CN111962698A - 一种基于sma自复位滑动摩擦阻尼器 - Google Patents

一种基于sma自复位滑动摩擦阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SMA自复位滑动摩擦阻尼器，使用SMA螺栓将盖板和中心夹板螺栓连接，通过盖板和中心夹板上的斜面设计，使阻尼器受压或受拉时，中心夹板向内或向外水平滑动，斜面带动盖板外移，从而使SMA螺栓受拉。阻尼器的耗能能力由两部分组成，斜面间摩擦力耗能和SMA螺栓变形耗能。通过设计时调整斜面倾角角度大小，改变阻尼器的变形大小和SMA螺栓受拉变形大小两者之间的比例关系，从而实现位移的放大。阻尼器变形过程中，除SMA螺栓外其他构件均处于弹性阶段，而SMA螺栓由于SMA材料本身独特的超弹性，在阻尼器加载及卸载过程中不会存在残余变形。通过对SMA螺栓施加预紧力，可以使该阻尼器具有较高初始刚度。

Description

一种基于SMA自复位滑动摩擦阻尼器
技术领域
本发明涉及一种基于SMA(形状记忆合金)自复位滑动摩擦阻尼器，本发明属于土木工程的结构消能减震技术领域。
背景技术
地震对于土木工程具有极大的破坏力，如何提高土木工程的抗震能力，是现代土木工程发展的重要挑战。随着近年来地震灾害频发，在建筑工程建设中对建筑物的抗震能力提出了新的要求。传统的建筑抗震结构通过建筑自身构件的变形来消耗地震能量，然而，这会对建筑物自身结构造成永久性的破坏，造成严重的经济损失。通过在建筑结构中加入阻尼器构件，利用阻尼器而不是结构本身作为消能元件，对于提升建筑物的整体抗震性能具有重要作用。
摩擦阻尼器作为一种耗能装置，因其构造简单、耗能能力强等优点而具有广泛的应用前景。但是，普通的摩擦阻尼器本身并不具有自复位能力，即卸载后具有残余变形。这就使得地震发生后，建筑结构并不能恢复到初始位置。为了使摩擦阻尼器具有自复位能力，需要使用额外的自复位系统，常见的例如预应力钢绞线。这存在着一些缺点，例如：预应力的张拉程度不易控制；应力损失和松弛问题；预应力钢绞线本身不具有耗能能力等。为解决摩擦阻尼器的自复位问题，同时避免使用预应力造成的各种缺点，本发明提出一种基于SMA自复位滑动摩擦阻尼器，通过构件之间特殊的斜面设计和SMA螺栓实现自复位；同时，利用摩擦耗能和SMA螺栓变形耗能来实现阻尼器更强的耗能能力。
发明内容
为了推广摩擦阻尼器的实际应用，使摩擦阻尼器具有更强耗能能力的同时具有自复位能力，本发明提出了一种新型的摩擦阻尼器，该阻尼器本身具有自复位能力，同时该阻尼器相较于只通过摩擦耗能的阻尼器，具有更好的耗能能力。
本发明使用SMA螺栓将盖板和中心夹板螺栓连接，通过盖板和中心夹板上的斜面设计，使阻尼器受压或受拉时，中心夹板向内或向外水平滑动，斜面带动盖板外移，从而使SMA螺栓受拉。阻尼器的耗能能力由两部分组成：斜面间摩擦力耗能和SMA螺栓变形耗能。同时，通过设计时调整斜面倾角角度大小，可以改变阻尼器的变形大小和SMA螺栓受拉变形大小两者之间的比例关系，从而实现位移的放大，即阻尼器的变形能力强于SMA螺栓本身的变形能力。
阻尼器变形过程中，除SMA螺栓外其他构件均处于弹性阶段，而SMA螺栓由于SMA材料本身独特的超弹性，在阻尼器加载及卸载过程中不会存在残余变形。这使得阻尼器具有自复位的能力。同时，通过对SMA螺栓施加预紧力，使该阻尼器具有较高初始刚度。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种基于SMA自复位滑动摩擦阻尼器，主要包括SMA螺栓(1)、盖板(2)、中心夹板(3)和螺母(4)。盖板(2)一侧加工有第二斜面(10)，中心夹板(3)两侧均加工有第一斜面(8)。盖板(2)上开有螺栓孔(11)。中心夹板(3)上开有槽孔(9)，槽孔(9)的槽长方向与阻尼器变形方向平行；当阻尼器受压或受拉时，中心夹板(3)能够自由滑动而不会接触SMA螺栓(1)。盖板(2)和中心夹板(3)用SMA螺栓(1)连接。盖板(2)的第二斜面(10)与中心夹板(3)的第一斜面(8)倾角度数、长度均相等，装配时，盖板(2)的第二斜面(10)与中心夹板(3)的第一斜面(8)相对应，并通过SMA螺栓(1)相连接。
SMA螺栓(1)由SMA棒材加工而成，SMA螺栓(1)分为三段，包括螺纹段(5)、过渡段(6)和削弱段(7)。螺纹段(5)为螺纹轴，削弱段(7)为光轴且直径小于螺纹段(5)；由于螺纹段(5)对于SMA棒材而言相当于进行了截面削弱，所以需要将SMA棒材的加工出削弱段(7)，保证SMA螺栓受拉时，变形集中在削弱段(7)，避免螺纹段(5)率先破坏。螺纹段(5)和削弱段(7)之间加工有过渡段(6)，避免截面形状突变造成的应力集中。
如图5、图6所示，当阻尼器受压或受拉时，两端的中心夹板(3)向内或向外水平滑动。由于盖板(2)的第二斜面(10)与中心夹板(3)第一斜面(8)的存在，中心夹板(3)向内或向外的水平滑动均会引起盖板(2)垂直方向外移，进而使SMA螺栓(1)受拉。盖板(2)的第二斜面(10)与中心夹板(3)的第一斜面(8)与水平面夹角均为θ，SMA螺栓(1)由于受拉变形引起的伸长量与阻尼器总变形量之比为tanθ，当θ＜45°即tanθ＜1时，阻尼器的总变形量将大于SMA螺栓变形量，从而实现了位移的放大，充分利用SMA螺栓的变形能力。
将SMA螺栓(1)穿过盖板(2)上的螺栓孔(11)和中心夹板(3)上的槽孔(9)，SMA螺栓(1)两端分别拧上螺帽(4)。
当阻尼器受压或受拉变形时，除SMA螺栓(1)外其他构件均处于弹性阶段，即应力应变关系处于线性阶段，阻尼器卸载后不会产生残余变形。由于SMA材料本身具有超弹性，阻尼器加载过程中，SMA螺栓(1)受拉伸长，SMA螺栓(1)的应力应变关系会进入超弹性阶段，非线性的应力应变关系使得SMA螺栓(1)在变形的过程中具有了耗能能力；而SMA材料本身的超弹性使得当阻尼器卸载后，SMA螺栓本身不会产生残余变形。所以该阻尼器具有自复位能力。同时，通过对SMA螺栓施加预紧力，可以使该阻尼器具有较高初始刚度。
当阻尼器受压或受拉变形时，阻尼器总的耗能由两部分组成：盖板(2)的第二斜面(10)与中心夹板(3)的第一斜面(8)接触处由于具有摩擦力且中心夹板(3)滑动引起的摩擦耗能、SMA螺栓(1)受拉变形耗能。所以，相较于只通过摩擦耗能的阻尼器，该阻尼器具有更好的耗能能力。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明盖板和中心夹板均加工出斜面，用SMA螺栓将盖板和中心夹板连接固定。当阻尼器受压或受拉变形时，由于斜面的存在，水平方向滑动的中心夹板将带动盖板垂直方向外移，SMA螺栓受拉。所以无论阻尼器受压还是受拉，SMA螺栓只会受拉伸长，而不会受压，避免了SMA螺栓由于受压而产生屈曲。
(2)本发明阻尼器整体的耗能能力由摩擦面间的摩擦力耗能和SMA螺栓本身变形耗能两部分组成，相较于只通过摩擦耗能的阻尼器，该阻尼器具有更好的耗能能力。
(3)盖板斜面与中心夹板斜面与水平面夹角均为θ，SMA螺栓由于受拉变形引起的伸长量与阻尼器总变形量之比为tanθ，当θ＜45°即tanθ＜1时，阻尼器的总变形量将大于SMA螺栓变形量，从而实现了位移的放大，充分利用SMA螺栓的变形能力。
(4)本发明通过调整斜面倾角θ大小，可改变SMA螺栓由于受拉变形引起的伸长量与阻尼器总变形量之比，从而可以根据实际变形需求灵活调整设计。
(5)本发明通过对SMA螺栓施加预紧力，使阻尼器具有较高初始刚度。
(6)本发明阻尼器加载过程中，除SMA螺栓外其他构件均处于弹性阶段，卸载后不会产生残余变形。SMA螺栓由于SMA材料本身的超弹性，卸载后也不会产生残余变形。因此该阻尼器具有自复位能力，避免因为加载中产生塑性变形而造成的不可修复的损坏。
附图说明
图1是阻尼器装配示意图。
图2是阻尼器剖面示意图。
图3是中心夹板、盖板示意图。
图4是SMA螺栓示意图。
图5是阻尼器受拉变形示意图。
图6是阻尼器受压变形示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1-6所述，一种基于SMA自复位滑动摩擦阻尼器，该阻尼器的施作方法如下：盖板(2)、盖板上的第二斜面(10)和螺栓孔(11)、中心夹板(3)、中心夹板上的第一斜面(8)和槽孔(9)、SMA螺栓(1)、SMA螺栓上的螺纹段(5)、削弱段(6)、过渡段(7)、等均在工厂事先预制而成，而后运输至施工现场。
首先安装盖板(2)和中心夹板(3)，使盖板(2)上的第二斜面(10)与中心夹板(3)上的第一斜面(8)完全接触。为了防止斜面的磨损和生锈，可以根据实际需求在斜面间涂抹润滑剂。之后将SMA螺栓(1)穿过盖板(2)上的螺栓孔(11)和中心夹板(3)上的槽孔(9)，SMA螺栓(1)两端分别拧上螺帽(4)，施加预紧力至设计值。

Claims (6)

1.一种基于SMA自复位滑动摩擦阻尼器，其特征在于：盖板(2)一侧加工有第二斜面(10)，中心夹板(3)两侧均加工有第一斜面(8)；盖板(2)上开有螺栓孔(11)；中心夹板(3)上开有槽孔(9)，槽孔(9)的槽长方向与阻尼器变形方向平行；当阻尼器受压或受拉时，中心夹板(3)能够自由滑动而不会接触SMA螺栓(1)；盖板(2)和中心夹板(3)用SMA螺栓(1)连接；盖板(2)的第二斜面(10)与中心夹板(3)的第一斜面(8)倾角度数、长度均相等，装配时，盖板(2)的第二斜面(10)与中心夹板(3)的第一斜面(8)相对应，并通过SMA螺栓(1)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于SMA自复位滑动摩擦阻尼器，其特征在于：SMA螺栓(1)由SMA棒材加工而成，SMA螺栓(1)分为三段，包括螺纹段(5)、过渡段(6)和削弱段(7)；螺纹段(5)为螺纹轴，削弱段(7)为光轴且直径小于螺纹段(5)；螺纹段(5)和削弱段(7)之间加工有过渡段(6)，避免截面形状突变造成的应力集中。
3.根据权利要求1所述的一种基于SMA自复位滑动摩擦阻尼器，其特征在于：当阻尼器受压或受拉时，两端的中心夹板(3)向内或向外水平滑动；由于盖板(2)的第二斜面(10)与中心夹板(3)第一斜面(8)的存在，中心夹板(3)向内或向外的水平滑动均会引起盖板(2)垂直方向外移，使SMA螺栓(1)受拉；盖板(2)的第二斜面(10)与中心夹板(3)的第一斜面(8)与水平面夹角均为θ，SMA螺栓(1)由于受拉变形引起的伸长量与阻尼器总变形量之比为tanθ，当θ＜45°即tanθ＜1时，阻尼器的总变形量将大于SMA螺栓变形量。
4.根据权利要求1所述的一种基于SMA自复位滑动摩擦阻尼器，其特征在于：将SMA螺栓(1)穿过盖板(2)上的螺栓孔(11)和中心夹板(3)上的槽孔(9)，SMA螺栓(1)两端分别拧上螺帽(4)。
5.根据权利要求1所述的一种基于SMA自复位滑动摩擦阻尼器，其特征在于：当阻尼器受压或受拉变形时，除SMA螺栓(1)外其他构件均处于弹性阶段，即应力应变关系处于线性阶段，阻尼器卸载后不会产生残余变形；阻尼器加载过程中，SMA螺栓(1)受拉伸长，SMA螺栓(1)的应力应变关系会进入超弹性阶段。
6.根据权利要求1所述的一种基于SMA自复位滑动摩擦阻尼器，其特征在于：当阻尼器受压或受拉变形时，阻尼器总的耗能由两部分组成：盖板(2)的第二斜面(10)与中心夹板(3)的第一斜面(8)接触处由于具有摩擦力且中心夹板(3)滑动引起的摩擦耗能、SMA螺栓(1)受拉变形耗能。
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