CN109024961A - 一种记忆合金自复位耗能阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种记忆合金自复位耗能阻尼器，通过设置两个能够相对滑动的内拉压板和外拉压板，通过竖挡板和限位挡板组组成自复位结构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，利用记忆合金棒的材料性能实现阻尼缓冲，当受力过大时，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，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能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，本装置不仅能提供较大的阻尼力，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。

Description

一种记忆合金自复位耗能阻尼器

技术领域

本发明涉及混凝土建筑结构及桥梁结构领域，尤其涉及的是一种记忆合金自复位耗能阻尼器。

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形前状态，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。

因此需要提供一种新型的记忆合金自复位耗能阻尼器，能实现自复位功能，残余变形小，并能提供良好的耗能效果，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种记忆合金自复位耗能阻尼器，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：

一种记忆合金自复位耗能阻尼器，包括内拉压板、记忆合金棒、竖挡板、限位挡板组、外拉压板和摩擦层；外拉压板一端用于连接建筑物，另一端为凹型结构；限位挡板组为矩形框结构，限位挡板组设置于外拉压板的凹型结构内，能够在外拉压板的凹型结构内滑动，摩擦层设置于限位挡板组与外拉压板相对滑动侧壁之间；内拉压板一端贯穿于限位挡板组，内拉压板上设有两个限位孔，内拉压板的两个限位孔内分别设有一个竖挡板，两个竖挡板分别位于限位挡板组两端且与限位挡板组两端表面接触，两个竖挡板的内侧表面分别与两个限位孔临近一侧的侧面接触；记忆合金棒贯穿于限位挡板组和竖挡板，记忆合金棒两端通过螺母固定于竖挡板外侧；外拉压板上与摩擦层接触一侧设有摩擦限位孔；限位挡板组通过螺栓组与设置于外拉压板外侧的外摩擦板固定；螺栓组穿过摩擦限位孔，且不与摩擦限位孔侧面接触。

进一步的，与内拉压板长度方向平行至少设有2个记忆合金棒。

进一步的，与内拉压板长度方向平行设有4个记忆合金棒。

进一步的，其中限位挡板组包括左限位挡板和右限位挡板，左限位挡板和右限位挡板之间设有至少两个内摩擦板，组成框型结构，内摩擦板的外侧面与外拉压板内侧壁之间设有摩擦层，竖挡板包括左竖挡板和右竖挡板，左竖挡板一侧与左限位挡板外侧面接触，右竖挡板一侧与右限位挡板外侧面接触。

进一步的，内拉压板上设有左限位孔和右限位孔，左竖挡板与左限位挡板接触一端侧面与左限位孔上靠近右限位孔一端侧面接触，右竖挡板与右限位挡板接触一端侧面与右限位孔上靠近左限位孔一端侧面接触。

进一步的，左限位挡板和右限位挡板之间设有两个对称设置的内摩擦板，内摩擦板与内拉压板平行设置，左限位挡板和右限位挡板之间还设有两个与内摩擦板垂直设置的外侧板。

进一步的，外摩擦板上设有用于卡设外侧板的卡槽，外侧板内侧设有用于卡设内拉压板的卡槽。

进一步的，外拉压板用于连接建筑物一端设有螺栓孔；内拉压板另一端连接于建筑物，内拉压板连接于建筑物一侧设有螺栓孔。

进一步的，左限位孔和右限位孔宽度相同，限位孔宽度b_x最大值等于记忆合金棒2有效应变长度与竖挡板厚度之和，即：

b_x＝l_sε_s+t₁

其中l_s为记忆合金棒有效工作长度，ε_s为记忆合金棒2的最大可恢复应变，t₁为竖挡板厚度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种记忆合金自复位耗能阻尼器，通过设置两个能够相对滑动的内拉压板和外拉压板，在内拉压板内设置竖挡板、记忆合金棒和限位挡板组，利用竖挡板、记忆合金棒和限位挡板组组成自复位结构，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，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，当受力过大时，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，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，外摩擦板上设有用于卡设外侧板的卡槽，外侧板内侧设有用于卡设内拉压板的卡槽，避免焊接而产生的残余应力和残余变形；以使内拉压板能自由滑动。

附图说明

图1是本发明的正视图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明的侧视图。

图4内拉压板示意图

图5外拉压板示意图

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、内摩擦板，9、外摩擦板，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、螺栓孔。

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5，本发明一种记忆合金自复位耗能阻尼器，包括内拉压板1、记忆合金棒2、竖挡板、限位挡板组、外拉压板12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；限位挡板组为矩形框结构，限位挡板组设置于外拉压板12的凹型结构内，能够在外拉压板12的凹型结构内滑动，摩擦层10设置于限位挡板组与外拉压板12相对滑动侧壁之间；内拉压板1一端贯穿于限位挡板设置，内拉压板1上设有两个限位孔，内拉压板1的两个限位孔内分别设有一个竖挡板，两个竖挡板分别位于限位挡板组两端且与限位挡板组两端表面接触，两个竖挡板的内侧表面分别与两个限位孔临近一侧的侧面接触；记忆合金棒2贯穿于限位挡板组和竖挡板，记忆合金棒2两端通过螺母3固定于竖挡板外侧；外拉压板12与摩擦层10接触一侧设有摩擦限位孔15；限位挡板组通过螺栓组11与设置于外拉压板12外侧的外摩擦板9固定，螺栓组11穿过摩擦限位孔15，且不与摩擦限位孔15侧面接触。

记忆合金棒2与内拉压板1长度方向平行设置，至少设有2个；

如图1所示，其中限位挡板组包括左限位挡板6和右限位挡板7，左限位挡板6和右限位挡板7之间设有至少两个内摩擦板8，组成框型结构，内摩擦板8的外侧面与外拉压板12内侧壁之间设有摩擦层10；

竖挡板包括左竖挡板4和右竖挡板5，左竖挡板4一侧与左限位挡板6外侧面接触，右竖挡板5一侧与右限位挡板7外侧面接触；

内拉压板1上设有左限位孔13和右限位孔14，左竖挡板4与左限位挡板6接触一端侧面与左限位孔13上靠近右限位孔14一端侧面接触，右竖挡板5与右限位挡板7接触一端侧面与右限位孔14上靠近左限位孔13一端侧面接触；

外拉压板12用于连接建筑物一端设有螺栓孔；内拉压板1另一端连接于建筑物，内拉压板1连接于建筑物一侧设有螺栓孔17；

本发明提供的记忆合金自复位耗能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)，摩擦片选用压制式无石棉摩擦板TRH3025或加铅橡胶粘弹性材料，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)对记忆合金棒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上相关规定尺寸进行制作即根据母材直径进行尺寸选取，并按GB/T 6170标准购买相应尺寸精制六角螺母3，螺母长度l_n选取l_t-20mm，用于锚固SMA棒2；本发明中记忆合金棒2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SMA棒的截面面积，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，本装置组装过程如下：先将左竖挡板4和右竖挡板5分别放置于内拉压板1的左限位孔13和右限位孔14内，左竖挡板4和右竖挡板5分别贴近限位孔的内侧，限位孔位置如图4所示；限位孔宽度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。左限位孔13和右限位孔14之间的距离为记忆合金棒2的有效工作长度：

b_x＝l_sε_s+t₁ (2)

其中l_s为记忆合金棒2有效工作长度，ε_s为记忆合金棒2的最大可恢复应变，t₁为左竖挡板4或右竖挡板5的厚度。

将四根记忆合金棒2穿过左限位挡板6和右限位挡板7，并穿过放置于左限位孔13和右限位孔14内的左竖挡板4和右竖挡板5，然后通过螺母3将记忆合金棒2两端分别固定在左竖挡板4和右竖挡板5上，完成自复位装置的组装；

(4)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之间通过内摩擦板8固定，完成自复位装置与摩擦耗能装置的连接；左限位挡板6和右限位挡板7与内摩擦板8通过焊接或通过设置于内摩擦板8上的连接板进行固定；

在内摩擦板8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，摩擦层厚度t为5mm，共四层；然后如图1和图5所示，然后将设有摩擦层的组合装置放入开有摩擦限位孔15的外拉压板12凹槽内，摩擦限位孔15长度l设定为摩擦层10耗能时的滑动距离，根据所需耗能大小及所限定的耗能后残余变形的大小来确定；在外拉压板12外侧再铺设摩擦层10，再使用外摩擦板9对摩擦层10进行覆盖，如图3所示，外摩擦板9宽度比内摩擦板8宽，以用于放置外侧板，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，螺栓施加的压力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；本发明中摩擦耗能装置启动力为200kN，螺栓施加的压力F_n为20kN：

F_n＝F_m/(4nμ) (3)

其中n为高性能加压螺栓个数，μ为摩擦层与外拉压板之间的摩擦系数。

(5)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，通过在上下外摩擦板9上的卡槽对外侧板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中部进行卡槽，用于放置内拉压板1，卡槽需表面处理光滑，并涂抹润滑剂，以使内拉压板1能自由滑动。

(6)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分为两阶段，SMA自复位耗能阶段和SMA棒与摩擦片复合耗能阶段。

第一阶段：当SMA自复位摩擦阻尼器受拉时，内拉压板1相对外拉压板12向外(右)运动，右限位孔14内侧推动右竖挡板5，右竖向挡板5推动螺母3拉动SMA棒2，SMA棒2左端利用螺母将其固定在左竖挡板4外侧，左竖挡板4受左限位挡板6阻挡，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，卸载后会带动右竖向挡板5恢复至原始状态而不留残余变形。

当SMA自复位摩擦阻尼器受压时，内拉压板1相对外拉压板12向内(左)运动，左限位孔13内侧推动左竖挡板4，左竖挡板4推动螺母3拉动SMA棒2，SMA棒2左端利用螺母将其固定在设置于右限位孔14内的左竖挡板4上，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，卸载后会带动左竖向挡板4恢复至原始状态而不留残余变形；

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。此阶段主要工作于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，发挥作用，启动力小，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。

第二阶段：在中震、大震或罕遇地震作用下，摩擦耗能装置与自复位耗能装置共同作用以抵抗能量输入，自复位耗能装置与第一阶段工作原理相同，当阻尼器输入荷载大于摩擦耗能装置的启动力F_m时，摩擦装置进入工作阶段，外拉压板12在拉压过程中，与摩擦层10产生相对滑动摩擦而消耗大量能量，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。

在复合耗能过程中，自复位耗能装置最大工作距离为±b_x(限位孔宽度)，摩擦耗能装置的最大工作距离为l(摩擦限位孔15长度)，其中摩擦耗能装置的行程即为阻尼器的残余变形，通过合理设计来实现残余变形可控的自复位耗能装置。

本发明的具体优点是：

(1)本发明提供的记忆合金自复位耗能阻尼器构造简单，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)该记忆合金自复位耗能阻尼器启动力相对小，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。

(3)在中震、大震或罕遇地震作用下，该记忆合金自复位耗能阻尼器摩擦耗能装置与自复位耗能装置共同作用以耗散结构的能量输入，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。

(4)与其他耗能装置相比，本发明提供的记忆合金自复位耗能阻尼器变形能力强，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，且可实现变形可控和残余变形可控等优良特点。

(5)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。

Claims (10)

1.一种记忆合金自复位耗能阻尼器，其特征在于，包括内拉压板(1)、记忆合金棒(2)、竖挡板、限位挡板组、外拉压板(12)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；限位挡板组为矩形框结构，限位挡板组设置于外拉压板(12)的凹型结构内，能够在外拉压板(12)的凹型结构内滑动，摩擦层(10)设置于限位挡板组与外拉压板(12)相对滑动侧壁之间；内拉压板(1)一端贯穿于限位挡板组，内拉压板(1)上设有两个限位孔，内拉压板(1)的两个限位孔内分别设有一个竖挡板，两个竖挡板分别位于限位挡板组两端且与限位挡板组两端表面接触，两个竖挡板的内侧表面分别与两个限位孔临近一侧的侧面接触；记忆合金棒(2)贯穿于限位挡板组和竖挡板，记忆合金棒(2)两端通过螺母(3)固定于竖挡板外侧；外拉压板(12)上与摩擦层(10)接触一侧设有摩擦限位孔(15)；限位挡板组通过螺栓组(11)与设置于外拉压板(12)外侧的外摩擦板(9)固定；螺栓组(11)穿过摩擦限位孔(15)，且不与摩擦限位孔(15)侧面接触。

2.根据权利要求1所述的一种记忆合金自复位耗能阻尼器，其特征在于，与内拉压板(1)长度方向平行至少设有2个记忆合金棒(2)。

3.根据权利要求2所述的一种记忆合金自复位耗能阻尼器，其特征在于，与内拉压板(1)长度方向平行设有4个记忆合金棒(2)。

4.根据权利要求1所述的一种记忆合金自复位耗能阻尼器，其特征在于，其中限位挡板组包括左限位挡板(6)和右限位挡板(7)，左限位挡板(6)和右限位挡板(7)之间设有至少两个内摩擦板(8)，组成框型结构，内摩擦板(8)的外侧面与外拉压板(12)内侧壁之间设有摩擦层(10)，竖挡板包括左竖挡板(4)和右竖挡板(5)，左竖挡板(4)一侧与左限位挡板(6)外侧面接触，右竖挡板(5)一侧与右限位挡板(7)外侧面接触，内拉压板(1)上设有左限位孔(13)和右限位孔(14)，左竖挡板(4)与左限位挡板(6)接触一端侧面与左限位孔(13)上靠近右限位孔(14)一端侧面接触，右竖挡板(5)与右限位挡板(7)接触一端侧面与右限位孔(14)上靠近左限位孔(13)一端侧面接触。

5.根据权利要求4所述的一种记忆合金自复位耗能阻尼器，其特征在于，左限位挡板(6)和右限位挡板(7)之间设有两个对称设置的内摩擦板(8)，内摩擦板(8)与内拉压板(1)平行设置，左限位挡板(6)和右限位挡板(7)之间还设有两个与内摩擦板(8)垂直设置的外侧板(16)。

6.根据权利要求5所述的一种记忆合金自复位耗能阻尼器，其特征在于，外摩擦板(9)上设有用于卡设外侧板(16)的卡槽，外侧板(16)内侧设有用于卡设内拉压板(1)的卡槽。

7.根据权利要求1所述的一种记忆合金自复位耗能阻尼器，其特征在于，外拉压板(12)用于连接建筑物一端设有螺栓孔；内拉压板(1)另一端连接于建筑物，内拉压板(1)连接于建筑物一侧设有螺栓孔(17)。

8.根据权利要求1所述的一种记忆合金自复位耗能阻尼器，其特征在于，左限位挡板(6)和右限位挡板(7)与内摩擦板(8)通过焊接或通过设置于内摩擦板(8)上的连接板进行固定。

9.根据权利要求1所述的一种记忆合金自复位耗能阻尼器，其特征在于，摩擦层(10)采用压制式无石棉摩擦板TRH3025，摩擦层(10)厚度t为5mm。

10.根据权利要求1所述的一种记忆合金自复位耗能阻尼器，其特征在于，左限位孔(13)和右限位孔(14)宽度相同，限位孔宽度b_x最大值等于记忆合金棒2有效应变长度与竖挡板厚度之和，即：

b_x＝l_sε_s+t₁

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