CN110820980A - 一种自复位黏弹性阻尼支撑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自复位黏弹性阻尼支撑，该支撑的上部钢构件翼缘段粘接侧、下部钢构件翼缘段粘接侧之间通过黏弹性材料粘接以构成阻尼段；翼缘段端部与相邻加强段的限位凸起正对且彼此间隔为空隙段；阻尼段的牵拉侧在垂直粘接侧方向上的中心线上镜像对称分布有一合金索组，形状记忆合金索与所述中心线之间呈设定夹角，各形状记忆合金索两端分别穿过上部钢构件牵拉侧的导线孔、下部钢构件牵拉侧的导线孔并固定在限位端头上，所述限位端头顶持在与其相邻的导线孔处。本发明构造简单、运动机制明确，能很好地协调变形和运动，不论是在单向拉压还是往复荷载如地震作用下都能表现出较好的性能。

Description

一种自复位黏弹性阻尼支撑

技术领域

本发明属于结构减震技术领域或可恢复功能结构领域，尤其涉及一种既能耗能又能提供复位功能的自复位黏弹性阻尼支撑。

背景技术

功能可恢复社区、功能可恢复城市或称韧性城市要求结构体系能够实现高性能，即在地震后不需要修复或稍加修复即可恢复使用功能。自复位结构体系是可恢复功能结构中的一种，该体系通过特定装置耗散地震能量，能够在罕遇烈度地震下，不丧失建筑物的运营功能，小的损伤可以迅速修复，甚至在经受较大地震影响后能够自行将结构归位到原始零残余位移的状态。

自复位结构体系中自复位支撑体系已被大量研究和开发，例如自复位屈曲约束支撑、自复位摩擦耗能支撑等金属装置，这些装置通常具有有限数量的工作循环，并且构造复杂，运动机制很难控制，而且在结构承受较大荷载和振动时才会被启动和发挥作用，同时对风振不敏感，不利于在高层建筑中使用。对于金属屈服耗能机制，当金属耗能部件屈服，经历塑性变形后，很难恢复原状，累积的变形会残留在支撑构件中，逐渐弱化支撑的功能，直至支撑失效。对于摩擦耗能机制，当摩擦界面失效或退化会导致耗能不稳定，更有甚者导致较大的永久变形，即使装配有自复位系统，摩擦部件在恢复原位和原状时仍会产生摩擦阻力，这就会严重地阻碍复位，从而使结构震后会保留一定的残余位移。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自复位黏弹性阻尼支撑，旨在克服现有技术的不足，同时提供更好的自复位能力和较稳定可靠的耗能能力，从而使结构的残余位移很小，甚至不产生残余位移。

本发明是这样实现的，一种自复位黏弹性阻尼支撑，该支撑包括上部钢构件、下部钢构件、黏弹性材料、限位端头以及由若干平行排列的形状记忆合金索构成的合金索组；所述上部钢构件、下部钢构件均包括顺序设置的翼缘段、空隙段、加强段以及外接端，所述翼缘段包括粘接侧以及与该粘接侧相邻的牵拉侧；所述牵拉侧上均布有孔径大于形状记忆合金索直径的导线孔；其中，

所述上部钢构件翼缘段粘接侧、下部钢构件翼缘段粘接侧之间通过黏弹性材料粘接以构成阻尼段；所述翼缘段端部与相邻加强段的限位凸起正对且彼此间隔为所述空隙段；

所述阻尼段的牵拉侧在垂直粘接侧方向上的中心线上镜像对称分布有一所述合金索组，所述形状记忆合金索与所述中心线之间呈设定夹角，各形状记忆合金索两端分别穿过上部钢构件牵拉侧的导线孔、下部钢构件牵拉侧的导线孔并固定在限位端头上，所述限位端头顶持在与其相邻的导线孔处。

优选地，所述支撑还包括锚固构件，所述锚固构件包括支撑螺柱以及紧固螺母，所述支撑螺柱上设有所述导线孔；所述牵拉侧上均布若干锚定螺孔；其中，

所述支撑螺柱一端拧入锚定螺孔并配合紧固螺母固定在牵拉侧，所述形状记忆合金索端部穿过支撑螺柱的导线孔并固定在限位端头上，所述限位端头在形状记忆合金索的拉力下顶持在支撑螺柱的导线孔处。

优选地，所述限位端头包括限位块、限位杆、限位螺母；所述限位块一侧设有导线槽，且所述限位块相对于导线槽方向一侧设有通孔，该通孔导通导线槽；所述限位杆包括连接段以及限位部；其中，

所述形状记忆合金索端部依次穿过支撑螺柱的导线孔、限位杆的限位部，所述限位部位于导线槽内，且所述连接段穿过通孔配合限位螺母连接拧紧，所述限位部卡紧形状记忆合金索于限位块的导线槽内。

优选地，所述限位杆为U形夹卡状；所述限位杆两端的连接段分别穿过一所述通孔并配合一限位螺母连接拧紧；所述限位杆的限位部设有防滑刻痕。

优选地，所述翼缘段的长度、宽度以及黏弹性材料的硬度和厚度需要根据所述支撑所受的力以及形状记忆合金索与黏弹性材料的刚度关系共同确定；

所述形状记忆合金索的长度和截面面积由所述支撑所受的力以及相关的力学关系确定；

所述间隔段的长度为所述支撑的限定位移，且该长度根据黏弹性材料的最大剪切应变、形状记忆合金的长度和最大可恢复应变计算确定得到。

优选地，所述黏弹性材料为天然橡胶或者高阻尼橡胶；其中，所述上部钢构件的粘接段、下部钢构件的的粘接段分别与黏弹性材料通过硫化工艺连接。

优选地，所述外接端包括焊接在加强段端部的端板以及焊接在端板远离加强段方向侧的连接板，所述连接板上设置有外接孔。

本发明克服现有技术的不足，提供一种自复位黏弹性阻尼支撑，该支撑是由黏弹性材料、形状记忆合金索、钢构件、限位端头及锚固构件等组成，其中，黏弹性材料的剪切变形和形状记忆合金索的拉伸变形耗散能量，形状记忆合金索的超弹性性能用于复位，将这二者有机合理地组合会产生良好的耗能能力和较强的自复位能力，能够减小结构的残余位移，甚至使结构不产生残余位移。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

本发明支撑通过将黏弹性材料和形状记忆合金索组合，使自复位黏弹性阻尼支撑的构造简单，运动机制明确，使得两者的优越特性得以充分发挥，并且二者能很好地协调变形和运动，不论是在单向拉压还是往复荷载如地震作用下都能表现出较好的性能，尤其在地震作用下良好的耗能能力和较强的自复位能力使得结构残余位移很小，甚至不产生残余位移。同时，该支撑组合简单、连接简易、安装方便，即使罕遇烈度地震下发生损坏也可方便更换和替换整个装置或者某一部分。

另外，本发明支撑在小的振动下会发挥黏弹性材料的特性，利用自身的黏弹性特性，使支撑在耗能的同时又能自行恢复到原状，尤其在风振作用下，黏弹性材料的作用发挥得更明显，能够有效地减小风振响应，因而该支撑装置也可用于高层建筑中。

当形状记忆合金索处于线弹性状态时，本发明支撑能够提供附加刚度，能量耗散由黏弹性材料发生相对较小的位移来实现；当支撑发生比较大的位移时，此时形状记忆合金索晶体内部处于奥氏体向马氏体转化的阶段，即超弹性阶段或称伪弹性阶段，形状记忆合金索和黏弹性材料都会对能量耗散做出贡献，并且形状记忆合金索的超弹性特性提供了自复位力，使构件恢复到初始状态。随着变形增大，形状记忆合金索弱化的非线性特性又会减小结构的基底剪力。

此外，本发明支撑能够提供附加的刚度和阻尼，当与框架结构结合使用时，会消耗很大一部分侧向动力，这就非常恰当地、有效地减小了结构的峰值响应，保护了结构和非结构构件，提高了整个建筑的抗震性能和功能可恢复能力。

附图说明

图1是本发明自复位黏弹性阻尼支撑一实施方式的立体结构示意图；

图2是图1所示支撑的侧面结构示意图；

图3是图1所示支撑的俯视图；

图4是本发明锚固构件一实施方式的正面结构示意图；

图5是图4所示锚固构件的侧面结构示意图；

图6是图4所示锚固构件的俯视结构示意图；

图7是图4所示锚固构件中限位块的仰视结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～7所示，其中，图1是本发明自复位黏弹性阻尼支撑一实施方式的立体结构示意图；图2是图1所示支撑的侧面结构示意图；图3是图1所示支撑的俯视图；图4是本发明锚固构件一实施方式的正面结构示意图；图5是图4所示锚固构件的侧面结构示意图；图6是图4所示锚固构件的俯视结构示意图；图7是图4所示锚固构件中限位块的仰视结构示意图。

一种自复位黏弹性阻尼支撑，该支撑包括上部钢构件1、下部钢构件2、黏弹性材料3、限位端头4以及由若干平行排列的形状记忆合金索5构成的合金索组；所述上部钢构件1、下部钢构件2均包括顺序设置的翼缘段A、空隙段B、加强段C以及外接端D，所述翼缘段A包括粘接侧以及与该粘接侧相邻的牵拉侧；所述牵拉侧上均布有孔径大于形状记忆合金索5直径的导线孔；其中，所述上部钢构件1翼缘段A粘接侧、下部钢构件2翼缘段A粘接侧之间通过黏弹性材料3粘接以构成阻尼段；所述翼缘段A端部与相邻加强段C的限位凸起正对且彼此间隔为所述空隙段B；所述阻尼段的牵拉侧在垂直粘接侧方向上的中心线上镜像对称分布有一所述合金索组，所述形状记忆合金索5与所述中心线之间呈设定夹角，各形状记忆合金索5两端分别穿过上部钢构件1牵拉侧的导线孔、下部钢构件2牵拉侧的导线孔并固定在限位端头4上，所述限位端头顶持在与其相邻的导线孔处。

在本发明实施例中，上部钢构件1、下部钢构件2应当是完全对称结构，需要用特定的模具铸造，其中，所述加强段C为钢构件根部，上部钢构件1的翼缘段A的底侧设为粘接侧，下部钢构件2的顶侧设为粘接层，与该粘接层相邻的两相对方向侧均为牵拉侧，上部钢构件1、下部钢构件2的翼缘段A要具有一定的厚度，也就是牵拉侧要具有一定的厚度，以利于在上部钢构件1、下部钢构件2的牵拉侧上锚固合金索组。

在上部钢构件1、下部钢构件2粘接形成的阻尼段后，两相对方向上的牵拉侧进行相同的合金索组的设置，以阻尼段一侧的牵拉侧为例，在该牵拉侧以镜像对称的方式设置一对合金索组，各合金索组由若干平行、等距的形状记忆合金索5构成(如图1所示的4束形状记忆合金索5)，形状记忆合金索5一端连接在上部钢构件1的牵拉侧、另一端连接在下部钢构件2的牵拉侧，连接后的形状记忆合金索5呈拉紧状态，各形状记忆合金索5都保持相同的拉紧状态。在本发明实施例中，上述形状记忆合金索5可以为多根形状记忆合金丝编织而成。

事实上，在该牵拉侧以镜像对称的方式设置一对合金索组的目的在于，自复位黏弹性阻尼支撑的左右位移趋势上，始终有一合金索组起到拉紧复位的作用，在本发明实施例中，锚固各形状记忆合金索5时，应当遵循两侧斜对称锚固、由中间依次向两端进行锚固的原则。其中，所谓两侧斜对称锚固具体为：以牵拉侧在垂直粘接侧方向上的中心线为参照，该中心线两侧镜像对称分布有一所述合金索组，各合金索组中的形状记忆合金索5与该中心线之间呈一设定夹角。由于形状记忆合金索5的倾斜设置，在自复位黏弹性阻尼支撑的左位移趋势上，中心线右侧的合金索组能起到拉紧复位的作用，反之，在自复位黏弹性阻尼支撑的右位移趋势上，中心线左侧的合金索组能起到拉紧复位的作用。

此外，阻尼段两相对方向上的牵拉侧上的合金索组是完全对称设置的，以确保中心线左、右侧的合金索组对自复位黏弹性阻尼支撑的拉紧复位之力均衡，具体结构在图中有具体展示，在此不再赘述。

在本发明实施例中，导线孔的孔洞面积大于形状记忆合金索5的横截面面积，这样自复位黏弹性阻尼支撑在运动时，不受拉的一组形状记忆合金索5就能顺着导线孔发生径向伸缩运动保证了装置各部分协调运动和变形，也就不会给整个装置增加阻力和破坏钢构件与黏弹性材料3间的连接。也就是说，装置不论是受拉还是受压，只有一组形状记忆合金索5工作，即发生拉伸变形，另一组形状记忆合金索5不受拉，受拉的形状记忆合金索5是随着钢构件运动，黏弹性材料3在运动的过程中发生剪切变形，由于硫化工艺，上下钢构件会粘结得很好，不会被轻易撕裂和剥离，除非特别大的力，按照图1来说明，若左端固定，右端施加压力，即下部钢构件2运动，此时是左侧这一组的形状记忆合金索5被拉伸，右侧一组的形状记忆合金索5相当于被压缩。这种设置的目的，就是为了不让不受拉的形状记忆合金索5受压，让它能自由运动和伸缩，也就不会给装置增加破坏力，而该破坏力相当于让上下部钢构件与黏弹性材料3发生剥离，破坏与黏弹性材料的连接，因此，需要让不受拉的一组形状记忆合金无约束地运动。

在本发明实施例中，所述黏弹性材料3为天然橡胶或者高阻尼橡胶；其中，所述上部钢构件1的粘接侧、下部钢构件2的的粘接侧分别与黏弹性材料3通过硫化工艺连接。在硫化工艺时，上部钢构件1的翼缘段A末端与下部钢构件2的加强段C末端之间留有一定的距离，即上部钢构件1的空隙段B(同理，下部钢构件2的空隙段B应当与上部钢构件1的空隙段B等长)，应当能适应上、下部钢构件2及黏弹性材料3的运动和变形，该空隙段B的距离相当于自复位黏弹性阻尼支撑的限定位移，它是根据黏弹性材料3的最大剪切应变、形状记忆合金的长度和最大可恢复应变计算设置的。

具体来说，若假定形状记忆合金的长度l＝600mm，最大可恢复应变ε根据试验测得可达到8％，即ε＝8％，那么形状记忆合金索5在可恢复应变范围内的最大伸长量：

Δl＝l×ε＝600×8％＝48mm (1)

黏弹性材料3的最大剪切应变γ设定为250％，厚度t设定为20mm，那么黏弹性材料3的剪切位移Δ_γ可通过以下公式计算出来：

Δ_γ＝t×γ＝20×250％＝50mm (2)

从装置的安全性和形状记忆合金索5和黏弹性材料3变形协调的角度出发，取Δl和Δ_γ二者较小值作为装置的设定位移。这样就能保障黏弹性材料3的剥离强度和装置硫化工艺，也能保证形状记忆合金安全工作，防止其超弹性特性被破坏而影响整个支撑的工作性能。此外，所述钢构件粘接段的长度、宽度以及黏弹性材料3的硬度和厚度需要根据支撑所受的力以及形状记忆合金5与黏弹性材料3的刚度关系共同确定；另外，所述形状记忆合金索5的长度和截面面积由所述支撑所受的力以及相关的力学关系确定。

在本发明实施例中，更具体的，上部钢构件1、下部钢构件2的外接端D包括焊接在加强段C端部的端板D-1，端板D-1的截面面积要大于钢构件加强段C的截面面积；端板D-1远离加强段C方向侧焊接有连接板D-2，连接板D-2上设置有用于配合高强螺栓与主体结构相连的外接孔D-3。

在本发明的进一步实施过程中，更具体的，本发明提供了上述形状记忆合金索5与牵拉侧的导线孔连接结构的具体形式，本发明支撑还包括锚固构件6，所述锚固构件6包括支撑螺柱6-1、紧固螺母6-2，所述支撑螺柱6-1上设有所述导线孔；所述牵拉侧上均布若干锚定螺孔(图中省略视图)；其中，所述支撑螺柱6-1一端拧入锚定螺孔并配合紧固螺母6-2固定在牵拉侧，所述形状记忆合金索5端部穿过支撑螺柱6-1的导线孔并固定在限位端头4上，所述限位端头4在形状记忆合金索5的拉力下顶持在支撑螺柱6-1的导线孔处。

在本发明实施例中，为便于形状记忆合金索5的锚固，更具体的，所述限位端头4包括限位块4-1、限位杆4-2、限位螺母4-3；所述限位块一侧设有导线槽，且所述限位块相对于导线槽方向一侧设有通孔，该通孔导通导线槽；所述限位杆包括连接段以及限位部；其中，所述形状记忆合金索5端部依次穿过支撑螺柱6-1的导线孔、限位杆的限位部，所述限位部位于导线槽内，且所述连接段穿过通孔配合限位螺母连接拧紧，所述限位部卡紧形状记忆合金索5于限位块的导线槽内。

在本发明实施例中，为确保锚固的牢固性，更具体的，所述限位杆为U形夹卡状；所述限位杆两端的连接段分别穿过一所述通孔并配合一限位螺母连接拧紧；所述限位杆的限位部设有防滑刻痕4-4。在本发明实际应用过程中，该锚固构件6的具体锚固方法为：先将紧固螺母6-2转紧到支撑螺柱6-1没有导线孔的一端，再将支撑螺柱6-1没有导线孔的一端紧固到上部钢构件1中的锚定螺孔中，之后将形状记忆合金索5穿过支撑螺柱6-1的导线孔以及限位杆的U形限位部，限位杆两端连接段分别穿过限位块的通孔并配合相应的限位螺母连接拧紧，所述限位部卡紧形状记忆合金索5的锚固点；其中，根据已锚固点到相应的下部钢构件2的形状记忆合金索5锚固点的距离，确定形状记忆合金索5的长度，并且对应位置支撑螺柱上的导线孔要相呼应，保证形状记忆合金索5是斜向笔直锚固的，最后用同样的方法将形状记忆合金索5的另一端锚固在下部钢构件2相应的位置处。

在本发明的实际应用过程中，当自复位黏弹性阻尼支撑左端固定，右端施加拉力时，这时下部钢构件2发生受拉运动，带动黏弹性材料3发生剪切变形，右半部分形状记忆合金索5被拉伸，二者协同变形实现了整个装置的耗能。装置受拉变形的过程中左半部分形状记忆合金索5会顺着锚固构件6中支撑螺柱6-1的导线孔发生径向伸缩运动，这样不受拉的形状记忆合金索5就能无约束地自由运动，不会给整个装置增加阻力和破坏钢构件与黏弹性材料3间的连接。卸除拉力后，右半部分形状记忆合金索5由于经历了受拉变形，材料内部会发生晶体相变转化，超弹性特性会表现出来和发挥作用，会拉动下部钢构件2恢复到初始位置，也会驱使和有助于黏弹性材料3沿下部钢构件2接触面发生的剪切变形恢复原状；反向加载时，即下部钢构件2受压，下部钢构件2运动会带动黏弹性材料3发生剪切变形，左半部分形状记忆合金索5被拉伸，二者协同和相适应的变形实现了整个装置的耗能。装置受压变形的过程中右半部分形状记忆合金索5会顺着锚固构件6中支撑螺柱6-1的导线孔发生径向伸缩运动，这样不受拉的形状记忆合金索5就能无约束地自由运动，不会给整个装置增加阻力和破坏钢构件与黏弹性材料3间的连接。卸除压力后，左半部分形状记忆合金索5由于经历了受拉变形，材料内部的晶体会发生奥氏体向马氏体转化的过程，此转化过程超弹性特性会表现出来和发挥作用，会拉动下部钢构件2恢复到初始位置，也会驱使和有助于黏弹性材料3沿下部钢构件2接触面发生的剪切变形恢复原状。由此，在本发明实施例中，黏弹性材料3的剪切变形和形状记忆合金索5的拉伸变形耗散能量，形状记忆合金索5的超弹性性能用于复位，将这二者有机合理地组合会产生良好的耗能能力和较强的自复位能力，能够减小结构的残余位移，甚至使结构不产生残余位移。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自复位黏弹性阻尼支撑，其特征在于，该支撑包括上部钢构件、下部钢构件、黏弹性材料、限位端头以及由若干平行排列的形状记忆合金索构成的合金索组；所述上部钢构件、下部钢构件均包括顺序设置的翼缘段、空隙段、加强段以及外接端，所述翼缘段包括粘接侧以及与该粘接侧相邻的牵拉侧；所述牵拉侧上均布有孔径大于形状记忆合金索直径的导线孔；其中，

所述上部钢构件翼缘段粘接侧、下部钢构件翼缘段粘接侧之间通过黏弹性材料粘接以构成阻尼段；所述翼缘段端部与相邻加强段的限位凸起正对且彼此间隔为所述空隙段；

所述阻尼段的牵拉侧在垂直粘接侧方向上的中心线上镜像对称分布有一所述合金索组，所述形状记忆合金索与所述中心线之间呈设定夹角，各形状记忆合金索两端分别穿过上部钢构件牵拉侧的导线孔、下部钢构件牵拉侧的导线孔并固定在限位端头上，所述限位端头顶持在与其相邻的导线孔处。

2.如权利要求1所述的自复位黏弹性阻尼支撑，其特征在于，所述支撑还包括锚固构件，所述锚固构件包括支撑螺柱以及紧固螺母，所述支撑螺柱上设有所述导线孔；所述牵拉侧上均布若干锚定螺孔；其中，

所述支撑螺柱一端拧入锚定螺孔并配合紧固螺母固定在牵拉侧，所述形状记忆合金索端部穿过支撑螺柱的导线孔并固定在限位端头上，所述限位端头在形状记忆合金索的拉力下顶持在支撑螺柱的导线孔处。

3.如权利要求2所述的自复位黏弹性阻尼支撑，其特征在于，所述限位端头包括限位块、限位杆、限位螺母；所述限位块一侧设有导线槽，且所述限位块相对于导线槽方向一侧设有通孔，该通孔导通导线槽；所述限位杆包括连接段以及限位部；其中，

所述形状记忆合金索端部依次穿过支撑螺柱的导线孔、限位杆的限位部，所述限位部位于导线槽内，且所述连接段穿过通孔配合限位螺母连接拧紧，所述限位部卡紧形状记忆合金索于限位块的导线槽内。

4.如权利要求3所述的自复位黏弹性阻尼支撑，其特征在于，所述限位杆为U形夹卡状；所述限位杆两端的连接段分别穿过一所述通孔并配合一限位螺母连接拧紧；所述限位杆的限位部设有防滑刻痕。

5.如权利要求1所述的自复位黏弹性阻尼支撑，其特征在于，所述翼缘段的长度、宽度以及黏弹性材料的硬度和厚度需要根据所述支撑所受的力以及形状记忆合金索与黏弹性材料的刚度关系共同确定；

所述形状记忆合金索的长度和截面面积由所述支撑所受的力以及相关的力学关系确定；

所述间隔段的长度为所述支撑的限定位移，且该长度根据黏弹性材料的最大剪切应变、形状记忆合金的长度和最大可恢复应变计算确定得到。

6.如权利要求1所述的自复位黏弹性阻尼支撑，其特征在于，所述黏弹性材料为天然橡胶或者高阻尼橡胶；其中，所述上部钢构件的粘接段、下部钢构件的的粘接段分别与黏弹性材料通过硫化工艺连接。

7.如权利要求1所述的自复位黏弹性阻尼支撑，其特征在于，所述外接端包括焊接在加强段端部的端板以及焊接在端板远离加强段方向侧的连接板，所述连接板上设置有外接孔。

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