CN109024960A - 一种sma自复位摩擦阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SMA自复位摩擦阻尼器，利用内拉压板、外拉压板、记忆合金棒、竖挡板和限位挡板组成自复位装置，将摩擦板和摩擦层与摩擦板和摩擦层结合，当内拉压板和外拉压板产生相对运动时，通过竖挡板和限位挡板组将内拉压板和外拉压板的相对运动变换成记忆合金棒受拉状态，同时内拉压板和外拉压板之间的摩擦层共同作用以耗散结构的能量输入，利用记忆合金棒的材料性能实现阻尼缓冲，同时由摩擦变形进行大量能量耗散，减小地震中建筑结构受力构件的能量耗散吸收，从而达到保护建筑结构的作用，利用记忆合金棒的超弹性特性实现地震后减小乃至消除建筑的残余变形，减少结构的震后修复费用；本装置结构简单，初始耗能能力强。

Description

一种SMA自复位摩擦阻尼器

技术领域

本发明涉及混凝土建筑结构及桥梁结构领域，尤其涉及的是SMA自复位 摩擦阻尼器。

背景技术

地震作为人类长期以来面临的一种危害性极强的自然灾害，具有特发性 和不可预测性，地震所造成的大量人员伤亡以及建筑物的破坏或倒塌，会对 社会和经济造成极大的冲击。当建筑物遭遇高于本地区设防烈度的强地震作 用时，即使保持了结构的整体完整性，但由于变形过大、部分构件的严重破 坏而需要大范围的加固修复，甚至只能推倒重建，造成了巨大的浪费，影响 了人们的正常生活。在我国抗震设计规范中，主要利用提高结构的刚度和强 度等方式来抵抗地震，然而这些均为结构本身耗散地震能量，对结构主体影响较大，并且由于地震的不确定性，结构尚不能通过自身调节来适应各种强 度下的地震作用，很可能不满足安全性和稳定性而产生坍塌破坏。这样既不 经济又达不到预期的效果。近年来随着科技与经济的发展，功能可恢复结构 成为下一代建筑结构抗震设计的核心内容，该结构不仅能够消耗地震输入分 能量，实现分灾功能，控制结构的失效路径，而且震后能很快的恢复其正常 使用功能，如体外预应力自复位框架结构、摇摆剪力墙、放置自复位耗能元 件的框架结构。

自复位耗能元件由于其耗能效果理想，残余变形小，且用于建筑结构中 布置方便而受研究人员青睐。目前自复位耗能元件主要有预压弹簧自复位耗 能元件、具有自复位功能的磁流体变阻尼耗能支撑、形状记忆合金自复位阻 尼器。采用弹簧(叠簧)来提供自复位能力，存在弹簧刚度大，变形差；具 有自复位功能的磁流体变阻尼耗能元件是采用新型智能材料磁流变液来实现 半主动控制，但由于该智能材料的特殊性，需要外界通过控制电流提供磁场 输入从而得到控制力，该控制路径致使做出来的耗能元件存在构造复杂，并 且该材料为液体使得耗能元件密封困难，易出现漏液，且连接部位主要通过 焊接实现，容易产生残余变形与残余应力。

形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)是一类在近几十年来 应用于土木工程、汽车等领域的新型材料，其所具有的形状记忆效应和超弹 性效应，使得SMA可用于作为阻尼器的主要材料。利用SMA开发的阻尼器 强度高，以及在大变形循环中可保持良好的可靠性、抗腐蚀性、抗疲劳性， SMA阻尼器在经历较大变形后能够自动恢复原状的特点，更是常规阻尼器所 不具备的。现有的SMA阻尼器多用铁基记忆合金丝来提供自复位能力，此类记忆合金需加热才能回复到变性前状态，且由于直径小，为了达到一定的 自复位效果，对SMA丝材的用量较大，结构较为复杂，不便于制作加工， 且在拉压状态下部分SMA丝材处于空闲状态，利用率不高，这些原因都致 使阻尼器的整体耗能效果和自复位效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供SMA自复位摩擦阻尼器，以克服现有技术的不 足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种SMA自复位摩擦阻尼器，包括自复位装置和摩擦耗能装置，自复 位装置包括内拉压板、外拉压板、记忆合金棒、竖挡板和限位挡板；所述摩 擦耗能装置包括摩擦板和摩擦层；

外拉压板一端用于连接建筑物，另一端为凹型结构，外拉压板的凹型结 构内垂直于外拉压板长度方向设有两个限位挡板，两个限位挡板的外侧分别 设有一个竖挡板，内拉压板一端穿过两个限位挡板能够沿外拉压板长度方向 滑动，内拉压板上设有两个限位孔，两个竖挡板分别位于两个限位孔内，竖 挡板的外侧面与限位孔内侧面接触，记忆合金棒穿过两个竖挡板和两个限位 挡板，两个记忆合金棒两端分别与两个竖挡板固定；记忆合金棒平行于内拉 压板设置；两个限位挡板之间部分的内拉压板两侧分别设有一个摩擦板，摩擦板与内拉压板之间设有摩擦层，两个摩擦板之间固定连接，摩擦板、内拉 压板与摩擦层三者之间能够相对滑动；摩擦板两端与限位挡板内表面接触。

进一步的，两个限位挡板之间至少设有两个平行于内拉压板的记忆合金 棒。

进一步的，记忆合金棒的两端通过螺母紧固。

进一步的两个限位挡板之间部分的内拉压板两侧分别设有上摩擦板和 下摩擦板，两个摩擦板之间通过螺栓组紧固，两个限位挡板之间部分的内拉 压板上设有用于螺栓组穿过的摩擦限位孔，初始状态时，螺栓组与限位挡板 不接触，螺栓组位于摩擦限位孔中间位置。

进一步的，外拉压板的凹型结构内垂直于外拉压板长度方向设有左限位 挡板和右限位挡板，左限位挡板和右限位挡板与外拉压板通过焊接或铰接件 固定连接；左限位挡板外侧贴设有左竖挡板，右限位挡板外侧贴设有右竖挡 板，内拉压板上设有左限位孔和右限位孔。

进一步的，内拉压板另一端用于连接建筑物，外拉压板与内拉压板连接 建筑物一端均设有安装孔。

进一步的，限位孔的最大宽度b_x等于记忆合金棒达到其最大可恢复应变 时的变形伸长量加上竖挡板的厚度：

b_x＝l_sε_s+t₁

其中l_s为SMA棒的有效工作长度，ε_s为记忆合金棒的最大可恢复应变， t₁为竖挡板的厚度。

进一步的，摩擦限位孔长度l最小取值为2b_x。

进一步的，摩擦耗能装置的启动力F_m不大于1/2f_yA_s，f_y为记忆合金最大 恢复应力，f_yA_s为记忆合金棒最大的恢复力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种SMA自复位摩擦阻尼器，通过设置自复位装置和摩擦耗能 装置，利用内拉压板、外拉压板、记忆合金棒、竖挡板和限位挡板组成自复 位装置，将摩擦板和摩擦层与摩擦板和摩擦层结合，当内拉压板和外拉压板 产生相对运动时，通过竖挡板和限位挡板组将内拉压板和外拉压板的相对运 动变换成记忆合金棒受拉状态，同时内拉压板和外拉压板之间的摩擦层共同 作用以耗散结构的能量输入，利用记忆合金棒的材料性能实现阻尼缓冲，不 用考虑记忆合金棒在受压时平面外变形的问题，由摩擦变形进行大量能量耗散，减小地震中建筑结构受力构件的能量耗散吸收，从而达到保护建筑结构 的作用，阻尼器中的记忆合金棒的超弹性可实现在震后阻尼器恢复到初始状 态，从而实现地震后减小乃至消除建筑的残余变形，减少结构的震后修复费 用；本装置变形能力强，记忆合金自复位耗能阻尼器不仅能提供较大的阻尼 力，初始耗能能力强，且利用记忆合金棒和摩擦层分级耗能，降低了阻尼器 的成本，适用于各阶段的结构耗能需求，可减小建筑结构的截面尺寸，提供 建筑的空间利用率。

进一步的，限位孔的最大宽度b_x等于记忆合金棒达到其最大可恢复应变 时的变形伸长量加上竖挡板的厚度，能够保证在记忆合金棒达到其最大可恢 复应变变形伸长量时能够启动摩擦层进行摩擦耗能，防止记忆合金棒超变形 失效。

附图说明

图1是本发明的正视图；

图2是本发明的侧视图；

图3是本发明的俯视图。

图4内拉压板示意图

图5外拉压板示意图

图6记忆合金棒的拉压本构关系

图中，1、内拉压板，2、记忆合金棒，3、螺母，4、左竖挡板，5、右竖 挡板，6、左限位挡板，7、右限位挡板，8、上摩擦板，9、下摩擦板，10、 摩擦层，11、螺栓组，12、外拉压板，13、左限位孔，14、右限位孔，15、 摩擦限位孔，16、外侧板，17、安装孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1至图6，SMA自复位摩擦阻尼器，包括自复位装置和摩擦耗能 装置，自复位装置包括内拉压板1、外拉压板12、记忆合金棒2、竖挡板和 限位挡板；所述摩擦耗能装置包括摩擦板和摩擦层10；

外拉压板12一端用于连接建筑物，另一端为凹型结构，外拉压板12的 凹型结构内垂直于外拉压板12长度方向设有两个限位挡板，两个限位挡板的 外侧分别设有一个竖挡板，内拉压板1一端穿过两个限位挡板能够沿外拉压 板12长度方向滑动，内拉压板1上设有两个限位孔，两个竖挡板分别位于两 个限位孔内，竖挡板的外侧面与限位孔内侧面接触，记忆合金棒2穿过两个 竖挡板和两个限位挡板，两个记忆合金棒2两端分别与两个竖挡板固定；记 忆合金棒2平行于内拉压板1设置；两个限位挡板之间部分的内拉压板1两 侧分别设有一个摩擦板，摩擦板与内拉压板1之间设有摩擦层10，两个摩擦 板之间固定连接，摩擦板、内拉压板1与摩擦层10三者之间能够相对滑动； 摩擦板两端与限位挡板内表面接触。

两个限位挡板之间至少设有两个平行于内拉压板1的记忆合金棒2；

记忆合金棒2的两端通过螺母螺母紧固；

其中，两个限位挡板之间部分的内拉压板1两侧分别设有上摩擦板8和 下摩擦板9，两个摩擦板之间通过螺栓组11紧固，两个限位挡板之间部分的 内拉压板1上设有用于螺栓组11穿过的摩擦限位孔15，初始状态时，螺栓 组11与限位挡板不接触，螺栓组11位于摩擦限位孔15中间位置。

外拉压板12的凹型结构内垂直于外拉压板12长度方向设有左限位挡板 6和右限位挡板7，左限位挡板6和右限位挡板7与外拉压板12通过焊接或 铰接件固定连接；左限位挡板6外侧贴设有左竖挡板4，右限位挡板7外侧 贴设有右竖挡板5，内拉压板1上设有左限位孔13和右限位孔14，左限位孔 13的右端面与左竖挡板4右端面接触，右限位孔14的左端面与右竖挡板5 的左端面接触；

内拉压板1另一端用于连接建筑物，外拉压板12与内拉压板1连接建筑 物一端均设有安装孔17；

本发明提供的SMA自复位摩擦阻尼器的制作方法及耗能原理包括以下 步骤：

(1)阻尼器尺寸设计：根据建筑结构所需耗能能力和恢复力计算得出阻尼 器相关尺寸，并通过ABAQUS进行有限元模拟得出滞回曲线以对该尺寸下 的阻尼器性能进行优化评估。本发明按照提供500kN的恢复力对SMA自复 位摩擦阻尼器进行的尺寸设计，该阻尼器外围长度为1200mm，宽度为 300mm，高度为270mm，选用记忆合金棒2的直径为12mm，长度为700mm。 钢材选用65Mn钢(材料性能应满足GB/T 1222-2007)，摩擦层选用压制式无 石棉摩擦板TRH3025(还可选用加铅橡胶粘弹性材料等)裁制而成，摩擦板 厚度t为5mm，共四层。

(2)记忆合金(SMA)棒2的加工处理：根据公式(1)对SMA棒2两端 部套丝长度进行计算，套丝间距及套丝深度严格按照GB/T 15756上相关规 定尺寸(根据母材直径进行尺寸选取)进行制作，并购买相应尺寸精制六角 螺母3(按GB/T 6170标准)，螺母长度l_n宜选取l_t-20mm，用于锚固SMA 棒2。如图4所示，本案例中记忆合金棒4长度为700mm，两端各套丝长度 为60mm，螺母3规格选用M6，长度为40mm。

f_uA_s＝σ_t×πd_s×l_t (1)

其中f_u为SMA棒的极限抗拉强度，A_s为所有SMA棒2的截面面积，σ_t为SMA棒套丝螺纹的许用挤压应力，d_s为SMA棒的公称直径，l_t为最小套 丝长度。

(3)如图1所示，本发明所述阻尼器组装过程如下。

先组装摩擦耗能装置：在下摩擦板9上铺设摩擦层10，摩擦层采用压制 式无石棉摩擦板TRH3025裁制而成，摩擦板厚度t为5mm，共四层；然后 如图1和图4所示，在摩擦层10上放置开有摩擦限位孔15的内拉压板1， 摩擦限位孔15长度l设定为摩擦层10耗能时的滑动距离，摩擦限位孔15长 度l最小取值为2b_x，b_x为左限位孔13或右限位孔14宽度；在内拉压板1上 再铺设摩擦层10，再使用上摩擦板8对摩擦层10进行覆盖。放置完成后， 用高性能加压螺栓组11将摩擦耗能装置进行施压固定，螺栓组施加的压力即 两个摩擦板之间的压力F_n根据该阻尼器中所需耗能装置发挥作用的启动力 F_m而定，具体计算按公式(3)计算；其中摩擦耗能装置的启动力F_m不大于 1/2f_yA_s，f_y为记忆合金最大恢复应力，f_yA_s为记忆合金棒最大的恢复力，可根 据使用状态进行计算选取，本发明中摩擦耗能装置启动力为100kN，螺栓施 加的压力F_n为10kN：

F_n＝F_m/(4nμ) (3)

其中n为高性能加压螺栓组个数，μ为摩擦层与内拉压板之间的摩擦系 数。

摩擦耗能装置安装好后，将左竖挡板4和右竖挡板5分别放入内拉压板 1的左限位孔13和右限位孔14中，后将左竖挡板4和右竖挡板5分别贴近 限位孔的内侧，限位孔的最大宽度b_x按公式(2)计算，即为记忆合金棒2 达到其最大可恢复应变时的变形伸长量加上竖挡板的厚度：

b_x＝l_sε_s+t₁ (2)

其中l_s为SMA棒的有效工作长度，ε_s为SMA棒的最大可恢复应变，t₁为竖挡板的厚度；SMA棒的有效工作长度与SMA棒的最大可恢复应变乘积 为记忆合金棒2达到其最大可恢复应变时的变形伸长量；

将四根记忆合金棒2先穿过左限位挡板6和右限位挡板7，左限位挡板6 和右限位挡板7分别位于上摩擦板和下摩擦板端部的外侧，并穿过放置于左 限位孔13和右限位孔14的左竖挡板4和右竖挡板5，所述左竖挡板4和右 竖挡板5分别贴紧左限位挡板6和右限位挡板7，后用精制六角螺母3将四 根记忆合金棒2两端分别固定在左竖挡板4和右竖挡板5上，完成阻尼器核 心部件的组装；

将组装好的自复位装置中的左限位挡板6和右限位挡板7分别焊接或通 过上摩擦板上的铰接板进行机械固定在外拉压板12的上下两块封闭板上；

(4)阻尼器密封，自复位装置与摩擦耗能装置安装完成后，利用两块外侧 板16对阻尼器进行密封。通过在上下上摩擦板8上的刻槽对外侧板16进行 固定，采用机械连接，尽量避免焊接而产生的残余应力和残余变形；并在外 侧板16中部进行刻槽，用于放置内拉压板1，刻槽需表面处理光滑，并涂抹 润滑剂，以使内拉压板1能自由滑动。

(5)本发明的工作方法及工作过程。

本发明的工作方法及工作过程如下所示：

当SMA自复位摩擦阻尼器受拉时，内拉压板1相对于外拉压板12向外 (右)运动，与摩擦层10产生相对滑动摩擦而消耗大量能量，同时右限位孔 14内侧推动右竖挡板5，右竖向挡板5拉动SMA棒2，SMA棒2左端与左 竖向挡板固定，SMA棒2受到拉力产生变形进行耗能。由于SMA材料具有 超弹性的特性，卸载后会产生向左的恢复力，带动右竖向挡板5向左运动， 右竖挡板5通过推动右限位孔14内侧带动内拉压板1向左运动，拉压板与摩 擦层10亦产生相对滑动而消耗大量能量，最后记忆合金棒2带动阻尼器中的 摩擦耗能装置恢复至原始状态而不留残余变形，当在此过程中记忆合金会耗 散部分能量，左右运动过程中摩擦装置会消耗大量能量。

同理，当SMA自复位摩擦阻尼器受拉时，内拉压板1相对于外拉压板 12向内(左)运动，内拉压板1与摩擦层10产生相对滑动摩擦而消耗大量 能量，同时左限位孔13内侧推动左竖挡板4，左竖向挡板4拉动SMA棒2， SMA棒2右端与右竖向挡板5固定，SMA棒2受到拉力产生变形进行耗能， 由于SMA材料具有超弹性的特性，卸载后会产生向右的恢复力，带动左竖挡板4向右运动，左竖挡板4通过推动左限位孔13内侧带动内拉压板1向右 运动，拉压板与摩擦层10亦产生相对滑动而消耗大量能量，最后记忆合金棒 2带动阻尼器中的摩擦耗能装置恢复至原始状态而不留残余变形，当在此过 程中记忆合金会耗散部分能量，左右运动过程中摩擦装置会消耗大量能量。

在这个拉压循环耗能过程中，摩擦耗能装置一直工作，耗散大量地震等 输入的能量，大大减小建筑结构或桥梁结构受力构件的能量输入，从而达到 保护结构的作用。在阻尼器工作受力过程中，SMA棒2始终承受拉力，能有 效利用SMA的材料性能，而不用考虑SMA棒2在受压时平面外变形的问题， 还可以根据耗能和自复位要求对SMA棒的长度进行合理范围内(主要考虑 阻尼器尺寸的影响)随心的增长。且由于SMA材料具有超弹性的特性，耗能结束后，阻尼器几乎无残余变形。高层等建筑结构或桥梁结构中正常使用 状态，在风荷载、城市地铁震动荷载、桥梁上车辆荷载或小震作用下，亦可 发挥作用，可迅速进入工作阶段，进行耗能，减小乃至消除建筑结构的受力 后的残余变形。

本发明的具体优点是：

(1)本发明提供的SMA自复位摩擦阻尼器构造简单，自复位摩擦耗能装 置为装配式，方便工厂式量化生产，使用方便灵活，与建筑结构连接方便， 实用性强。

(2)本发明提供的SMA自复位摩擦阻尼器主要构件是通过铣制得到，主 要受力与传力部分为一个整体，主要受力部位没有焊接，避免因焊接导致的 钢材金相组织和机械性能发生变化及焊接残余应力，使得构件受力性能更加 稳定。自复位装置与摩擦装置明确，结构整体构造简单，所用到的构件种类 少，使得支撑的加工与安装方便。

(3)该SMA自复位摩擦阻尼器能在正常使用状态下的建筑结构或桥梁 结构进行工作。即在风荷载、城市地铁等震动荷载、桥梁结构的车辆荷载或 小震等作用下，迅速进入工作阶段，进行耗能，从而减小乃至消除结构的受 力变形，延长结构的使用寿命。

(4)在中震、大震或罕遇地震作用下，该SMA自复位摩擦阻尼器主要由 摩擦变形进行大量能量耗散，减小地震中建筑结构受力构件的能量耗散吸收， 从而达到保护建筑结构的作用。阻尼器中的记忆合金棒的超弹性可实现在震 后阻尼器恢复到初始状态，从而实现地震后减小乃至消除建筑的残余变形， 减少结构的震后修复费用。

(5)与其他耗能装置相比，本发明提供的SMA自复位摩擦阻尼器变形能 力强，可满足一般结构的变形需求。还可根据相关建筑结构需求进行小变形、 大变形等不同设计，且可实现变形可控等优良特点。

(6)SMA自复位摩擦阻尼器不仅能提供较大的阻尼力，且利用SMA棒主 要用于减小或消除残余变形，利用摩擦耗能装置进行能量耗散，减少了SMA 材料的使用，降低了阻尼器的成本。

Claims (9)

1.一种SMA自复位摩擦阻尼器，其特征在于，包括自复位装置和摩擦耗能装置，自复位装置包括内拉压板(1)、外拉压板(12)、记忆合金棒(2)、竖挡板和限位挡板；所述摩擦耗能装置包括摩擦板和摩擦层(10)；

外拉压板(12)一端用于连接建筑物，另一端为凹型结构，外拉压板(12)的凹型结构内垂直于外拉压板(12)长度方向设有两个限位挡板，两个限位挡板的外侧分别设有一个竖挡板，内拉压板(1)一端穿过两个限位挡板能够沿外拉压板(12)长度方向滑动，内拉压板(1)上设有两个限位孔，两个竖挡板分别位于两个限位孔内，竖挡板的外侧面与限位孔内侧面接触，记忆合金棒(2)穿过两个竖挡板和两个限位挡板，两个记忆合金棒(2)两端分别与两个竖挡板固定；记忆合金棒(2)平行于内拉压板(1)设置；两个限位挡板之间部分的内拉压板(1)两侧分别设有一个摩擦板，摩擦板与内拉压板(1)之间设有摩擦层(10)，两个摩擦板之间固定连接，摩擦板、内拉压板(1)与摩擦层(10)三者之间能够相对滑动；摩擦板两端与限位挡板内表面接触。

2.根据权利要求1所述的一种SMA自复位摩擦阻尼器，其特征在于，两个限位挡板之间至少设有两个平行于内拉压板(1)的记忆合金棒(2)。

3.根据权利要求1所述的一种SMA自复位摩擦阻尼器，其特征在于，记忆合金棒(2)的两端通过螺母紧固。

4.根据权利要求1所述的一种SMA自复位摩擦阻尼器，其特征在于，两个限位挡板之间部分的内拉压板(1)两侧分别设有上摩擦板(8)和下摩擦板(9)，两个摩擦板之间通过螺栓组(11)紧固，两个限位挡板之间部分的内拉压板(1)上设有用于螺栓组(11)穿过的摩擦限位孔(15)，初始状态时，螺栓组(11)与限位挡板不接触，螺栓组(11)位于摩擦限位孔(15)中间位置。

5.根据权利要求1所述的一种SMA自复位摩擦阻尼器，其特征在于，外拉压板(12)的凹型结构内垂直于外拉压板(12)长度方向设有左限位挡板(6)和右限位挡板(7)，左限位挡板(6)和右限位挡板(7)与外拉压板(12)通过焊接或铰接件固定连接；左限位挡板(6)外侧贴设有左竖挡板(4)，右限位挡板(7)外侧贴设有右竖挡板(5)，内拉压板(1)上设有左限位孔(13)和右限位孔(14)。

6.根据权利要求1所述的一种SMA自复位摩擦阻尼器，其特征在于，内拉压板(1)另一端用于连接建筑物，外拉压板(12)与内拉压板(1)连接建筑物一端均设有安装孔(17)。

7.根据权利要求1所述的一种SMA自复位摩擦阻尼器，其特征在于，限位孔的最大宽度b_x等于记忆合金棒(2)达到其最大可恢复应变时的变形伸长量加上竖挡板的厚度：

b_x＝l_sε_s+t₁ (2)

其中l_s为SMA棒的有效工作长度，ε_s为记忆合金棒(2)的最大可恢复应变，t₁为竖挡板的厚度。

8.根据权利要求7所述的一种SMA自复位摩擦阻尼器，其特征在于，摩擦限位孔(15)长度l最小取值为2b_x。

9.根据权利要求1所述的一种SMA自复位摩擦阻尼器，其特征在于，摩擦耗能装置的启动力F_m不大于1/2f_yA_s，f_y为记忆合金最大恢复应力，f_yA_s为记忆合金棒最大的恢复力。