CN109267666B - 一种多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器及其安装方法，阻尼器中间板包括多个，层叠设置在阻尼器顶板和阻尼器底板之间组成圆柱形结构的阻尼器，上下任意相邻的层板间水平对称布置有形状记忆合金丝。本发明可以解决现有阻尼器行程较小、复位性能差、耐久性差、耐高低温性能差等问题，构造简单且便于安装，可广泛应用于土木工程技术领域的结构被动控制，有效减小结构或构件的振动及强振后的残余变形。
Description
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器及其安装方法。
背景技术
在土木建筑领域，结构难以避免地要遭受各种类型振动荷载的作用，例如风荷载、地震动荷载、爆炸冲击荷载等。传统意义上的抗震(振)结构通常是以结构构件的损伤为代价来耗散振动荷载的能量。对于一些有特殊使用要求的结构(例如核电站外壳、储液罐等)而言，构件的损伤甚至过大的结构振动响应都是难以接受的，因此结构振动的控制显得极为重要。隔震(振)及消能减震(振)技术是当前结构振动控制领域常用的技术手段之一，对于这一技术而言，重点往往在于研制适合各特殊工程条件的阻尼器。
形状记忆合金是一种新型功能材料，其具有良好的形状记忆特性及超弹性性能，利用形状记忆合金的超弹性性能研制阻尼器可以实现良好的能量耗散、变形恢复能力。同时这类阻尼器与其他类型阻尼器相比具有耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、使用周期长、变形能力大、刚度可变、能够自复位等优异特点。
因此，结合特殊工程条件与形状记忆合金的超弹性性能，研制一种适合特殊工况、性能优异、结构简单可靠的超弹性形状记忆合金阻尼器，对于隔震(振)及消能减震(振)技术的推广应用具有重要的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器及其安装方法，其目的是解决现有阻尼器行程较小、复位性能差、耐久性差、耐高低温性能差等问题。
本发明采用以下技术方案：
一种多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器，包括阻尼器顶板、阻尼器底板和阻尼器中间板，阻尼器中间板包括多个，层叠设置在阻尼器顶板和阻尼器底板之间组成圆柱形结构的阻尼器，上下任意相邻的层板间水平对称布置有形状记忆合金丝。
其中，阻尼器顶板和阻尼器中间板的中心间隔设置有拉环，每个形状记忆合金丝穿过拉环后分别与阻尼器顶板和阻尼器中间板侧面对应设置的张拉螺杆连接。
其中，阻尼器底板及阻尼器中间板的侧壁分别设置有螺杆孔道，张拉螺杆贯穿螺杆孔道设置，外部通过张拉螺母紧固，通过旋转张拉螺母对形状记忆合金丝施加预张拉。
其中，阻尼器顶板和阻尼器中间板下端中心分别设置有圆柱型的凸起，拉环间隔设置在凸起的侧面，且拉环与螺杆孔道上下对齐设置。
其中，拉环和螺杆孔道分别为十六个。
其中，任意对称分布的两根形状记忆合金丝组成一个工作组，当阻尼器上下相邻层板间发生水平错动时，任意一个工作组中预张拉的两根形状记忆合金丝的一根趋于拉长，另一根则趋于松弛，在反复水平错动过程中，利用形状记忆合金丝的超弹性性能耗散能量同时自动复位。
更进一步的，本发明的特点还在于：形状记忆合金丝从上至下分别设置在阻尼器顶板与阻尼器中间板，阻尼器中间板与阻尼器中间板，以及阻尼器中间板与阻尼器底板之间。
更进一步的，本发明的特点还在于：阻尼器顶板与阻尼器中间板，阻尼器中间板与阻尼器中间板，以及阻尼器中间板与阻尼器底板之间的接触面均采取表面处理工艺或在接触面间施加润滑剂。
更进一步的，本发明的特点还在于：阻尼器顶板及阻尼器底板上均预留有支座螺栓孔道，通过螺栓分别与隔震层顶板以及隔震层底板相连。
本发明的另一技术方案是：
一种多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器的安装方法，包括以下步骤：
S1、根据实际设备安装空间尺寸以及对工程结构的隔震计算分析结果确定阻尼器各部件尺寸、阻尼器层数、形状记忆合金丝截面面积、形状记忆合金预张拉应变值以及张拉螺母扭矩；
S2、将第一块阻尼器中间板叠放在阻尼器底板上，将张拉螺杆插入阻尼器底板上端预留的螺杆孔道内；
S3、在步骤S2的阻尼器中间板下端设置的十六个拉环上各穿插一根形状记忆合金丝，然后将形状记忆合金丝的两端分别与相邻两侧拉环所正对的张拉螺杆焊接在一起；
S4、扭转位置对称的张拉螺母，将形状记忆合金丝张拉至预定应变状态；
S5、在第一块阻尼器中间板上叠放第二块阻尼器中间板，将张拉螺杆插入第一块阻尼器中间板上端预留的螺杆孔道；在第二块阻尼器中间板下端的十六个拉环上各穿插一根形状记忆合金丝，然后将形状记忆合金丝的两端分别与相邻两侧拉环所正对的张拉螺杆焊接在一起；同时扭转位置对称的张拉螺母，将形状记忆合金丝张拉至预定应变状态；
S6、重复步骤S5，完成所有阻尼器中间板的安装；
S7、将阻尼器顶板叠放至最后一块阻尼器中间板之上，将张拉螺杆插入最后一块阻尼器中间板上端预留的螺杆孔道；在阻尼器顶板下端的十六个拉环上各穿插一根形状记忆合金丝，然后将形状记忆合金丝的两端分别与相邻两侧拉环所正对的张拉螺杆焊接在一起；同时扭转位置对称的张拉螺母，将形状记忆合金丝张拉至预定应变状态；
S8、利用阻尼器底板及阻尼器顶板上预留的支座螺栓孔道，采用螺栓连接将阻尼器底板与阻尼器顶板分别与隔震层底板以及隔震层顶板相连。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器，多个阻尼器中间板层叠设置在阻尼器顶板和阻尼器底板之间组成圆柱形结构的阻尼器，具有较大的行程，通过叠层放置的方式可以实现在较小设备安装空间内实现较大的位移错动能力；在上下任意相邻的层板间水平对称布置有形状记忆合金丝，具有变刚度特性，通过合理设置各层的形状记忆合金丝数量及预张拉应变可以实现阻尼器的变刚度特性，在较小位移错动发生时其较小的初始隔振刚度可以降低上部结构的加速度响应，而较大位移错动发生时其较大的限位刚度可避免隔振支座倾覆。
进一步的，具有较强的能量耗散能力，可以减小向上部结构传递的振动能量从而降低上部结构的振动响应。
进一步的，任意对称分布的两根形状记忆合金丝组成一个工作组，利用形状记忆合金丝的超弹性性能耗散能量同时自动复位。
进一步的，阻尼器具有良好的耐高温、耐腐蚀及抗疲劳特性，可以满足恶劣的使用环境要求。
本发明还公开了一种多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器的安装方法，采用自下而上的方法可以实现多层安装；形状记忆合金与张拉杆焊接可以固定形状记忆合金；通过扭转张拉螺母可以实现预定应变状态。
综上所述，本发明可以解决现有阻尼器行程较小、复位性能差、耐久性差、耐高低温性能差等问题，构造简单且便于安装，可广泛应用于土木工程技术领域的结构被动控制，有效减小结构或构件的振动及强振后的残余变形。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器的三视图，其中，(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图；
图2为图1中多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器的A-A剖面图；
图3为图1中多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器的B-B剖面图；
图4为图1中多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器顶板的三视图，其中，(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图；
图5为图1中多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器底板的三视图，其中，(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图；
图6为图1中多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器中间板的三视图，其中，(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图。
其中：1.阻尼器顶板；2.阻尼器底板；3.阻尼器中间板；4.张拉螺母；5.张拉螺杆；6.形状记忆合金丝；7.拉环；8.螺杆孔道；9.支座螺栓孔道。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1和图2，本发明一种多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器，包括阻尼器顶板1、阻尼器底板2、阻尼器中间板3、张拉螺母4、张拉螺杆5、形状记忆合金丝6、拉环7、螺杆孔道8和支座螺栓孔道9；阻尼器中间板3包括多个，阻尼器顶板1、多个阻尼器中间板3以及阻尼器底板2自上而下叠层放置形成圆柱状阻尼器，阻尼器顶板1和阻尼器底板2分别与隔震层顶板和隔震层底板连接，拉环7分别设置在阻尼器顶板1与阻尼器中间板3上；任意上下相邻两层板间通过水平对称布置形状记忆合金丝6，形状记忆合金丝6通过拉环7与张拉螺杆5连接。
其中，形状记忆合金丝6从上至下分别设置在阻尼器顶板1与阻尼器中间板3，阻尼器中间板3与阻尼器中间板3，以及阻尼器中间板3与阻尼器底板2之间。
阻尼器顶板1及阻尼器中间板3下端突出的圆柱体侧面均匀对称焊接有十六个拉环7，如图3和图4所示，阻尼器中间板3及阻尼器底板2上端侧壁上均预留有十六个螺杆孔道8。请参阅图4和图6，阻尼器顶板1与阻尼器中间板3上预设的拉环7与螺杆孔道8上下对齐，形状记忆合金丝6分别与阻尼器顶板1和阻尼器中间板3上对应的拉环7连接，每个形状记忆合金丝6穿过对应的拉环7后，其两端分别与相邻两侧拉环7所正对的张拉螺杆5相连；张拉螺杆5穿过阻尼器底板2及阻尼器中间板3上预留的螺杆孔道8，通过旋转张拉螺母4对形状记忆合金丝6施加预张拉，使其初始应力处在马氏体相变中段。
其中，任意对称分布的两根形状记忆合金丝6形成一个工作组，当阻尼器上下相邻层板间发生水平错动时，任意工作组中预张拉的两根形状记忆合金丝6的其中一根趋于拉长，另一根则趋于松弛，在反复水平错动过程中，利用形状记忆合金丝6的超弹性性能耗散能量同时自动复位。
请参阅图4和图5，阻尼器顶板1及阻尼器底板2上均预留有支座螺栓孔道9，可通过螺栓分别与隔震层顶板以及隔震层底板相连。
优选的，阻尼器顶板1与阻尼器中间板3，阻尼器中间板3与阻尼器中间板3，以及阻尼器中间板3与阻尼器底板2之间的接触面采取表面处理工艺或在接触面间施加润滑剂以减小接触面摩擦。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器的安装方法如下：
步骤1、根据实际设备安装空间尺寸以及对工程结构的隔震(振)计算分析结果确定该阻尼器各部件尺寸、阻尼器层数、形状记忆合金丝截面面积、形状记忆合金预张拉应变值以及张拉螺母扭矩。
步骤2、将第一块阻尼器中间板3叠放在阻尼器底板2上，将张拉螺杆5插入阻尼器底板2上端预留的螺杆孔道8。
步骤3、在第一块阻尼器中间板3下端的十六个拉环7上各穿插一根形状记忆合金丝6，然后将形状记忆合金丝6的两端分别与相邻两侧拉环所正对的张拉螺杆5焊接在一起。
步骤4、同时扭转位置对称的张拉螺母4，将形状记忆合金丝6张拉至预定应变状态。
步骤5、将第二块阻尼器中间板3叠放在第一块阻尼器中间板3之上，将张拉螺杆5插入第一块阻尼器中间板3上端预留的螺杆孔道8；在第二块阻尼器中间板3下端的十六个拉环上7各穿插一根形状记忆合金丝6，然后将形状记忆合金丝6的两端分别与相邻两侧拉环7所正对的张拉螺杆5焊接在一起；同时扭转位置对称的张拉螺母4，将形状记忆合金丝6张拉至预定应变状态。
步骤6、重复步骤5，完成所有阻尼器中间板3的安装。
步骤7、将阻尼器顶板1叠放至最后一块阻尼器中间板3之上，将张拉螺杆5插入最后一块阻尼器中间板3上端预留的螺杆孔道8；在阻尼器顶板1下端的十六个拉环7上各穿插一根形状记忆合金丝6，然后将形状记忆合金丝6的两端分别与相邻两侧拉环7所正对的张拉螺杆5焊接在一起；同时扭转位置对称的张拉螺母4，将形状记忆合金丝6张拉至预定应变状态。
步骤8、利用阻尼器底板2及阻尼器顶板1上预留的支座螺栓孔道9，采用螺栓连接将阻尼器底板2与阻尼器顶板1分别与隔震层底板以及隔震层顶板相连。
上阻尼器板叠放在下阻尼器板上可以实现多层板连接；形状记忆合金焊接在张拉螺杆上可以实现合金丝的固定；扭转位置对称的张拉螺母可以实现形状记忆合金丝预定应变状态。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器的安装方法，其特征在于，多向叠层变刚度形状记忆合金阻尼器，包括阻尼器顶板(1)、阻尼器底板(2)和阻尼器中间板(3)，阻尼器中间板(3)包括多个，层叠设置在阻尼器顶板(1)和阻尼器底板(2)之间组成圆柱形结构的阻尼器，上下任意相邻的层板间均水平对称布置有形状记忆合金丝(6)，形状记忆合金丝(6)从上至下分别设置在阻尼器顶板(1)与阻尼器中间板(3)，阻尼器中间板(3)与阻尼器中间板(3)，以及阻尼器中间板(3)与阻尼器底板(2)之间，阻尼器顶板(1)与阻尼器中间板(3)，阻尼器中间板(3)与阻尼器中间板(3)，以及阻尼器中间板(3)与阻尼器底板(2)之间的接触面均采取表面处理工艺或在接触面间施加润滑剂，阻尼器顶板(1)及阻尼器底板(2)上均预留有支座螺栓孔道(9)，通过螺栓分别与隔震层顶板以及隔震层底板相连；
阻尼器顶板(1)和阻尼器中间板(3)的中心间隔设置有拉环(7)，每个形状记忆合金丝(6)穿过拉环(7)后分别与阻尼器顶板(1)和阻尼器中间板(3)侧面对应设置的张拉螺杆(5)连接，阻尼器底板(2)及阻尼器中间板(3)的侧壁分别设置有螺杆孔道(8)，张拉螺杆(5)贯穿螺杆孔道(8)设置，外部通过张拉螺母(4)紧固，通过旋转张拉螺母(4)对形状记忆合金丝(6)施加预张拉，阻尼器顶板(1)和阻尼器中间板(3)下端中心分别设置有圆柱型的凸起，拉环(7)间隔设置在凸起的侧面，且拉环(7)与螺杆孔道(8)上下对齐设置，拉环(7)和螺杆孔道(8)分别为十六个；
任意对称分布的两根形状记忆合金丝(6)组成一个工作组，当阻尼器上下相邻层板间发生水平错动时，任意一个工作组中预张拉的两根形状记忆合金丝(6)的一根趋于拉长，另一根则趋于松弛，在反复水平错动过程中，利用形状记忆合金丝(6)的超弹性性能耗散能量同时自动复位；
包括以下步骤：
S1、根据实际设备安装空间尺寸以及对工程结构的隔震计算分析结果确定阻尼器各部件尺寸、阻尼器层数、形状记忆合金丝截面面积、形状记忆合金预张拉应变值以及张拉螺母扭矩；
S2、将第一块阻尼器中间板(3)叠放在阻尼器底板(2)上，将张拉螺杆(5)插入阻尼器底板(2)上端预留的螺杆孔道(8)内；
S3、在步骤S2的阻尼器中间板(3)下端设置的十六个拉环(7)上各穿插一根形状记忆合金丝(6)，然后将形状记忆合金丝(6)的两端分别与相邻两侧拉环(7)所正对的张拉螺杆(5)焊接在一起；
S4、扭转位置对称的张拉螺母(4)，将形状记忆合金丝(6)张拉至预定应变状态；
S5、在第一块阻尼器中间板(3)上叠放第二块阻尼器中间板(3)，将张拉螺杆(5)插入第一块阻尼器中间板(3)上端预留的螺杆孔道(8)；在第二块阻尼器中间板(3)下端的十六个拉环上(7)各穿插一根形状记忆合金丝(6)，然后将形状记忆合金丝(6)的两端分别与相邻两侧拉环(7)所正对的张拉螺杆(5)焊接在一起；同时扭转位置对称的张拉螺母(4)，将形状记忆合金丝(6)张拉至预定应变状态；
S6、重复步骤S5，完成所有阻尼器中间板(3)的安装；
S7、将阻尼器顶板(1)叠放至最后一块阻尼器中间板(3)之上，将张拉螺杆(5)插入最后一块阻尼器中间板(3)上端预留的螺杆孔道(8)；在阻尼器顶板(1)下端的十六个拉环(7)上各穿插一根形状记忆合金丝(6)，然后将形状记忆合金丝(6)的两端分别与相邻两侧拉环(7)所正对的张拉螺杆(5)焊接在一起；同时扭转位置对称的张拉螺母(4)，将形状记忆合金丝(6)张拉至预定应变状态；
S8、利用阻尼器底板(2)及阻尼器顶板(1)上预留的支座螺栓孔道(9)，采用螺栓连接将阻尼器底板(2)与阻尼器顶板(1)分别与隔震层底板以及隔震层顶板相连。
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