支撑之间通过第一连接板和第二连接板相连接。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的SMA自复位延性钢支撑，其特征在于，所述内部端板焊接于外部套管组件内部的预设位置。

6.根据权利要求1所述的SMA自复位延性钢支撑，其特征在于，所述第二上部端板上焊接有上部连接板铰，所述下部端板上焊接有下部连接板铰，用于连接外部的相应框架结构。

7.根据权利要求1所述的SMA自复位延性钢支撑，其特征在于，所述形状记忆合金束根据第一耗能钢板组、第二耗能钢板组滞回曲线的第二、四象限所需的恢复力确定最少用量。

8.根据权利要求1所述的SMA自复位延性钢支撑，其特征在于，所述形状记忆合金束受拉时由从奥氏体转向马氏体，用于产生相变耗能。