CN112459586A - 位移放大型阻尼器 - Google Patents

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钱慧娟
杜修力
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    • E04B1/98—Protection against other undesired influences or dangers against vibrations or shocks; against mechanical destruction, e.g. by air-raids

Abstract

本发明公开了位移放大型阻尼器，使用大小齿轮将屈曲约束SMA棒和刚性杆连接，大齿轮与焊有齿条的刚性杆齿合，小齿轮与焊有齿条的刚性杆齿合，通过大小齿轮半径不同的设计，来控制位移放大的系数。一组同心圆齿轮被钢轴固定在钢板里，大齿轮与下部刚性杆上焊接的齿条紧密齿合，屈曲约束SMA棒通过高强螺母固定在钢板里，两个屈曲约束SMA棒中间的刚性杆上焊接一段齿条，与小齿轮紧密齿合。阻尼器的耗能能力主要来自SMA棒的变形耗能。同时，通过设计时改变大小阻尼器的半径比例，从而实现位移的放大。相较于普通的阻尼器，该阻尼器具有很好的耗能能力和自复位能力。

Description

位移放大型阻尼器
技术领域
本发明涉及一种基于屈曲约束SMA(形状记忆合金)以及位移放大技术的位移放大型阻尼器，本发明属于土木工程的结构消能减震技术领域。
背景技术
目前，阻尼器在工程结构减隔震控制领域的应用已极为广泛，但是存在中小地震作用下阻尼器的位移较小时，阻尼器难以充分发挥耗能能力的问题。若阻尼器未充分发挥作用，那么结构将无法取得预期的减震效果且会增加造价。因此作者对于如何使附加阻尼器充分发挥作用，从而较大程度地提高消能减震体系的整体减震效能做出了思考，提出了一种齿轮式位移放大装置。由于普通的阻尼器本身并不具有自复位能力，即卸载后具有残余变形。这就使得地震后建筑结构并不能恢复到初始位置，因此，该发明安装了屈曲约束SMA棒以实现自复位。
发明内容
本发明使用大小齿轮将屈曲约束SMA棒和刚性杆连接，大齿轮与焊有齿条的刚性杆齿合，小齿轮与焊有齿条的刚性杆齿合，通过大小齿轮半径不同的设计，来控制位移放大的系数。一组同心圆齿轮被钢轴固定在钢板里，大齿轮与下部刚性杆上焊接的齿条紧密齿合，屈曲约束SMA棒通过高强螺母固定在钢板里，两个屈曲约束SMA棒中间的刚性杆上焊接一段齿条，与小齿轮紧密齿合。阻尼器的耗能能力主要来自SMA棒的变形耗能。同时，通过设计时改变大小阻尼器的半径比例，从而实现位移的放大。
阻尼器变形过程中，除SMA棒外，其他构件均处于弹性阶段，SMA棒由于材料本身独特的超弹性，在阻尼器加载和卸载过程中不会产生残余变形，这使得阻尼器具有自复位的能力。
为了实现上述目的，本发明采取了如下方案：
一种基于屈曲约束SMA自复位和齿轮放大技术的位移放大型阻尼器，主要包括大钢板(1)、第一刚性杆(2)、第二刚性杆(3)、第一屈曲约束SMA棒(4)、第二屈曲约束SMA棒(5)、大齿轮(6)、小齿轮(7)、钢轴(8)、第一齿条(9)、第二齿条(10)和螺帽(11)。第一刚性杆(2)上焊有第一齿条(9)，第二刚性杆(3)上焊接第二齿条(10)。大钢板(1)一侧开有一个螺栓孔(12)，另一侧开有一个螺栓孔(12)和一个槽孔(13)；屈曲约束SMA棒共两根，分别为第一屈曲约束SMA棒(4)、第二屈曲约束SMA棒(5)；每根屈曲约束SMA棒的两端设计成螺纹段(15)，将两根屈曲约束SMA棒用螺纹段(15)与第一刚性杆(2)预留的螺纹孔(18)连接在一起，将组合在一起的屈曲约束SMA棒和第一刚性杆(2)利用螺帽(11)穿过孔(12)固定在大钢板(1)上。螺纹孔(12)供屈曲约束SMA棒的螺纹段(15)穿过，槽孔(13)供刚性杆穿过。大钢板(1)中间开一个轴孔(14)，供钢轴(8)穿过固定住大齿轮(6)和小齿轮(7)；中间的第一刚性杆(2)的焊有与大齿轮(6)契合的齿条(9)。第二刚性杆(3)焊有与小齿轮(7)契合的第二齿条(10)，穿过大钢板(1)上预留的槽孔(13)。
第一齿条(9)焊接在第一刚性杆(2)上，第二齿条(10)焊接在第二刚性杆(3)上，第一齿条(9)与第二齿条(10)平行，垂直距离为大齿轮(6)和小齿轮(7)半径之和。当阻尼器受压时，第二刚性杆(3)向内滑动，第二刚性杆(3)上焊接的第二齿条(10)与小齿轮(7)啮合，带动小齿轮(7)顺时针转动，引起大齿轮(6)的逆时针转动，大齿轮(6)与第一刚性杆(2)啮合，从而引起第一刚性杆(2)向左水平移动；当阻尼器受拉时，第二刚性杆(3)向外滑动，第二刚性杆(3)上焊接的第二齿条(10)与小齿轮(7)啮合，带动小齿轮(7)逆时针转动，引起大齿轮(6)的顺时针转动，大齿轮(6)与第一刚性杆(2)啮合，从而引起第一刚性杆(2)向右水平运动。
大齿轮(6)模数为5，压力角20°，半径为10cm；小齿轮(7)模数为2.5，压力角20°，半径为4cm。第一齿条(9)模数为5，压力角20°，长度为30cm；第二齿条(9)模数为2.5，压力角20°，长度为15cm。第一刚性杆(2)长度为30cm，半径2cm；第二刚性杆(3)长度为60cm，半径为2cm。第一屈曲约束SMA棒(4)的尺寸和第二屈曲约束SMA棒(5)尺寸大小相同，削弱段长为28cm，过渡段长为4cm，螺纹段长为8cm。钢套(18)为长方体，长度为28cm，高度为5cm，宽度为5cm。
进一步地，每根屈曲约束SMA棒分为三段，包括螺纹段(15)、过渡段(16)和削弱段(17)；螺纹段(15)为螺纹轴，削弱段(17)为光轴且直径小于螺纹段(15)。螺纹段(15)与削弱段(17)之间加工有过渡段(16)，避免截面形状突变造成应力集中。由于屈曲约束SMA棒受压时会发生屈曲，在削弱段(17)外圈套有钢套(18)，使得屈曲约束SMA棒受压时不发生失稳。
进一步地，当阻尼器受压时，第二刚性杆(3)向内滑动。由于具有第一齿条(9)、第二齿条(10)、小齿轮(7)、大齿轮(6)的存在，第二刚性杆(3)向内水平滑动，会引起小齿轮(7)的顺时针转动，从而引起大齿轮(6)的逆时针转动，继而引起上部刚性杆(2)向左水平移动，这时第二屈曲约束SMA棒(5)受拉，第一屈曲约束SMA棒(4)受压。大齿轮(6)和小齿轮(7)的半径之比为n，阻尼器的位移放大系数也为n。
进一步地，当阻尼器受拉时，刚性杆(3)向外滑动。焊有齿条的钢性杆(3)向外水平滑动，会引起小齿轮(7)的逆时针转动，继而引起大齿轮(6)的顺时针转动，继而引起上部刚性杆(2)向右水平运动，这时第一屈曲约束SMA棒(4)受拉，第二屈曲约束SMA棒(5)受压。大齿轮(6)和小齿轮(7)的半径之比为n，阻尼器的放大系数也为n。
进一步地，当阻尼器受压或者受拉变形时，除第一屈曲约束SMA棒(4)、第二屈曲约束SMA棒(5)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，第一屈曲约束SMA棒(4)、第二屈曲约束SMA棒(5)收拉伸长或受压缩短，第一屈曲约束SMA棒(4)、第二屈曲约束SMA棒(5)的应力应变会进入超弹性阶段，非线性的应力应变关系使得第一屈曲约束SMA棒(4)、第二屈曲约束SMA棒(5)在变形的过程中具有耗能能力；而SMA材料本身的超弹性使得当阻尼器卸载后，第一屈曲约束SMA棒(4)、第二屈曲约束SMA棒(5)本身不会产生残余变形，该阻尼器具有自复位能力。
进一步地，当阻尼器受压或者受拉变形时，阻尼器将结构在中小震作用下，较小的层间位移通过齿轮放大技术被放大n倍，从而使得该阻尼器在中小地震中，能够明显的耗散能量。
进一步地，当阻尼器受压或者收拉变形时，阻尼器的耗能是两根SMA棒的变形耗能。所以相较于普通的阻尼器，该阻尼器具有很好的耗能能力和自复位能力。
与现有技术相比，本发明的有点如下：
本发明通过调整大小齿轮的半径比，可改变阻尼的位移放大系数以调整阻尼器耗散的能量。从而可以根据实际耗能需求灵活调整设计。
本发明的耗能主要是SMA棒的变形耗能。所以相较于普通的阻尼器，该阻尼器具有很好的耗能能力和自复位能力。
本发明阻尼器加载过程中，除屈曲约束SMA棒外其他构件均处于弹性阶段，卸载后不会产生残余变形。屈曲约束SMA棒由于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。
普通的SMA棒在受压时会发生失稳，本发明在SMA棒的削弱段外部套了一层钢套，以保证SMA棒可以受压不失稳。
放大机制简单、明确，耗能明显，切实可行；合理设计放大系数，可以采用更小的阻尼器来耗散更多的能量。
附图说明
图1是阻尼器装配示意图。
图2是齿轮装配图。
图3是屈曲约束SMA棒构造图。
图4是焊接齿条的刚性杆示意图。
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1-4所述，一种基于SMA屈曲约束SMA(形状记忆合金)以及位移放大技术的位移放大型阻尼器，该阻尼器的施作方法如下：大齿轮(7)，小齿轮(8)，齿条(10)、(11)，屈曲约束SMA棒上的螺纹段(16)、削弱段(18)、过渡段(17)、套在削弱段的钢套(19)等均在工厂事先预制而成，而后运输至施工现场。
首先安装大齿轮(7)和小齿轮(8)，用钢轴(9)将其拼接并安装在大钢板(1)里面；其次将两个屈曲约束SMA棒通过一端螺纹段(15)与刚性杆(3)两端预留的螺纹孔(19)拧在一起，组装成一个整体，再将这个组合而成的整体通过屈曲约束SMA棒(4)、(5)的另一端螺纹段穿过大钢板(1)预留的螺纹孔(13)并分别拧上螺帽(11)；最后在将已经焊接齿条(10)的刚性杆穿过大钢板(1)预留的槽孔。

Claims (9)

1.位移放大型阻尼器，其特征在于：第一刚性杆(2)上焊有第一齿条(9)，第二刚性杆(3)上焊接第二齿条(10)；大钢板(1)一侧开有一个螺栓孔(12)，另一侧开有一个螺栓孔(12)和一个槽孔(13)；屈曲约束SMA棒共两根，分别为第一屈曲约束SMA棒(4)、第二屈曲约束SMA棒(5)；每根屈曲约束SMA棒的两端设计成螺纹段(15)，将两根屈曲约束SMA棒用螺纹段(15)与第一刚性杆(2)预留的螺纹孔(18)连接在一起，将组合在一起的屈曲约束SMA棒和第一刚性杆(2)利用螺帽(11)穿过孔(12)固定在大钢板(1)上；螺纹孔(12)供屈曲约束SMA棒的螺纹段(15)穿过，槽孔(13)供刚性杆穿过；大钢板(1)中间开一个轴孔(14)，供钢轴(8)穿过固定住大齿轮(6)和小齿轮(7)；中间的第一刚性杆(2)的焊有与大齿轮(6)契合的齿条(9)；第二刚性杆(3)焊有与小齿轮(7)契合的第二齿条(10)，穿过大钢板(1)上预留的槽孔(13)。
2.根据权利要求1所述的位移放大型阻尼器，其特征在于：第一齿条(9)焊接在第一刚性杆(2)上，第二齿条(10)焊接在第二刚性杆(3)上，第一齿条(9)与第二齿条(10)平行，垂直距离为大齿轮(6)和小齿轮(7)半径之和；当阻尼器受压时，第二刚性杆(3)向内滑动，第二刚性杆(3)上焊接的第二齿条(10)与小齿轮(7)啮合，带动小齿轮(7)顺时针转动，引起大齿轮(6)的逆时针转动，大齿轮(6)与第一刚性杆(2)啮合，从而引起第一刚性杆(2)向左水平移动；当阻尼器受拉时，第二刚性杆(3)向外滑动，第二刚性杆(3)上焊接的第二齿条(10)与小齿轮(7)啮合，带动小齿轮(7)逆时针转动，引起大齿轮(6)的顺时针转动，大齿轮(6)与第一刚性杆(2)啮合，从而引起第一刚性杆(2)向右水平运动。
3.根据权利要求1所述的位移放大型阻尼器，其特征在于：第一屈曲约束SMA棒(4)的尺寸和第二屈曲约束SMA棒(5)尺寸大小相同；钢套(18)为长方体。
4.根据权利要求1所述的位移放大型阻尼器，其特征在于：每根屈曲约束SMA棒分为三段，包括螺纹段(15)、过渡段(16)和削弱段(17)；螺纹段(15)为螺纹轴，削弱段(17)为光轴且直径小于螺纹段(15)；螺纹段(15)与削弱段(17)之间加工有过渡段(16)，避免截面形状突变造成应力集中；由于屈曲约束SMA棒受压时会发生屈曲，在削弱段(17)外圈套有钢套(18)，使得屈曲约束SMA棒受压时不发生失稳。
5.根据权利要求1所述的位移放大型阻尼器，其特征在于：当阻尼器受压时，第二刚性杆(3)向内滑动；由于具有第一齿条(9)、第二齿条(10)、小齿轮(7)、大齿轮(6)的存在，第二刚性杆(3)向内水平滑动，会引起小齿轮(7)的顺时针转动，从而引起大齿轮(6)的逆时针转动，继而引起上部刚性杆(2)向左水平移动，这时第二屈曲约束SMA棒(5)受拉，第一屈曲约束SMA棒(4)受压；大齿轮(6)和小齿轮(7)的半径之比为n，阻尼器的位移放大系数也为n。
6.根据权利要求1所述的位移放大型阻尼器，其特征在于：当阻尼器受拉时，刚性杆(3)向外滑动；焊有齿条的钢性杆(3)向外水平滑动，会引起小齿轮(7)的逆时针转动，继而引起大齿轮(6)的顺时针转动，继而引起上部刚性杆(2)向右水平运动，这时第一屈曲约束SMA棒(4)受拉，第二屈曲约束SMA棒(5)受压；大齿轮(6)和小齿轮(7)的半径之比为n，阻尼器的放大系数也为n。
7.根据权利要求1所述的位移放大型阻尼器，其特征在于：当阻尼器受压或者受拉变形时，除第一屈曲约束SMA棒(4)、第二屈曲约束SMA棒(5)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，第一屈曲约束SMA棒(4)、第二屈曲约束SMA棒(5)收拉伸长或受压缩短，第一屈曲约束SMA棒(4)、第二屈曲约束SMA棒(5)的应力应变会进入超弹性阶段，非线性的应力应变关系使得第一屈曲约束SMA棒(4)、第二屈曲约束SMA棒(5)在变形的过程中具有耗能能力；而SMA材料本身的超弹性使得当阻尼器卸载后，第一屈曲约束SMA棒(4)、第二屈曲约束SMA棒(5)本身不会产生残余变形，该阻尼器具有自复位能力。
8.根据权利要求1所述的位移放大型阻尼器，其特征在于：当阻尼器受压或者受拉变形时，阻尼器将结构在中小震作用下，层间位移通过齿轮放大。
9.根据权利要求1所述的位移放大型阻尼器，其特征在于：当阻尼器受压或者收拉变形时，阻尼器的耗能是两根SMA棒的变形耗能。
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