CN110725557A - 一种用于历史建筑的sma复合悬摆减震装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置，包括固定支撑装置，固定支撑装置为五面闭合一面开口、内部空腔的立体结构，质量振子通过摆杆与支撑装置相连。丝‑钢索连接装置由SMA丝、钢索通过丝索转换头连接而成。丝‑钢索连接装置SMA丝端穿过挡板与滑块相连，钢索端经过上部转向滑轮转向，由钢索通道穿出装置与外部结构固定连接。本发明将悬摆减震体系与SMA丝相结合，利用丝‑钢索连接装置与结构内部连接，将悬摆减震体系的惯性力通过丝‑钢索连接装置传递给结构，同时利用SMA丝的相变伪弹性提供阻尼，达到消能减震的目的。该装置具有制作简单、布置方便灵活等特点，并可有效地减小结构的地震响应。

Description

一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置
技术领域
本发明属于减振装置技术领域，具体涉及一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置。
背景技术
目前，我国现存历史筑结构大多建造年代久远，自然灾害和人为破坏比较严重，抗灾变能力较差，亟需进行动力灾变保护。然而，由于历史筑结构保护的特殊性，很多问题，特别是历史筑结构的减震技术和保护理论等还很不完善，现有技术有待提高。
历史建筑与现代建筑不同，对其进行减震保护应遵循古建筑保护修复的原则，不能对其进行大面积的破坏性加固，所以利用外加阻尼减震装置对历史建筑结构进行减震加固是比较理想的方法。国内学者已有此领域的研究，如赵祥在文章《基于SMA阻尼器的古塔模型结构振动台试验研究》中提出了一种形状记忆合金阻尼器，制定了对广州怀圣寺光塔的减震加固方案，并制作模型进行了振动台试验。然而该方案是将SMA阻尼器置于光塔外部，且需要在塔身表面开设多条槽道用于塔顶钢索与塔底阻尼器的连接。这种方法虽然能对历史建筑减震起到一定的作用，但是严重破坏了历史建筑的结构，改变了历史建筑的原貌，使其丧失了原有的艺术及文学价值。
悬摆减震体系是一种可设置于历史建筑结构内部的减震系统。悬摆减震体系是一种基于被动控制原理的结构减震体系，其工作原理是：当结构因外部激励产生振动响应时，结构振动带动悬摆质量振子摆动，质量振子的摆动又反馈给结构一个控制力，从而达到减震的效果。但是，若单独将悬摆减震体系设置于历史建筑结构内部楼板上，悬摆减震体系由于自身特点对历史建筑结构起到的减震作用较小。故若将悬摆减震体系与SMA丝相结合，利用丝-钢索与历史建筑结构内部连接，研发性能良好的SMA复合悬摆减震装置，则可将悬摆减震体系的惯性力通过丝-钢索传递给历史建筑结构，同时还能利用SMA复合悬摆减震装置中的SMA丝提供阻尼，达到消能减震的目的，从而比较明显地减小历史建筑结构的地震响应。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置，具有良好的减震效果和减震稳定性，能够有效地防止古塔类历史建筑在强震作用下被破坏的情况发生。
本发明所采用的技术方案是，一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置，包括固定支撑装置，固定支撑装置为五面闭合一面开口、内部空腔的立体结构，固定支撑装置内悬挂连接有质量振子，在质量振子的外围固定有两个丝-钢索连接装置，丝-钢索连接装置在固定支撑装置内两侧对称布置；每个丝-钢索连接装置向上穿出固定支撑装置与外部结构相连，固定支撑装置的底板固定有对称设置的一对挡板，在两个挡板之间设置有滑轨，在滑轨上设置有两个滑块，丝-钢索连接装置向下的一端穿过挡板连接在其中一个滑块上。
本发明的特点还在于，
丝-钢索连接装置包括SMA丝和钢索，SMA丝和钢索通过丝索转换头连接而成；SMA丝远离丝索转换头的一端穿过挡板与滑块相连，钢索远离丝索转换头的一端穿出固定支撑装置与外部结构相连。
固定支撑装置包括上下相对设置的上限位板、下限位板以及三面围护板；上限位板、下限位板、三面围护板通过首尾拼接组成五面闭合一侧开口、内部空腔的结构；挡板固定在下限位板上，上限位板上设置开设有钢索通道，钢索穿过钢索通道连接在外部结构上。
下限位板两侧边缘部位还设置有底部转向滑轮，每个底部转向滑轮分别位于两个挡板的外侧，SMA丝通过底部转向滑轮转向后再穿过挡板与滑块固定连接。
上限位板中间部位垂直固定有单向铰，质量振子通过摆杆与单向铰连接；单向铰的转轴中部光滑无螺纹，能够保证摆杆的自由转动。
上限位板两侧边缘对称布置上部转向滑轮，钢索一端经过上部转向滑轮后再穿过钢索通道与外部结构相连，下限位板四角部位设置腰形孔，通过沉头螺栓螺母与外部结构相连。
固定支撑装置的外部还设有遮尘罩，三面围护板由三块钢板焊接而成，两垂直钢板中部设置有与遮尘罩相接的连接扣。
质量振子上部对称设置多个螺纹孔，摆杆下端设有与螺纹孔相适应的螺纹。
质量振子下部两侧设置有外伸板；外伸板内侧设置有橡胶垫片层。
在固定支撑装置开口一侧设置有用于防尘的遮尘罩，三面围护板由三块钢板焊接而成，各个钢板中部设置有与遮尘罩相连接的连接扣。
本发明的一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置的有益效果是，本发明的悬摆减震装置将悬摆减震体系与SMA丝相结合，利用丝-钢索连接装置与结构内部连接，将悬摆减震体系的惯性力通过丝-钢索连接装置传递给结构，同时利用SMA丝的相变伪弹性提供阻尼，达到消能减震的目的。该装置具有制作简单、布置方便灵活等特点，并可有效地减小结构的地震响应。
附图说明
图1是本发明的一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置的剖面图；
图2是本发明的一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置的侧视图；
图3是本发明的一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置的俯视图；
图4为本发明装置与历史建筑某层顶部混凝土梁板相连示意图；
图5为本发明装置与历史建筑某层底部混凝土梁板相连示意图。
图中，1.上限位板，2.下限位板，3.三面围护板，4.单向铰，5.钢索通道；6.上部转向滑轮，7.挡板，8.底部转向滑轮，9.腰形孔，10.连接扣，11.摆杆，12.SMA丝，13.丝索转换头，14.钢索，15.顶部混凝土梁板，16.底部混凝土梁板，17.沉头螺栓螺母，18.橡胶垫片层，100.固定支撑装置，200.质量振子，300.滑块，400.丝-钢索连接装置，500.遮尘罩。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置，结构如图1所示，包括固定支撑装置100，固定支撑装置100为五面闭合一面开口、内部空腔的立体结构，固定支撑装置100内悬挂连接有质量振子200，在质量振子200的外围固定有两个丝-钢索连接装置，丝-钢索连接装置400在固定支撑装置100内两侧对称布置；每个丝-钢索连接装置向上穿出固定支撑装置100与外部结构相连，固定支撑装置100的底板固定有对称设置的一对挡板7，在两个挡板7之间设置有滑轨，在滑轨上设置有两个滑块300，丝-钢索连接装置向下的一端穿过挡板7连接在其中一个滑块300上。
丝-钢索连接装置400包括SMA丝12和钢索14，SMA丝12和钢索14通过丝索转换头13连接而成；SMA丝12远离丝索转换头13的一端穿过挡板7与滑块300相连，钢索14远离丝索转换头13的一端穿出固定支撑装置100与外部结构相连。
固定支撑装置100包括上下相对设置的上限位板1、下限位板2以及三面围护板3；上限位板1、下限位板2、三面围护板3通过首尾拼接组成五面闭合一侧开口、内部空腔的结构；挡板7固定在下限位板2上，上限位板1上设置开设有钢索通道5(如图3所示)，钢索14穿过钢索通道5连接在外部结构上。
下限位板2两侧边缘部位还设置有底部转向滑轮8，每个底部转向滑轮8分别位于两个挡板7的外侧，SMA丝12通过底部转向滑轮8转向后再穿过挡板与滑块300固定连接。
上限位板1中间部位垂直固定有单向铰4(如图2所示)，质量振子200通过摆杆11与单向铰4连接；单向铰4的转轴中部光滑无螺纹，能够保证摆杆11的自由转动。
上限位板1两侧边缘对称布置上部转向滑轮6，钢索14一端经过上部转向滑轮6后再穿过钢索通道5与外部结构相连，下限位板四角部位设置腰形孔9，通过沉头螺栓螺母17与外部结构相连。钢索14经过上部转向滑轮转向6、由钢索通道5穿出装置与结构某层顶部混凝土梁板15或底部混凝土梁板16通过沉头螺栓螺母固定连接(如图4和图5)。
固定支撑装置100的外部还设有遮尘罩500，三面围护板3由三块钢板焊接而成，两垂直钢板中部设置有与遮尘罩500相接的连接扣10。
质量振子200上部对称设置多个螺纹孔，摆杆11下端设有与螺纹孔相适应的螺纹。
质量振子200下部两侧设置有外伸板；外伸板内侧设置有橡胶垫片层18。
在固定支撑装置100开口一侧设置有用于防尘的遮尘罩500，三面围护板3由三块钢板焊接而成，各个钢板中部设置有与遮尘罩500相连接的连接扣10。
所述SMA丝12常温状态为奥氏体，利用常温下奥氏体SMA丝的相变伪弹性提供阻尼，达到消能减震的目的。
滑块300位于下限位板2上，丝-钢索连接装置400中SMA丝12的预拉反力由挡板7提供，预拉后滑块300与挡板7紧贴。
以一次循环为例来说明SMA复合悬摆减震装置的工作原理和过程：当地震作用较小时，质量振子不与滑块接触，可以自由摆动，通过刚性固定支撑装置将反向的惯性力作用于结构之上；当历史建筑受地震影响较大时，质量振子与滑块一起运动，若结构向右振动时，质量振子将向左摆动，并带动右侧滑块沿水平滑道运动，拉动右侧SMA丝产生相对位移Δε，此时左侧的SMA丝仍处于静止状态，当质量振子恢复到平衡位置时，SMA丝回到初始预拉状态，右侧SMA丝经历了一个耗能循环过程，形成比较饱满的滞回曲线，实现了对结构的消能减震，同时质量振子的惯性力通过钢索反作用到结构上，对结构的地震响应产生抑制作用，从而使结构的地震响应得到衰减。同理，质量振子向右运动时的原理相同。
SMA复合悬摆减震装置在历史建筑结构内部的设置可分为钢索顶部连接和钢索底部连接两种方法。顶部连接：该方法是将SAM丝通过丝-索转换接头与钢索连接，经过SMA复合悬摆减震装置底部和顶部的转向滑轮两次转向后固定于历史建筑结构的上部楼板。底部连接：该方法是将SAM丝通过丝-索转换接头与钢索连接，经过SMA复合悬摆减震装置底部和顶部的转向滑轮转向后固定于结构的底板处。由于SMA复合悬摆减震装置体积较小且布置灵活，因此在历史建筑结构内部可以有多种不同位置和不同连接方法的组合设置方案。如：沿/垂直劵洞方向顶部连接、多方向顶部连接、多方向底部连接及多方向混合连接等方法，可根据历史建筑结构类型和保护需要，选择比较好的工程优化布置方式。当在建筑内可以连续布置多个SMA复合悬摆减震装置时，可使历史建筑结构自上而下连接成为一个整体，有效提高历史建筑结构的整体性。
以上所述的具体实施实例仅仅是对本专利的式例性说明，并非对本专利的范围进行限定，在不脱离本专利设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本专利技术方案做出的各种变形和改进，均落入本专利权利要求数确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置，其特征在于，包括固定支撑装置(100)，所述固定支撑装置(100)为五面闭合一面开口、内部空腔的立体结构，所述固定支撑装置(100)内悬挂连接有质量振子(200)，在所述质量振子(200)的外围固定有两个丝-钢索连接装置，所述丝-钢索连接装置(400)在固定支撑装置(100)内两侧对称布置；每个所述丝-钢索连接装置向上穿出固定支撑装置(100)与外部结构相连，所述固定支撑装置(100)的底板固定有对称设置的一对挡板(7)，在两个所述挡板(7)之间设置有滑轨，在所述滑轨上设置有两个滑块(300)，所述丝-钢索连接装置向下的一端穿过挡板(7)连接在其中一个滑块(300)上。
2.根据权利要求1所述的一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置，其特征在于：所述丝-钢索连接装置(400)包括SMA丝(12)和钢索(14)，所述SMA丝(12)和钢索(14)通过丝索转换头(13)连接而成；所述SMA丝(12)远离丝索转换头(13)的一端穿过挡板(7)与滑块(300)相连，所述钢索(14)远离丝索转换头(13)的一端穿出固定支撑装置(100)与外部结构相连。
3.根据权利要求2所述一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置，其特征在于：所述固定支撑装置(100)包括上下相对设置的上限位板(1)、下限位板(2)以及三面围护板(3)；所述上限位板(1)、下限位板(2)、三面围护板(3)通过首尾拼接组成五面闭合一侧开口、内部空腔的结构；所述挡板(7)固定在下限位板(2)上，所述上限位板(1)上设置开设有钢索通道(5)，所述钢索(14)穿过钢索通道(5)连接在外部结构上。
4.根据权利要求3所述一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置，其特征在于：所述下限位板(2)两侧边缘部位还设置有底部转向滑轮(8)，每个所述底部转向滑轮(8)分别位于两个挡板(7)的外侧，所述SMA丝(12)通过底部转向滑轮(8)转向后再穿过挡板与滑块(300)固定连接。
5.根据权利要求3所述一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置，其特征在于：所述上限位板(1)中间部位垂直固定有单向铰(4)，所述质量振子(200)通过摆杆(11)与单向铰(4)连接；所述单向铰(4)的转轴中部光滑无螺纹，能够保证摆杆(11)的自由转动。
6.根据权利要求3所述一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置，其特征在于：所述上限位板(1)两侧边缘对称布置上部转向滑轮(6)，钢索(14)一端经过上部转向滑轮(6)后再穿过钢索通道(5)与外部结构相连，所述下限位板四角部位设置腰形孔(9)，通过沉头螺栓螺母(17)与外部结构相连。
7.根据权利要求3所述一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置，其特征在于：所述固定支撑装置(100)的外部还设有遮尘罩(500)，所述三面围护板(3)由三块钢板焊接而成，两垂直钢板中部设置有与遮尘罩(500)相接的连接扣(10)。
8.根据权利要求4所述一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置，其特征在于：所述质量振子(200)上部对称设置多个螺纹孔，所述摆杆(11)下端设有与所述螺纹孔相适应的螺纹。
9.根据权利要求5所述一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置，其特征在于：所述质量振子(200)下部两侧设置有外伸板；所述外伸板内侧设置有橡胶垫片层(18)。
10.根据权利要求3所述一种用于历史建筑的SMA复合悬摆减震装置，其特征在于：在所述固定支撑装置(100)开口一侧设置有用于防尘的遮尘罩(500)，所述三面围护板(3)由三块钢板焊接而成，各个钢板中部设置有与遮尘罩(500)相接的连接扣(10)。
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