CN109972892B - 磁性形状记忆合金智能自复位约束屈曲支撑 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁性形状记忆合金智能自复位约束屈曲支撑，所述约束屈曲支撑包括连接件、端封板、缸筒、约束盒、核心金属和控制单元，连接件连接主结构，缸筒内沿轴线设置连接板和核心金属，核心金属两侧设置多个约束盒，缸筒内两端对称设置多个控制单元，并通过限位板与连接件和核心金属相连，缸筒两端用端封板封闭，控制单元包括导杆、单元盒体、线圈、永磁体和磁性形状记忆合金块。主结构的振动引发连接件的相对变形，从而使核心金属变形耗能，并通过控制单元使屈曲支撑具有自复位和智能控制的功能。本发明具有构造简单、装配方便、阻尼耗能强、可恢复变形、多种工作状态等优点。
Description
技术领域
本发明是一种用于土木建筑结构动力灾害防护领域的智能控制装置，属于土木工程结构耗能减振控制装置的技术领域。
背景技术
长期以来，地震、风、波浪等动力灾害一直威胁着对工程结构的安全，如何通过合理设计和应用各项技术提高工程结构的安全性始终是行业内关注的重点领域。结构振动控制技术自提出以来，一直备受结构工程师的关注，经过几十年的发展，各项理论、技术和方法日渐成熟，逐渐广泛应用于土木建筑结构的地震、风等动力灾害的防护。其基本原理是通过在结构中合理设置各类减振装置，改变结构刚度、阻尼甚至质量，从而有效降低结构的动力响应，保护结构免受损伤乃是倒塌。金属阻尼器是较早研发也是较多应用的减振装置之一，兼具承载和耗能能力，在刚度和阻尼两方面均能够对主体结构有所贡献。
约束屈曲支撑（Bulking Restrained Braces, BRB）是一类典型的金属阻尼器，主要由核心耗能件、外约束件及无粘结填充料组成，主要通过核心耗能件在压缩和拉伸时的金属屈服滞回耗能。自提出以来，一直广受认可，各类新型构造设计层出不穷，已公开的如：平行耗能软钢板约束型防屈曲支撑及其制作方法(CN101984194A)、纤维增强复合材料约束防屈曲耗能钢支撑(CN201459947U)、一种桁架约束型防屈曲支撑(CN104499596A)、铅-约束屈曲支撑复合耗能器及制作方法(CN100558998C)等。这些约束屈曲支撑主要从核心耗能件、约束方式、材料等方面进行改造。
近年来，得益于高性能材料和智能计算的发展，智能材料和控制逐渐成为结构振动控制领域发展的重要方向之一。磁性形状记忆合金(Magnetic Shape Memory Alloy，简写为MSMA)作为一种重要的智能材料，不仅具有马氏体相变引起的形状记忆效应和超弹性，而且具有马氏体变体重定向引起的磁致形状记忆效应和超弹性。在机械、传感等领域已经有了较多的装置研发，并逐渐在土木建筑振动控制领域有了一些装置研究，如挤压型自复位磁性形状记忆合金阻尼器(CN105735506B)、一种拉压型磁性形状记忆合金多模式智能阻尼器(CN105735507B)、磁控形状记忆合金的建筑物防震系统及其感应控制方法(CN103382743A)等。由于目前磁性形状记忆合金本身材料加工性能和成本的限制，直接用于土木建筑结构减振装置开发时，装置吨位较小，复合其他阻尼器特性共同开发新型多功能减振装置成为重要研发方向之一。
本发明结合约束屈曲支撑和磁性形状记忆合金的特点，提出一种具有较好自复位能力和可智能调控耗能屈服平台的智能自复位约束屈曲支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用磁性形状记忆合金动态改变约束屈曲支撑金属耗能特性，并能够自动复位的智能金属阻尼器，用于土木建筑结构动力灾害下的耗能减振。本发明利用金属滞回特性提供主要耗能能力，借助磁性形状记忆合金改变阻尼器的金属屈服滞回参数，并在振后复位阻尼器初始变形。相较于一般约束屈曲支撑，滞回耗能参数可调，且能自动复位。为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种磁性形状记忆合金智能自复位约束屈曲支撑，所述约束屈曲支撑包括连接件、端封板、缸筒、约束盒、核心金属和控制单元，所述连接件沿缸筒内部中心轴线设置，所述连接件的两端伸出于缸筒的外端面并与外部主结构进行连接，所述缸筒的两个端面与连接件之间的空隙通过端封板封闭；所述连接件包括核心金属和连接在核心金属两端的连接板，连接有核心金属一端的连接板设置在缸筒内并在其端部设有垂直于连接板轴向的限位板；所述缸筒的内壁上于核心金属的两侧焊接有多个约束盒，所述缸筒的两端于限位板和端封板之间设有多个控制单元；
所述控制单元包括导杆、单元盒体、线圈、永磁体和磁性形状记忆合金块，所述磁性形状记忆合金块的顶端通过垫板与导杆相连接，所述导杆垂直抵在限位板的端面，所述磁性形状记忆合金块的另一端通过垫板抵在端封板的端面，所述磁性形状记忆合金块的外周包裹线圈，所述线圈的外周为永磁体，所述永磁体的外部安装单元盒体。
进一步的，所述核心金属采用高延性的低屈服点钢材，为“一”字形结构，所述核心金属的两端通过螺栓与连接板进行连接。
进一步的，所述约束盒为钢板制成的空心盒状结构，其均匀布置于缸筒内部以及核心金属两侧，核心金属两侧的约束盒对称设置。
进一步的，所述磁性形状记忆合金块采用Ni2MnGa、Ni2FeGa磁性形状记忆合金或复合材料。
进一步的，所述缸筒两端的控制单元对称设置。
进一步的，所述连接件采用高强度钢材制成，伸出于缸筒外部的连接板侧壁上开设多个孔洞。
进一步的，所述端封板为钢材材质，所述缸筒采用高强度合金钢，所述缸筒的内部预留有槽道。
其主要原理是：阻尼器两端的连接板与结构共同工作发生相对运动，从而推拉核心金属，约束盒给核心金属足够的约束，以避免其发生屈曲，保证核心金属无论手拉还是受压均有较好的受力性能，通过金属受拉或受压屈服后的滞回特性耗散振动能量。不通电时，在小位移的情况下，核心金属不屈服，约束屈曲支撑发挥普通钢支撑的作用，为结构提供足够的刚度；在大位移的情况下，核心金属屈服，发生金属滞回耗能，衰减动力响应，同时磁性形状记忆合金块发生超弹性变形，耗能部分能量；振动结束后，由于磁性形状记忆合金的超弹性效应，支撑恢复初始变形状态。通电时，在线圈产生的激励磁场和永磁体产生的偏置磁场共同作用下，控制磁性形状记忆合金块的变形或超弹性滞回特性，从而改变整个约束屈曲支撑的屈服平台，实现半主动控制，同时在振动结束后，由于磁性形状记忆效应能够在振动结束后使约束支撑复位。此外，在金属核心尚未屈服的小位移情况下，可以通过改变磁场强度，主动输出控制力或改变支撑整体刚度，发挥主动控制和变刚度控制的作用。
有益效果：本发明提供了一种磁性形状记忆合金智能自复位约束屈曲支撑，首先，其作为一种耗能减振装置，本发明能够有效衰减土木结构在动力灾害下的响应，实现工程结构动力灾害防护。该装置综合利用了核心金属滞回耗能、磁性形状记忆合金超弹性和磁性形状记忆效应来耗散能量，不通电时表现为具有自复位能力的约束屈曲支撑，通电后表现为变屈服平台的半主动控制，同时还能在小位移时变刚度和主动输出控制力。该约束屈曲支撑具有阻尼耗能强、可恢复变形、多种工作状态等优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的外观示意图。
图2是本发明的纵向剖面结构示意图。
图3是本发明图2中1-1剖面结构示意图。
图4是本发明图2中2-2剖面结构示意图。
图5是本发明的控制单元结构示意详图。
图中：1、连接件；11、连接板；12、限位板；2、端封板；3、缸筒；4、约束盒；5、核心金属；6、控制单元； 61、导杆；62、单元盒体；63、线圈；64、永磁体；65、磁性形状记忆合金块。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
一种磁性形状记忆合金智能自复位约束屈曲支撑，如图1-5所示，所述约束屈曲支撑包括连接件1、端封板2、缸筒3、约束盒4、核心金属5和控制单元6，所述连接件1沿缸筒内部中心轴线设置，所述连接件1的两端伸出于缸筒3的外端面并与外部主结构进行连接，所述缸筒3的两个端面与连接件1之间的空隙通过端封板2封闭；所述连接件1包括核心金属5和连接在核心金属5两端的连接板11，连接有核心金属5一端的连接板11设置在缸筒3内并在其端部设有垂直于连接板11轴向的限位板12；所述缸筒3的内壁上于核心金属5的两侧焊接有多个约束盒4，所述缸筒3的两端于限位板12和端封板2之间设有多个控制单元6；
所述控制单元6包括导杆61、单元盒体62、线圈63、永磁体64和磁性形状记忆合金块65，所述磁性形状记忆合金块65的顶端通过垫板与导杆61相连接，所述导杆61垂直抵在限位板12的端面，所述磁性形状记忆合金块65的另一端通过垫板抵在端封板2的端面，所述磁性形状记忆合金块65的外周包裹线圈63，所述线圈63的外周为永磁体64，所述永磁体64的外部安装单元盒体62。
所述核心金属5采用高延性的低屈服点钢材，为“一”字形结构，所述核心金属5的两端通过螺栓与连接板11进行连接。
所述约束盒4为钢板制成的空心盒状结构，其均匀布置于缸筒3内部以及核心金属5两侧，核心金属5两侧的约束盒4对称设置。
所述磁性形状记忆合金块采用Ni2MnGa、Ni2FeGa磁性形状记忆合金或复合材料。
所述缸筒两端的控制单元对称设置。
所述连接件1采用高强度钢材制成，伸出于缸筒外部的连接板11侧壁上开设多个孔洞，以便于与主体结构连接，缸筒内部的连接板与核心金属和限位板连接；限位板与控制单元连接，并限制约束屈曲支撑的最大变形。
所述端封板2为钢材材质，一方面给控制单元6以支点，另一方面保护缸筒3内部空间免于直接接触环境；所述缸筒3采用高强度合金钢，所述缸筒3的内部预留有槽道，用于布置导线。
本发明所述约束屈曲支撑的制作步骤如下：
（1）对结构进行分析，计算出所需要的约束屈曲支撑设计参数，据此确定约束屈曲支撑核心金属5尺寸、控制单元6大小与个数以及缸筒3、约束盒4等部件的参数；
（2）根据设计参数制作磁性形状记忆合金块65，在其外侧制作骨架并包裹线圈63，安装永磁体64，将导杆61设置于磁性形状记忆合金块65顶部，安装非导磁材料的单元盒体62，完成控制单元6的制作；通过对永磁体64的调整调节初始状态，控制非通电状态下的约束屈曲支撑力学特性；
（3）根据设计参数加工连接件1的连接板11和限位板12，并将两者焊接或者铸造于一起；制作缸筒3和核心金属5，在缸筒内侧焊接约束盒4，将核心金属5插入缸筒3中约束盒4之间，核心金属5两端通过螺栓与连接板11连接；
（4）将控制单元6放入缸筒3，并将其中的导杆61抵住限位板12，利用端封板2封住缸筒3两端，并且端封板2抵住控制单元6底部，完成阻尼器的整体组装。
Claims (5)
1.一种磁性形状记忆合金智能自复位约束屈曲支撑，其特征在于，所述约束屈曲支撑包括连接件、端封板、缸筒、约束盒、核心金属和控制单元，所述连接件沿缸筒内部中心轴线设置，所述连接件的两端伸出于缸筒的外端面并与外部主结构进行连接，所述缸筒的两个端面与连接件之间的空隙通过端封板封闭；所述连接件包括核心金属和连接在核心金属两端的连接板，连接有核心金属一端的连接板设置在缸筒内并在其端部设有垂直于连接板轴向的限位板；所述缸筒的内壁上于核心金属的两侧焊接有多个约束盒，所述缸筒的两端于限位板和端封板之间设有多个控制单元；所述控制单元包括导杆、单元盒体、线圈、永磁体和磁性形状记忆合金块，所述磁性形状记忆合金块的顶端通过垫板与导杆相连接，所述导杆垂直抵在限位板的端面，所述磁性形状记忆合金块的另一端通过垫板抵在端封板的端面，所述磁性形状记忆合金块的外周包裹线圈，所述线圈的外周为永磁体，所述永磁体的外部安装单元盒体，所述磁性形状记忆合金块采用Ni 2 MnGa、Ni 2 FeGa磁性形状记忆合金或复合材料，所述缸筒两端的控制单元对称设置。
2.根据权利要求1所述的一种磁性形状记忆合金智能自复位约束屈曲支撑，其特征在于，所述核心金属采用高延性的低屈服点钢材，为“一”字形结构，所述核心金属的两端通过螺栓与连接板进行连接。
3.根据权利要求1所述的一种磁性形状记忆合金智能自复位约束屈曲支撑，其特征在于，所述约束盒为钢板制成的空心盒状结构，其均匀布置于缸筒内部以及核心金属两侧，核心金属两侧的约束盒对称设置。
4.根据权利要求1所述的一种磁性形状记忆合金智能自复位约束屈曲支撑，其特征在于，所述连接件采用高强度钢材制成，伸出于缸筒外部的连接板侧壁上开设多个孔洞。
5.根据权利要求1所述的一种磁性形状记忆合金智能自复位约束屈曲支撑，其特征在于，所述端封板为钢材材质，所述缸筒采用高强度合金钢，所述缸筒的内部预留有槽道。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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