CN112301879B - 一种水平全方向位移放大型sma耗能减震装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置，属于结构振动控制技术领域。所述装置由顶板、球面环、“葫芦型”转动球体、高强螺栓、杠杆臂、中空圆台、SMA绞线、U型锁环、底板、紧固夹具、弹簧螺栓等组成。本装置通过“葫芦型”转动球体的全向转动能力，使装置在随机的、方向不可预测的多向地震作用下，依然能够利用SMA绞线的滞回变形进行耗能，从而提供360度全向有效阻尼。同时，该装置通过杠杆球铰转动机构将桥梁结构墩梁的相对位移放大，进而使串联耗能材料的位移、速度等响应放大，保证装置在大、中、小震作用下都能发挥良好的耗能能力。本发明构造明确、适用性强，是一种安全、高效的耗能减震装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于土木工程的水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置，属于结构振动控制技术领域，特别涉及一种桥梁结构梁底耗能减震构件的水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置。
背景技术
桥梁减震设计是减小桥梁地震灾害的一种有效方式，研发性能可靠、减震效果良好的耗能减震装置是桥梁减震设计的关键问题。在过去二十年中，耗能减震技术研究与应用取得了长足的进步，但是，各国学者对于耗能减震装置的研究大都限于单一方向有效，不能很好地适应实际随机的、方向不可预测的、多维的地震等灾害的作用。
现有的位移或速度相关型耗能减震装置在工作时的速度和位移与连接点的相对速度和位移相等，如果连接点的相对速度和位移比较小，耗能减震装置就无法充分发挥其耗能能力。而且，目前的耗能减震装置为了增加提供阻尼力的能力，往往采用增大阻尼器尺寸或增加阻尼器数量的方式来实现，但效果并不理想。
形状记忆合金(shape memory alloy，SMA)是一种具有超弹性和高阻尼特性的智能材料，它与普通材料相比有许多优点：抗疲劳性能好、自复位性能强 (可恢复应变达6％～8％)、稳定的滞回性能(典型的旗帜形滞回曲线)、对温度不敏感(在奥氏体相变点以上某一温度区间内保持稳定的超弹性平台)、抗腐蚀能力好，根据这些特性可研制出性能良好的耗能减振装置。
因此，如何提供一种360度全向有效、耗能能力充分发挥的SMA耗能减振装置，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置，实现在实际随机地震作用下提供360度全向有效阻尼的能力，同时可以将外荷载作用下所连接构件之间产生的相对较小变形根据需要进行放大，充分发挥SMA的超弹性滞回耗能能力。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置，包括顶板1、球面环A2、“葫芦型”转动球体3、高强螺栓A4、球面环B5、球面环C6、杠杆臂7、中空圆台8、SMA绞线9、U型锁环10、底板11、高强螺栓B12、紧固夹具13、弹簧螺栓14、上部结构15；
所述顶板1和球面环A2之间装有“葫芦型”转动球体，顶板和球面环A2 通过八个高强螺栓A4连接固定；“葫芦型”转动球体3的下部设置在球面环B5 和球面环C6之间，而且“葫芦型”转动球体3设置有一个螺栓孔腔，“葫芦型”转动球体3通过螺栓孔腔与杠杆臂7的上端连接；球面环B5和球面环C6通过八个高强螺栓A4连接固定，同时球面环C6与中空圆台8焊接连接；所述杠杆臂7的下端设有球面柱头，球面柱头用于保证SMA绞线9一端与杠杆臂7的有效连接；在与杠杆臂7的球面柱头等高的中空圆台8内壁上等间距地布置八个U 型锁环10，且U型锁环10与中空圆台8内壁通过焊接连接，中空圆台8与底板11通过八个高强螺栓B12连接；所述SMA绞线9共设置八条，八条SMA 绞线9的一端通过紧固夹具13与杠杆臂7的下端连接，另一端通过紧固夹具13 与中空圆台8内壁的U型锁环10连接；顶板1通过四个弹簧螺栓14与上部结构15连接，上部结构15与桥面板固接，底板11通过四个高强螺栓与桥梁结构的桥墩或桥台连接。
其中，所述球面环A2由左球面环A2和右球面环A2两部分拼接构成，所述球面环B5由左球面环B5和右球面环B5两部分拼接构成，所述球面环A2和球面环B5的材料、外形和尺寸相同；所述杠杆臂7上端设有螺纹，杠杆臂7上端旋转插入“葫芦型”转动球体3上的螺栓孔腔锁紧固定；所述SMA绞线9用 N根SMA丝制成，N的数值由所受外荷载大小确定；所述紧固夹具13采用U 型夹头或铜套(用液压钳挤压紧固)，通过调节紧固夹具13的预紧力来调整SMA绞线9的预张力。
当建筑结构带动顶板1做水平运动时，顶板1带动“葫芦型”转动球体3 发生转动，并通过杠杆球铰转动机构将位移响应进行放大后传递到杠杆臂7末端，杠杆臂7末端带动SMA绞线9产生往复滞回变形而耗能。
由杠杆和双球铰组成的杠杆球铰转动机构将位移响应放大b/a倍后传递到杠杆臂7的下端，杠杆臂7下端带动SMA绞线9产生往复滞回变形而耗能；其中，a为”葫芦型”转动球体3下球心至上球心的距离，b为下球心至杠杆臂7 下端的距离。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1、本发明采用的“圆台型”构造体系具有旋转对称性，可提供360度全向有效阻尼，有效减小多维随机地震响应。
2、本发明具备响应放大技术，利用杠杆原理将桥梁结构墩梁相对位移进行放大，进而使串联耗能材料的位移、速度等响应放大，保证了在中、小震作用下发挥良好的耗能能力；同时，在大震作用下，由于耗能材料的作用被放大，耗能效果增加，从而可以减少阻尼器的数量，减小工程成本，取得较好的经济效益。
3、本发明的耗能放大倍数可根据结构构件的实际情况进行调整，通过改变杠杆力臂比调整耗能放大倍数，达到调节耗能效果的目的。
4、本发明所用SMA绞线具有超弹性性能和稳定的滞回性能，从而具备良好的空间变形能力、耗能能力和自复位能力。
5、本发明可以通过调整SMA绞线的直径、数量、预张拉程度，方便地调节不同方向的阻尼参数。
6、本发明可以提供不同方向的不同侧向刚度。该装置可以通过调整不同方向设置的SMA绞线直径，进行强弱设计，进而调整装置在不同方向上的侧向刚度，适合应用于对侧向刚度有方向特殊需求的特种结构，如直线梁桥梁底支座对沿横桥向与纵桥向侧向刚度要求有较大的差异等。
7、本发明采用的“圆台型”构造体系稳定性好，具有较好的抗滑移、抗倾覆能力。
8、本发明构造明确、安全可靠、适用性强，取材方便、施工便捷、便于工厂化生产，通过合理的力学设计，拥有高效的耗能能力与结构性能，具有广阔的应用前景和推广市场。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置三维构造示意图；
图2为本发明实施例提供的一种水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置的A-A截面剖视图；
图3为本发明实施例提供的一种水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置的B-B截面剖视图；
图4为本发明实施例提供的一种水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置的变形演示示意图；
图5为本发明水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置应用于桥梁结构的一种安装位置示意图；
图6为本发明水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置应用于桥梁结构的另一种安装位置示意图。
图中：1顶板；2球面环A，2-1左球面环A，2-2右球面环A；3“葫芦型”转动球体，螺栓孔腔3-1；4高强螺栓A；5球面环B；6球面环C；7杠杆臂；8 中空圆台；9 SMA绞线；10U型锁环；11底板；12高强螺栓B；13紧固夹具； 14弹簧螺栓；15上部结构。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～3所示，本发明提供的一种水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置的一个实施例，包括顶板1、球面环A2、“葫芦型”转动球体3、高强螺栓 A4、球面环B5、球面环C6、杠杆臂7、中空圆台8、SMA绞线9、U型锁环 10、底板11、高强螺栓B12、紧固夹具13、弹簧螺栓14、上部结构15；所述顶板1和球面环A2之间装有“葫芦型”转动球体3，顶板1和球面环A2通过八个高强螺栓A4连接固定；所述“葫芦型”转动球体3的下部设置在球面环B5 和球面环C6之间，而且“葫芦型”转动球体3设置有一个螺栓孔腔3-1，“葫芦型”转动球体3通过螺栓孔腔3-1与杠杆臂7的上端连接；所述球面环B5和球面环C6通过八个高强螺栓A4连接固定，同时球面环C6与中空圆台8焊接连接；所述杠杆臂7的下端设有球面柱头，球面柱头用于保证SMA绞线9一端与杠杆臂7的有效连接；在与杠杆臂7的球面柱头等高的中空圆台8内壁上等间距地布置八个U型锁环10，且U型锁环10与中空圆台8内壁通过焊接连接，中空圆台8与底板11通过八个高强螺栓B12连接；所述SMA绞线9共设置八条，八条SMA绞线9的一端通过紧固夹具13与杠杆臂7的下端连接，另一端通过紧固夹具13与中空圆台8内壁的U型锁环10连接；所述上部结构15与桥面板固接，并使用弹簧螺栓14将顶板1与上部结构15连接，底板11通过高强螺栓与桥墩或桥台连接；
其中，所述球面环A2由左球面环A2和右球面环A2两部分拼接构成，所述球面环B5由左球面环B5和右球面环B5两部分拼接构成；所述球面环A和球面环B的材料、外形和尺寸相同；所述杠杆臂7上端设有螺纹，杠杆臂7上端旋转插入“葫芦型”转动球体3上的螺栓孔腔锁紧固定；所述顶板1、球面环 2、“葫芦型”转动球体3、球面环5、球面环6、杠杆臂7、中空圆台8、U型锁环10、底板11和上部结构15均采用强度较大的碳素结构钢铸造而成；所述SMA 绞线9用N根直径为0.6mm的SMA丝按照制作钢绞线的国家标准 (GB/T5224-2014)机械捻制而成，N的数值由受力强度确定；所述紧固夹具13 可以采用U型夹头或铜套(用液压钳挤压紧固)，通过调节紧固夹具13的预紧力来调整SMA绞线9的预张力。
如图4所示，本发明使用时，在随机地震作用下，该减震装置上下板水平向发生错动，当顶板1随桥面板共同运动时，通过杠杆球铰转动机构将位移响应放大b/a倍后传递到杠杆臂7的下端，杠杆臂7下端带动SMA绞线9，预张拉的SMA绞线9中一部分趋于拉长，另一部分趋于缩短松弛，往复错动过程中，两部分耗能绞线交替拉伸与回缩，依靠SMA绞线的滞回变形消耗能量。其中， a为“葫芦型”转动球体3上球心至下球心的距离，b为“葫芦型”转动球体3 下球心至杠杆臂下末端的距离。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；对本领域的普通技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置，其特征在于，该水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置包括顶板（1）、球面环A（2）、“葫芦型”转动球体（3）、球面环B（5）、球面环C（6）、杠杆臂（7）、中空圆台（8）、SMA绞线（9）、U型锁环（10）、底板（11）、紧固夹具（13）、弹簧螺栓（14）和上部结构（15）；
所述顶板（1）和球面环A（2）之间装有“葫芦型”转动球体（3）的上部球体，顶板（1）和球面环A（2）通过高强螺栓连接固定；“葫芦型”转动球体（3）的下部球体安装在球面环B（5）和球面环C（6）之间，球面环B（5）和球面环C（6）通过高强螺栓连接，球面环C（6）与中空圆台（8）的上端焊接；“葫芦型”转动球体（3）的下部球体设置有一个螺栓孔腔，“葫芦型”转动球体（3）通过螺栓孔腔与杠杆臂（7）的上端连接；所述杠杆臂（7）的下端设有球面柱头，球面柱头用于保证SMA绞线（9）一端与杠杆臂（7）的有效连接；在与杠杆臂（7）的球面柱头等高的中空圆台（8）内壁上等间距地布置八个U型锁环（10），且U型锁环（10）与中空圆台（8）内壁焊接，中空圆台（8）与底板（11）通过高强螺栓连接；所述SMA绞线（9）共设置八条，八条SMA绞线（9）的一端通过紧固夹具（13）与杠杆臂（7）的下端连接，另一端通过紧固夹具（13）与中空圆台（8）内壁的U型锁环（10）连接；顶板（1）通过弹簧螺栓（14）与上部结构（15）连接，上部结构（15）与桥面板固接，底板（11）通过高强螺栓与桥梁结构的桥墩或桥台连接；
所述杠杆臂（7）上端设有螺纹，杠杆臂（7）上端旋转插入“葫芦型”转动球体（3）上的螺栓孔腔锁紧固定；
由杠杆和双球铰组成的杠杆球铰转动机构将位移响应放大b/a倍后传递到杠杆臂（7）的下端，杠杆臂（7）下端带动SMA绞线（9）产生往复滞回变形而耗能；其中，a 为“葫芦型”转动球体（3）下球心至上球心的距离，b为下球心至杠杆臂（7）下端的距离。
2.根据权利要求1所述的水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置，其特征在于，所述球面环A（2）由左球面环和右球面环两部分拼接构成，所述球面环B（5）由左球面环和右球面环两部分拼接构成，所述球面环A（2）和球面环B（5）的材料、外形和尺寸相同。
3.根据权利要求1或2所述的水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置，其特征在于，所述SMA绞线（9）用N根SMA丝制成，N的数值由所受外荷载大小确定。
4.根据权利要求1或2所述的水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置，其特征在于，所述紧固夹具（13）采用U型夹头或铜套，通过调节紧固夹具（13）的预紧力来调整SMA绞线（9）的预张力。
5.根据权利要求3所述的水平全方向位移放大型SMA耗能减震装置，其特征在于，所述紧固夹具（13）采用U型夹头或铜套，通过调节紧固夹具（13）的预紧力来调整SMA绞线（9）的预张力。
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