CN109281416B - 滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置及其安装方法，隔振装置顶板设置在隔振装置底板上，隔振装置底板与隔振装置顶板之间间隔设置有多个水平阻尼器，外套筒设置在隔振装置顶板上，内套筒套装在外套筒内，内套筒能够沿外套筒的内壁上下反复错动，外套筒和内套筒之间通过多个形状记忆合金丝连接，通过对形状记忆合金丝施加预张拉，使其初始应力处在马氏体相变中段，通过形状记忆合金的超弹性性能耗散竖向振动能量。
Description
技术领域
本发明属于结构振动控制技术领域，具体涉及一种滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置及其安装方法。
背景技术
在土建及机械工程领域，常常会遇到结构振动控制问题，无论是建筑结构还是机械结构，在可能遭遇的风荷载、地震荷载、波浪冲击、爆炸冲击等作用下如何避免结构自身的振动响应(位移、速度以及加速度)超出限值是近几年来的研究热点，减隔振技术就是其中的一个代表，减隔振技术通常是利用减隔振装置来隔离或者耗散外部振动能量，从而减小结构自身的振动响应。
目前针对地震以及风荷载作用下的结构的隔震(振)装置有橡胶隔震、滑移隔震等，相应的减震(振)装置主要是各种类型的阻尼器。然而，这些装置往往只能在一个方向上进行减隔振，缺乏水平向与竖向同时减隔振的功能。滚球隔震技术是在隔震层间布置具有良好滑动能力的滚珠、滚球、滚轴，是隔震层上下之间可以产生相对滑动，阻隔外部振动能量向上传递。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，利用其超弹性性能可以研制出具有良好的能量耗散以及变形恢复能力的阻尼器。将滚球支座的良好承载能力以及隔震能力与形状记忆合金阻尼器良好的能量耗散及复位能力进行合理组合，可以实现多维减隔振。对于一些特殊结构物，例如核电站的核岛、储油罐、导弹发射井、对振动敏感的大型仪器设备等，往往需要控制其在可能遭受的地震、风荷载以及爆炸冲击作用下水平向及竖向的振动响应，研发一种能同时满足多维振动控制要求的减隔振装置对于此类结构物抵御灾害具有十分重要的现实意义及工程价值。
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，提供一种滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置及其安装方法，实现结构物在地震、风荷载以及爆炸冲击作用下的多维振动控制。
本发明采用以下技术方案：
一种滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置，包括隔振装置底板、隔振装置顶板、形状记忆合金丝、外套筒和内套筒，隔振装置顶板设置在隔振装置底板上，隔振装置底板与隔振装置顶板之间间隔设置有多个水平阻尼器，外套筒设置在隔振装置顶板上，内套筒套装在外套筒内，内套筒能够沿外套筒的内壁上下反复错动，外套筒和内套筒之间通过多个形状记忆合金丝连接，通过对形状记忆合金丝施加预张拉，使其初始应力处在马氏体相变中段，通过形状记忆合金的超弹性性能耗散竖向振动能量。
其中，根据权利要求1所述的滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置，其特征在于，隔振装置底板上设置有下扣板，隔振装置顶板上设置有上扣板，上扣板和下扣板为L型环状结构，隔振装置底板和隔振装置顶板之间通过下扣板和上扣板连接。
其中，下扣板内侧的隔振装置底板上设置有滚球支座底板，隔振装置顶板上对应滚球支座底板设置有滚球支座顶板，滚球支座顶板上设置有环形结构的滚球组保持架，在滚球组保持架上设置有多个滚球组。
其中，水平阻尼器为金属阻尼器、粘弹性阻尼器或摩擦阻尼器，绕滚球组在隔振装置顶板及隔振装置底板之间对称布置，并分别与隔振装置顶板底面及隔振装置底板顶面相连，水平阻尼器用于承受隔振装置顶板与底板水平错动时产生的水平力。
其中，水平阻尼器包括八个。
其中，上扣板与下扣板之间相互咬合连接，能够使滚球支座底板、滚球支座顶板与滚球组不发生竖向分离，下扣板用于对滚球组进行限位作用，上扣板与下扣板之间能够水平错动。
其中，上扣板与下扣板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。
更进一步的，本发明的特点还在于：外套筒内上下对称分布有多个转向滑轮，多个转向滑轮沿内套筒间隔设置，每个形状记忆合金丝穿过两个转向滑轮设置，一端通过张拉及紧固螺母与外套筒连接，另一端与内套筒连接。
更进一步的，本发明的特点还在于：外套筒的轮廓为正八棱柱体，内套筒与外套筒之间通过插销连接。
本发明的另一技术方案是：
一种滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置的安装方法，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滚球组直径及排布个数、滚球组保持架尺寸、水平阻尼器阻尼参数、最大限位位移、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、在结构物隔震层底板上安装隔振装置底板，在隔振装置底板上安装滚球支座底板以及滚球组，将滚球组保持架与滚球支座顶板通过螺栓或焊接连接后一同覆盖到滚球组上；
S3、将上扣板放置在隔振装置底板对应位置上，通过焊接或者螺栓连接方式将下扣板安装在隔振装置底板上；
S4、安装隔振装置顶板，通过螺栓或焊接连接将隔振装置顶板与滚球支座顶板连接在一起，然后向上提升步骤S3中放置在隔振装置底板上的上扣板，通过螺栓或焊接连接将其安装于隔振装置顶板的下方，实现上扣板与下扣板相互咬合；
S5、将水平阻尼器分别与隔振装置底板以及隔振装置顶板相连，确保其只承受隔振装置顶板与底板错动时产生的水平力，不承受竖向力；
S6、在外套筒对应位置安装转向滑轮，插入内套筒，通过插销对二者进行临时固定，形状记忆合金丝穿过转向滑轮后分别与外套筒以及内套筒相连，通过张拉及紧固螺母对形状记忆合金丝施加预张拉作用使其达到预定应力应变状态；
S7、在隔振装置顶板上安装步骤S6中组装好的外套筒，二者通过螺栓或者焊接连接；
S8、将内套筒的顶面与振动控制对象的支座或底板通过螺栓或者焊接连接，拔除临时插销，完成安装。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置，兼具水平向及竖向减隔振功能，各部分组件功能定位清晰，便于根据工程实际进行各部件参数计算，隔振装置底板与隔振装置顶板之间间隔设置有多个水平阻尼器可以消耗大量水平振动能量；内套筒能够沿外套筒的内壁上下错动可以带动形状记忆合金变形，从而消耗竖向振动能量。
进一步的，滚球组极小的滚动摩擦系数可以大幅隔离水平振动能量向上部结构传递，水平阻尼器提供合适的阻尼系数以耗散剩余水平振动能量，同时由于滚球组承担上部结构全部荷载，水平阻尼器完全不承受竖向荷载作用，对于水平阻尼器的选择范围可以大幅放宽。
进一步的，上下扣板的咬合作用可以避免竖向振动荷载作用下滚球支座底(顶)板与滚球组分离，同时下扣板还起到滚球限位作用，可以有效避免因为过大的水平位移可能导致的支座倾覆问题。
进一步的，上扣板与下扣板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可以较小隔震刚度，从而有更好的隔震效果。
进一步的，采用转向滑轮可以实现在较小的设备安装空间内布置相对较长的形状记忆合金丝，从而实现装置较小的竖向隔震刚度及较大的位移错动能力，从而使得装置获得优异的竖向减隔震性能；
进一步的，外套筒的轮廓为正八棱柱体可以便于形状记忆合金的安装；内套筒与外套筒之间通过插销连接可以临时固定内套筒与外套筒相对位移，从而实现形状记忆合金的预张拉状态。
本发明还公开了一种滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置的安装方法，能够实现滚球组、水平阻尼器和竖向阻尼器的安装，从而达到很好的隔震效果。
综上所述，本发明构造简单且便于安装，可广泛应用于土木工程技术领域的被动控制，有效减小结构或构件的振动响应。
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为本发明的俯视图；
图2为本发明剖面图；
图3为本发明B-B剖面图。
其中：1.滚球组；2.滚球支座底板；3.滚球组保持架；4.上扣板；5.下扣板；6.滚球支座顶板；7.隔振装置底板；8.隔振装置顶板；9.水平阻尼器；10.转向滑轮；11.形状记忆合金丝；12.外套筒；13.张拉及紧固螺母；14.内套筒；15.插销。
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。
本发明提供了一种滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置，采用滚球组承担上部结构全部荷载，水平阻尼器绕着滚球组对称布置，上扣板与下扣板相互咬合，内套筒可沿外套筒内壁上下滑动，形状记忆合金丝穿过转向滑轮后两端分别与内套筒及外套筒相连。该装置兼具水平向及竖向减隔振功能，各部分组件功能定位清晰，构造简单且便于安装，可广泛应用于土木工程技术领域的被动控制领域。
请参阅图1，本发明一种滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置，包括滚球组1、滚球支座底板2、滚球组保持架3、上扣板4、下扣板5、滚球支座顶板6、隔振装置底板7、隔振装置顶板8、水平阻尼器9、转向滑轮10、形状记忆合金丝11、外套筒12、张拉及紧固螺母13、内套筒14以及插销15；隔振装置顶板8设置在隔振装置底板7上，滚球组1设置在隔振装置底板7和隔振装置顶板8之间，水平阻尼器9包括多个，间隔设置在隔振装置底板7和隔振装置顶板8之间，位于滚球组1外部；外套筒12设置在隔振装置顶板8上，内套筒14套装在外套筒12上，转向滑轮10包括多个，对称设置在外套筒12上，形状记忆合金丝11穿过对应的转向滑轮10，两端分别与外套筒12和内套筒14连接，通过对形状记忆合金丝11施加预张拉，使其初始应力处在马氏体相变中段，内套筒14沿外套筒12的内壁上下反复错动过程中，利用形状记忆合金的超弹性性能耗散竖向振动能量。
隔振装置底板7上设置有下扣板5，隔振装置顶板8上设置有上扣板4，上扣板4和下扣板5为L型环状结构，隔振装置底板7和隔振装置顶板8之间通过下扣板5和上扣板4连接，水平阻尼器9包括多个，间隔设置在隔振装置底板7和隔振装置顶板8之间。
其中，上扣板4与隔振装置顶板8通过螺栓或焊接相连，下扣板5与隔振装置底板7通过螺栓或焊接相连，水平阻尼器9包括8个，绕着滚球组1在隔振装置顶板8及隔振装置底板7之间对称布置，并分别与隔振装置顶板8底面及隔振装置底板7顶面相连，水平阻尼器9只承受隔振装置顶板8与底板7水平错动时产生的水平力，不承受竖向荷载。
优选的，水平阻尼器9为金属阻尼器、粘弹性阻尼器或摩擦阻尼器。
隔振装置底板7的下扣板5内部设置有圆形的滚球支座底板2，隔振装置顶板8上对应滚球支座底板2设置有滚球支座顶板6，滚球支座顶板6上设置有滚球组保持架3，滚球组1设置在滚球组保持架3上，位于滚球支座底板2和滚球支座顶板6之间。
上扣板4与下扣板5相互咬合使滚球支座底板2、滚球支座顶板6与滚球组1不发生竖向分离，下扣板5同时起到滚球组1的限位作用，上扣板4与下扣板5间可以水平错动，二者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。
其中，滚球组保持架3与滚球支座顶板6通过螺栓或焊接相连以确保滚球组1同步滚动，滚球组1承担上部结构全部荷载；滚球支座底板2与隔振装置底板7通过螺栓或焊接相连，滚球支座顶板6与隔振装置顶板8通过螺栓或焊接相连。
隔振装置顶板8上部中心设置有内套筒14，内套筒14套装在外套筒12上，转向滑轮10及形状记忆合金丝11沿外套筒12对称分布，内套筒14可沿外套筒12内壁上下滑动，通过插销15使内外套筒临时固定，每根形状记忆合金丝11穿过对应的两个转向滑轮10后两端分别与内套筒14及外套筒12上设置的张拉及紧固螺母13相连，利用张拉及紧固螺母13对形状记忆合金丝11施加预张拉，使其初始应力处在马氏体相变中段，预张拉完成后拔出插销15，内套筒14沿外套筒12的内壁上下滑动时预张拉的形状记忆合金丝11保持一组趋于拉长，另一组趋于松弛。
外套筒12与隔振装置底板7通过螺栓或焊接方式连接，外套筒12的轮廓为正八棱柱体。
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。
本发明一种滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置的安装步骤如下：
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)计算分析结果确定滚球组直径及排布个数、滚球组保持架尺寸、水平阻尼器阻尼参数、最大限位位移、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等。
步骤2.在结构物隔震层底板上安装隔振装置底板7，在隔振装置底板7上安装滚球支座底板2以及滚球组1，将滚球组保持架8与滚球支座顶板6通过螺栓或焊接连接后一同覆盖到滚球组1上。
步骤3.将上扣板4放置在隔振装置底板7对应位置上，通过焊接或者螺栓连接方式将下扣板5安装在隔振装置底板7上；
步骤4.安装隔振装置顶板8，通过螺栓或焊接连接将隔振装置顶板8与滚球支座顶板6连接在一起，然后向上提升步骤3中放置在隔振装置底板7上的上扣板4，通过螺栓或焊接连接将其安装于隔振装置顶板8的下方，实现上下扣板相互咬合；
步骤5.安装水平阻尼器9，可采用目前成熟的各类水平阻尼器，将其分别与隔振装置底板7以及隔振装置顶板8相连，确保其只承受隔振装置顶板8与底板7错动时产生的水平力而不承受竖向力即可；
步骤6.在外套筒12对应位置安装好转向滑轮10，插入内套筒14，通过插销15对二者进行临时固定，形状记忆合金丝11穿过转向滑轮10后分别与外套筒12以及内套筒14相连，通过张拉及紧固螺母13对形状记忆合金丝11施加预张拉作用使其达到预定应力应变状态；
步骤7.在隔振装置顶板8上安装前述步骤6中组装好的外套筒12，二者通过螺栓或者焊接连接；
步骤8.将内套筒14的顶面与振动控制对象的支座或底板通过螺栓或者焊接连接，拔除临时插销15，安装完毕。
综上所述，本方法安装方法简单、方便并且可以很好实现滚球组、水平阻尼器和竖向阻尼器安装不冲突。
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 (6)
1.一种滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置，其特征在于，包括隔振装置底板(7)、隔振装置顶板(8)、形状记忆合金丝(11)、外套筒(12)和内套筒(14)，隔振装置顶板(8)设置在隔振装置底板(7)上，隔振装置底板(7)与隔振装置顶板(8)之间间隔设置有多个水平阻尼器(9)，外套筒(12)设置在隔振装置顶板(8)上，内套筒(14)套装在外套筒(12)内，内套筒(14)能够沿外套筒(12)的内壁上下反复错动，外套筒(12)和内套筒(14)之间通过多个形状记忆合金丝(11)连接，通过对形状记忆合金丝(11)施加预张拉，使其初始应力处在马氏体相变中段，通过形状记忆合金的超弹性性能耗散竖向振动能量，隔振装置底板(7)上设置有下扣板(5)，隔振装置顶板(8)上设置有上扣板(4)，上扣板(4)和下扣板(5)为L型环状结构，隔振装置底板(7)和隔振装置顶板(8)之间通过下扣板(5)和上扣板(4)连接，下扣板(5)内侧的隔振装置底板(7)上设置有滚球支座底板(2)，隔振装置顶板(8)上对应滚球支座底板(2)设置有滚球支座顶板(6)，滚球支座顶板(6)上设置有环形结构的滚球组保持架(3)，在滚球组保持架(3)上设置有多个滚球组(1)，上扣板(4)与下扣板(5)之间相互咬合连接，能够使滚球支座底板(2)、滚球支座顶板(6)与滚球组(1)不发生竖向分离，下扣板(5)用于对滚球组(1)进行限位作用，上扣板(4)与下扣板(5)之间能够水平错动，外套筒(12)内上下对称分布有多个转向滑轮(10)，多个转向滑轮(10)沿内套筒(14)间隔设置，每个形状记忆合金丝(11)穿过两个转向滑轮(10)设置，一端通过张拉及紧固螺母(13)与外套筒(12)连接，另一端与内套筒(14)连接。
2.根据权利要求1所述的滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置，其特征在于，水平阻尼器(9)为金属阻尼器、粘弹性阻尼器或摩擦阻尼器，绕滚球组(1)在隔振装置顶板(8)及隔振装置底板(7)之间对称布置，并分别与隔振装置顶板(8)底面及隔振装置底板(7)顶面相连，水平阻尼器(9)用于承受隔振装置顶板(8)与底板(7)水平错动时产生的水平力。
3.根据权利要求2所述的滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置，其特征在于，水平阻尼器(9)包括八个。
4.根据权利要求1所述的滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置，其特征在于，上扣板(4)与下扣板(5)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。
5.根据权利要求1所述的滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置，其特征在于，外套筒(12)的轮廓为正八棱柱体，内套筒(14)与外套筒(12)之间通过插销(15)连接。
6.一种如权利要求1至5中任一项所述滚球与形状记忆合金组合多维减隔振装置的安装方法，其特征在于，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滚球组直径及排布个数、滚球组保持架尺寸、水平阻尼器阻尼参数、最大限位位移、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、在结构物隔震层底板上安装隔振装置底板(7)，在隔振装置底板(7)上安装滚球支座底板(2)以及滚球组(1)，将滚球组保持架(3)与滚球支座顶板(6)通过螺栓或焊接连接后一同覆盖到滚球组(1)上；
S3、将上扣板(4)放置在隔振装置底板(7)对应位置上，通过焊接或者螺栓连接方式将下扣板(5)安装在隔振装置底板(7)上；
S4、安装隔振装置顶板(8)，通过螺栓或焊接连接将隔振装置顶板(8)与滚球支座顶板(6)连接在一起，然后向上提升步骤S3中放置在隔振装置底板(7)上的上扣板(4)，通过螺栓或焊接连接将其安装于隔振装置顶板(8)的下方，实现上扣板(4)与下扣板(5)相互咬合；
S5、将水平阻尼器(9)分别与隔振装置底板(7)以及隔振装置顶板(8)相连，确保其只承受隔振装置顶板(8)与底板(7)错动时产生的水平力，不承受竖向力；
S6、在外套筒(12)对应位置安装转向滑轮(10)，插入内套筒(14)，通过插销(15)对二者进行临时固定，形状记忆合金丝(11)穿过转向滑轮(10)后分别与外套筒(12)以及内套筒(14)相连，通过张拉及紧固螺母(13)对形状记忆合金丝(11)施加预张拉作用使其达到预定应力应变状态；
S7、在隔振装置顶板(8)上安装步骤S6中组装好的外套筒(12)，二者通过螺栓或者焊接连接；
S8、将内套筒(14)的顶面与振动控制对象的支座或底板通过螺栓或者焊接连接，拔除临时插销(15)，完成安装。
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