CN109629704A - 一种耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器，包括上连接板、挡板、下连接板、若干预应力构件及若干连接杆；上连接板、挡板及下连接板自上到下依次分布，挡板的底部与下连接板之间设置环形叠层橡胶垫及第一质量块，其中，第一质量块空套于环形叠层橡胶垫中，使得第一质量块与环形叠层橡胶垫之间形成第一环形空腔，第一质量块上设置有若干上下分布的第一竖向孔，其中，各第一竖向孔内均设置有第一压电陶瓷驱动器，该阻尼器在水平地震作用下及竖向地震作用下都能够耗散能量，且具有高阻尼特性及自复位功能。
Description
技术领域
本发明属于土木工程结构减震控制领域，涉及一种耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器。
背景技术
混合控制是一种在结构上同时安装主动或半主动控制装置和被动控制装置的隔震控制技术。主动控制的控制效果好，但控制系统复杂，在实际工程中很难实现，且价格高昂；被动控制系统构造简单，安装方便，价格便宜，但不能实时调整阻尼力，其控制效果较差。而将两者安装在同一装置上，既可以独立工作，发挥各自的优良性能，又能弥补单个控制装置的不足，结构振动控制效果良好。
智能材料作为一种新兴的多功能材料，现已成为土木工程结构振动控制领域的研究热点，并且取得了丰硕的研究成果，有着广阔的应用前景。形状记忆合金(SMA)和压电陶瓷是土木工程领域的智能材料。形状记忆合金具有形状记忆、相变超弹性和高阻尼特性；压电陶瓷材料电致变形响应快，且可以实时调节控制力。
目前土木工程领域常用的阻尼器有：软钢阻尼器、铅挤压阻尼器、粘性和粘弹性阻尼装置，但这种被动阻尼器无法适应不同强度等级的地震，小震时启动较难，且地震作用结束后有较大的残余变形；有些学者发明了SMA丝和压电摩擦装置同时工作的阻尼器，但只能抵抗竖向或横向地震作用引起的变形，无法同时抵抗多个方向的地震作用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器，该阻尼器在水平地震作用下及竖向地震作用下都能够耗散能量，且具有高阻尼特性及自复位功能。
为达到上述目的，本发明所述的耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器包括上连接板、挡板、下连接板、若干预应力构件及若干连接杆；
上连接板、挡板及下连接板自上到下依次分布，挡板的底部与下连接板之间设置环形叠层橡胶垫及第一质量块，其中，第一质量块空套于环形叠层橡胶垫中，使得第一质量块与环形叠层橡胶垫之间形成第一环形空腔，第一质量块上设置有若干上下分布的第一竖向孔，其中，各第一竖向孔内均设置有第一压电陶瓷驱动器；
环形叠层橡胶垫的外围沿周向设置有若干预应力构件，其中，各预应力构件均包括第二质量块、若干第一SMA丝及若干第二SMA丝，其中，各第一SMA丝的上端固定于挡板的底部，各第一SMA丝的下端固定于第二质量块的顶部，各第二SMA丝的上端固定于第二质量块的底部，各第二SMA丝的下端固定于下连接板上；
其中，一个连接杆对应一个预应力构件，连接杆的顶部固定于上连接板上，连接杆的下端穿过挡板固定于对应预应力构件中的第二质量块上，其中，连接杆位于对应预应力构件中各第一SMA丝的中间位置处；
挡板上固定有第三质量块，所述第三质量块顶部的侧面开设有若干横向孔，各横向孔内均设置有第二压电陶瓷驱动器，上连接板的底部固定有环形柱体，第三质量块的上端套接于环形柱体内。
挡板由自上到下依次分布的第一矩形板、第二矩形板及第三矩形板组成，其中，第三矩形板的底部与下连接板之间设置环形叠层橡胶垫及第一质量块，连接杆穿过第一矩形板、第二矩形板及第三矩形板。
第一矩形板上开设有带状洞口，第二矩形板上开设有矩形洞口，第三质量块的下端穿过带状洞口及矩形洞口位于第三矩形板上。
各第一压电陶瓷驱动器能够在水平方向相对于第三矩形板滑动，各第一压电陶瓷驱动器的顶部均设置有第一矩形摩擦垫片。
上连接板与下连接板均为矩形钢板，其中，上连接板上设置有用于连接外部构件的第一竖向螺栓孔，下连接板上设置有用于连接外部构件的第二竖向螺栓孔以及用于安装第二SMA丝的第二竖向孔。
第三质量块的下端设置有棱柱体，其中，棱柱体位于带状洞口内，第三质量块的下端能够在矩形洞口内及带状洞口内左右滑动。
环形柱体的下端与第三矩形板之间有间隙，第三质量块的顶部与上连接板之间有间隙，环形柱体能够相对于第三质量块在竖直方向上滑动，第二压电陶瓷驱动器的左右两端均设置有第二摩擦垫片。
第二质量块上设置有用于固定第一SMA丝并对第一SMA丝施加预应力的第一SMA丝调节阀以及用于固定第二SMA丝并对第二SMA丝施加预应力的第二SMA丝调节阀，第二质量块的顶部设置有第三竖向螺栓孔，第一螺栓杆的顶部设置有用于固定第一SMA丝的第一圆孔，第一螺栓杆的下端穿过第三竖向螺栓孔且套接有第一螺栓帽及第二螺栓帽，其中，第一螺栓帽及第二螺栓帽分别位于第二质量块的上侧及下侧，第一螺栓杆上设置有用于固定第二SMA丝上端的第二圆孔，第二螺栓杆的上端设置有用于固定第二SMA丝下端的第三圆孔，第二螺栓杆穿过下连接板且套接有第三螺栓帽及第四螺栓帽，其中，第三螺栓帽及第四螺栓帽分别位于下连接板的上侧及下侧。
第一质量块上设置有用于供第一压电陶瓷驱动器导线穿过的水平孔道，第三矩形板上设置有用于供第一压电陶瓷驱动器导线穿过的第一孔道，第三质量块的顶部设置有用于供第二压电陶瓷驱动器导线穿过的导线孔道，上连接板上设置有用于供第二压电陶瓷驱动器的导线穿过的第二孔道。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器在具体操作时，利用水平地震作用下，通过调节第一压电陶瓷驱动器外部电压，以改变第一质量块与挡板之间的摩擦力；在竖向地震作用下，通过调节第二压电陶瓷驱动器外部电压，以改变第二压电陶瓷驱动器与环形柱体之间的摩擦力，在耦合地震作用下，通过调节第一压电陶瓷驱动器外部电压及第二压电陶瓷驱动器外部电压，同时通过第一SMA丝及第二SMA丝变形以耗散能量，以实现半主动控制，当地震作用结束后，在第一SMA丝及第二SMA丝的作用下整体阻尼器恢复到初始状态，有效解决摩擦阻尼器的自复位问题，具有高阻尼特性及自复位功能，结构简单，操作方便，智能化水平高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明水平方向振动的工作原理图；
图3为本发明竖直方向上振动的工作原理图；
图4为本发明中第一压电陶瓷驱动器7及环形叠层橡胶垫9的剖面图；
图5为本发明中第二压电陶瓷驱动器16及环形主体的剖面图；
图6为上连接板1的结构示意图；
图7为本发明中第一矩形板4的结构示意图；
图8为本发明中第二矩形板5的结构示意图；
图9为本发明中第三矩形板6的结构示意图；
图10为本发明中下连接板2的结构示意图；
图11为本发明中第一SMA丝调节阀14的结构示意图；
图12为竖向螺栓孔19的位置图；
图13为第一螺栓杆20的结构示意图。
其中，1为上连接板、2为下连接板、3为挡板、4为第一矩形板、5为第二矩形板、6为第三矩形板、7为第一压电陶瓷驱动器、8为第一质量块、9为环形叠层橡胶垫、10为环形空腔、11为第二质量块、12为第一SMA丝、13为第二SMA丝、14为第一SMA丝调节阀、15为连接杆、16为第二压电陶瓷驱动器、17为第三质量块、18为环形柱体、19为竖向螺栓孔、21为第一圆孔、20为第一螺栓杆、22为第一螺栓帽、23为第二螺栓帽、24为第二螺栓杆、25为第三螺栓帽、26为第四螺栓帽、27第二摩擦垫片、101为第一竖向螺栓孔、102为第二孔道、201为第二竖向螺栓孔、401为带状洞口、501为矩形洞口、601为第一孔道、801为第一矩形摩擦垫片、802为水平孔道、1701为导线孔道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1至图13，本发明所述的耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器包括上连接板1、挡板3、下连接板2、若干预应力构件及若干连接杆15；上连接板1、挡板3及下连接板2自上到下依次分布，挡板3的底部与下连接板2之间设置环形叠层橡胶垫9及第一质量块8，其中，第一质量块8空套于环形叠层橡胶垫9中，使得第一质量块8与环形叠层橡胶垫9之间形成第一环形空腔10，第一质量块8上设置有若干上下分布的第一竖向孔，其中，各第一竖向孔内均设置有第一压电陶瓷驱动器7；环形叠层橡胶垫9的外围沿周向设置有若干预应力构件，其中，各预应力构件均包括第二质量块11、若干第一SMA丝12及若干第二SMA丝13，其中，各第一SMA丝12的上端固定于挡板3的底部，各第一SMA丝12的下端固定于第二质量块11的顶部，各第二SMA丝13的上端固定于第二质量块11的底部，各第二SMA丝13的下端固定于下连接板2上；其中，一个连接杆15对应一个预应力构件，连接杆15的顶部固定于上连接板1上，连接杆15的下端穿过挡板3固定于对应预应力构件中的第二质量块11上，其中，连接杆15位于对应预应力构件中各第一SMA丝12的中间位置处；挡板3上固定有第三质量块17，所述第三质量块17顶部的侧面开设有若干横向孔，各横向孔内均设置有第二压电陶瓷驱动器16，上连接板1的底部固定有环形柱体18，第三质量块17的上端套接于环形柱体18内。
挡板3由自上到下依次分布的第一矩形板4、第二矩形板5及第三矩形板6组成，其中，第三矩形板6的底部与下连接板2之间设置环形叠层橡胶垫9及第一质量块8，连接杆15穿过第一矩形板4、第二矩形板5及第三矩形板6；第一矩形板4上开设有带状洞口401，第二矩形板5上开设有矩形洞口501，第三质量块17的下端穿过带状洞口401及矩形洞口501位于第三矩形板6上。
各第一压电陶瓷驱动器7能够在水平方向相对于第三矩形板6滑动，各第一压电陶瓷驱动器7的顶部均设置有第一矩形摩擦垫片801。
连接板1与下连接板2均为矩形钢板，其中，上连接板1上设置有用于连接外部构件的第一竖向螺栓孔101，下连接板2上设置有用于连接外部构件的第二竖向螺栓孔201以及用于安装第二SMA丝13的第二竖向孔。
第三质量块17的下端设置有棱柱体，其中，棱柱体位于带状洞口401内，第三质量块17的下端能够在矩形洞口501内及带状洞口401内左右滑动；环形柱体18的下端与第三矩形板6之间有间隙，第三质量块17的顶部与上连接板1之间有间隙，环形柱体18能够相对于第三质量块17在竖直方向上滑动，第二压电陶瓷驱动器16的左右两端均设置有第二摩擦垫片27。
第二质量块11上设置有用于固定第一SMA丝12并对第一SMA丝12施加预应力的第一SMA丝调节阀14以及用于固定第二SMA丝13并对第二SMA丝13施加预应力的第二SMA丝调节阀，第二质量块11的顶部设置有第三竖向螺栓孔，第一螺栓杆20的顶部设置有用于固定第一SMA丝12的第一圆孔21，第一螺栓杆20的下端穿过第三竖向螺栓孔且套接有第一螺栓帽22及螺第二栓帽23，其中，第一螺栓帽22及第二螺栓帽23分别位于第二质量块11的上侧及下侧，第一螺栓杆20上设置有用于固定第二SMA丝13上端的第二圆孔，第二螺栓杆24的上端设置有用于固定第二SMA丝13下端的第三圆孔，第二螺栓杆24穿过下连接板2且套接有第三螺栓帽25及第四螺栓帽26，其中，第三螺栓帽25及第四螺栓帽26分别位于下连接板2的上侧及下侧。
第一质量块8上设置有用于供第一压电陶瓷驱动器7导线穿过的水平孔道802，第三矩形板6上设置有用于供第一压电陶瓷驱动器7导线穿过的第一孔道601，第三质量块17的顶部设置有用于供第二压电陶瓷驱动器16导线穿过的导线孔道，上连接板1上设置有用于供第二压电陶瓷驱动器16的导线穿过的第二孔道102。
水平地震作用下，通过调节第一压电陶瓷驱动器7外部电压，以改变第一质量块8与第三矩形板6之间的摩擦力；在竖向地震作用下，通过调节第二压电陶瓷驱动器16外部电压，以改变第二压电陶瓷驱动器16与环形柱体18之间的摩擦力，在耦合地震作用下，通过调节第一压电陶瓷驱动器7外部电压及第二压电陶瓷驱动器16外部电压，同时通过第一SMA丝12及第二SMA丝13变形以耗散能量，以实现半主动控制，当地震作用结束后，第一SMA丝12及第二SMA丝13恢复到初始状态。
具体的，当水平地震作用较小时，第一压电陶瓷驱动器7与挡板3之间有很大的静摩擦力，不发生相对滑动，上连接板1水平移动，带动第二质量块11水平移动，第一SMA丝12及第二SMA丝13拉伸变形消耗地震能量，同时上连接板1和挡板3之间的环形柱体18和第三质量块17随上连接板1在挡板3的带状洞口401及矩形洞口501内自由滑动；当水平地震作用较大时，第一压电陶瓷驱动器7相对于挡板3水平滑动，通过接触面上的滑动摩擦力耗能，同时上连接板1发生水平移动，第一SMA丝12及第二SMA丝13发生拉伸变形，利用其超弹性性能耗能。
当发生竖向地震作用时，第二压电陶瓷驱动器16发生横向变形，在环形柱体18上产生一个与电场强度成正比的正压力；当竖向地震作用较小时，第二压电陶瓷驱动器16与环形柱体18之间存在较大的静摩擦力，且两者不发生相对移动；当竖向地震作用较大时，第二压电陶瓷驱动器16与环形柱体18相对滑动，通过滑动摩擦力耗能，同时上连接板1上下振动，带动第二质量块11上下移动，第一SMA丝12及第二SMA丝13发生拉伸变形，利用其超弹性性能耗能。其中，当上连接板1向上振动时，第二SMA丝13发生拉伸变形；当上连接板1向下振动时，第一SMA丝12发生拉伸变形。
由于SMA丝常温下为奥氏体，产生拉力时引起相变，表现相变伪弹性效应，卸去外载后立即产生逆相变，带动质量块恢复到初始位置，从而使整个阻尼器都恢复到原来的位置；当断电时，压电陶瓷驱动器不能正常工作，SAM丝利用其超弹性变形耗能以抵抗地震作用。
Claims (9)
1.一种耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器，其特征在于，包括上连接板(1)、挡板(3)、下连接板(2)、若干预应力构件及若干连接杆(15)；
上连接板(1)、挡板(3)及下连接板(2)自上到下依次分布，挡板(3)的底部与下连接板(2)之间设置环形叠层橡胶垫(9)及第一质量块(8)，其中，第一质量块(8)空套于环形叠层橡胶垫(9)中，使得第一质量块(8)与环形叠层橡胶垫(9)之间形成第一环形空腔(10)，第一质量块(8)上设置有若干上下分布的第一竖向孔，其中，各第一竖向孔内均设置有第一压电陶瓷驱动器(7)；
环形叠层橡胶垫(9)的外围沿周向设置有若干预应力构件，其中，各预应力构件均包括第二质量块(11)、若干第一SMA丝(12)及若干第二SMA丝(13)，其中，各第一SMA丝(12)的上端固定于挡板(3)的底部，各第一SMA丝(12)的下端固定于第二质量块(11)的顶部，各第二SMA丝(13)的上端固定于第二质量块(11)的底部，各第二SMA丝(13)的下端固定于下连接板(2)上；
其中，一个连接杆(15)对应一个预应力构件，连接杆(15)的顶部固定于上连接板(1)上，连接杆(15)的下端穿过挡板(3)固定于对应预应力构件中的第二质量块(11)上，其中，连接杆(15)位于对应预应力构件中各第一SMA丝(12)的中间位置处；
挡板(3)上固定有第三质量块(17)，所述第三质量块(17)顶部的侧面开设有若干横向孔，各横向孔内均设置有第二压电陶瓷驱动器(16)，上连接板(1)的底部固定有环形柱体(18)，第三质量块(17)的上端套接于环形柱体(18)内。
2.根据权利要求1所述的耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器，其特征在于，挡板(3)由自上到下依次分布的第一矩形板(4)、第二矩形板(5)及第三矩形板(6)组成，其中，第三矩形板(6)的底部与下连接板(2)之间设置环形叠层橡胶垫(9)及第一质量块(8)，连接杆(15)穿过第一矩形板(4)、第二矩形板(5)及第三矩形板(6)。
3.根据权利要求1所述的耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器，其特征在于，第一矩形板(4)上开设有带状洞口(401)，第二矩形板(5)上开设有矩形洞口(501)，第三质量块(17)的下端穿过带状洞口(401)及矩形洞口(501)位于第三矩形板(6)上。
4.根据权利要求1所述的耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器，其特征在于，各第一压电陶瓷驱动器(7)能够在水平方向相对于第三矩形板(6)滑动，各第一压电陶瓷驱动器(7)的顶部均设置有第一矩形摩擦垫片(801)。
5.根据权利要求1所述的耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器，其特征在于，上连接板(1)与下连接板(2)均为矩形钢板，其中，上连接板(1)上设置有用于连接外部构件的第一竖向螺栓孔(101)，下连接板(2)上设置有用于连接外部构件的第二竖向螺栓孔(201)以及用于安装第二SMA丝(13)的第二竖向孔。
6.根据权利要求1所述的耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器，其特征在于，第三质量块(17)的下端设置有棱柱体，其中，棱柱体位于带状洞口(401)内，第三质量块(17)的下端能够在矩形洞口(501)内及带状洞口(401)内左右滑动。
7.根据权利要求1所述的耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器，其特征在于，环形柱体(18)的下端与第三矩形板(6)之间有间隙，第三质量块(17)的顶部与上连接板(1)之间有间隙，环形柱体(18)能够相对于第三质量块(17)在竖直方向上滑动，第二压电陶瓷驱动器(16)的左右两端均设置有第二摩擦垫片(27)。
8.根据权利要求1所述的耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器，其特征在于，第二质量块(11)上设置有用于固定第一SMA丝(12)并对第一SMA丝(12)施加预应力的第一SMA丝调节阀(14)以及用于固定第二SMA丝(13)并对第二SMA丝(13)施加预应力的第二SMA丝调节阀，第二质量块(11)的顶部设置有第三竖向螺栓孔，第一螺栓杆(20)的顶部设置有用于固定第一SMA丝(12)的第一圆孔(21)，第一螺栓杆(20)的下端穿过第三竖向螺栓孔且套接有第一螺栓帽(22)及第二螺栓帽(23)，其中，第一螺栓帽(22)及第二螺栓帽(23)分别位于第二质量块(11)的上侧及下侧，第一螺栓杆(20)上设置有用于固定第二SMA丝(13)上端的第二圆孔，第二螺栓杆(24)的上端设置有用于固定第二SMA丝(13)下端的第三圆孔，第二螺栓杆(24)穿过下连接板(2)且套接有第三螺栓帽(25)及第四螺栓帽(26)，其中，第三螺栓帽(25)及第四螺栓帽(26)分别位于下连接板(2)的上侧及下侧。
9.根据权利要求1所述的耦合地震作用下复位型半主动控制阻尼器，其特征在于，第一质量块(8)上设置有用于供第一压电陶瓷驱动器(7)导线穿过的水平孔道(802)，第三矩形板(6)上设置有用于供第一压电陶瓷驱动器(7)导线穿过的第一孔道(601)，第三质量块(17)的顶部设置有用于供第二压电陶瓷驱动器(16)导线穿过的导线孔道(1701)，上连接板(1)上设置有用于供第二压电陶瓷驱动器(16)的导线穿过的第二孔道(102)。
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2019
- 2019-01-09 CN CN201910019442.3A patent/CN109629704A/zh active Pending
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