CN113374106B - 一种sma高耗能自复位三维隔震装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SMA高耗能自复位三维隔震装置，采用水平减震装置、竖向减震装置和限位装置形成能够阻抗水平振动和竖向振动的隔振装置，在水平地震作用下，下部水平减震装置的下连接板和中连接板产生相对水平位移，耗能铅芯橡胶隔震支座发生水平位移，其内部的SMA丝发生拉伸变形，参与支座耗能，并提供自复位能力，本装置可衰减建筑中车辆段内列车运行引起的上部结构竖向振动，进一步提高建筑物的居住舒适度，利用SMA的超弹性，提高水平减震装置的耗能能力和自复位能力，保证SMA材料超弹性的发挥，提高水平减震装置的自复位能力，减小其残余变形；当橡胶隔震支座的水平位移超越位移限值时，水平减震装置可发挥限位功能。

Description

一种SMA高耗能自复位三维隔震装置

技术领域

本发明涉及建筑结构减震控制领域，具体涉及一种SMA高耗能自复位三维隔震装置。

背景技术

建筑物采用隔震支座后，上部结构在水平地震作用下的响应会显著降低，天然橡胶隔震支座和铅芯橡胶隔震支座是结构隔震领域应用最为广泛的隔震元件。其中，天然橡胶隔震支座存在水平刚度小、耗能能力差等问题，铅芯橡胶隔震支座可依靠内置铅芯的塑性变形消耗地震能量，但支座中的铅是有毒物质，在极罕遇地震作用下，若隔震层发生位移超限破坏，可能造成铅芯橡胶隔震支座中铅的外漏，造成环境污染，并对人体产生严重危害。最为重要的是上述两种隔震支座在地震作用下会出现明显的残余变形，造成结构震后不可继续使用；此外，现有隔震支座主要用于衰减上盖物的水平地震作用，对竖向地震作用尚不能发挥作用，甚至会放大隔震支座下部结构的竖向地震作用。然而，当竖向地震作用较强，竖向位移过大，可能造成上部结构倾覆，故如何开发具有限位功能的竖向减震装置成为三维隔震支座开发的关键。

竖向减震装置与水平减震装置的原理基本相同，需要为结构提供竖向刚度及竖向阻尼力。粘滞阻尼器作为一种被广泛应用的被动减震装置，其可提供较大的阻尼力，满足了竖向减震装置的条件之一。碟形弹簧以其刚度大，缓冲吸振能力强，适用于轴向空间要求小等特点因此可将粘滞阻尼器与碟形弹簧组合形成竖向减震装置，并位于水平减震装置的上方，与其串联连接，以减小水平减震装置与竖向减震装置之间的相互影响。

形状记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA)作为一种智能型材料，因具有独特的超弹性、形状记忆效应、高阻尼、优异的抗腐蚀性及耐疲劳性，被应用于题目工程、航空航天领域等。与传统铅芯橡胶隔震支座相比，基于SMA材料开发的减震装置可同时具有良好的耗能能力和自复位能力。专利201820083069.9中使用的是SMA丝提供自复位力，由于直径限制使其出力有限，用于实际结构中尚存在一定问题；专利201810757464.5采用SMA绞线和橡胶支座组合使用形成一种新型自复位隔震支座。前述两种隔震支座均存在不能抵抗竖向地震动的缺陷；其次在低温下（低于SMA奥氏体相变结束温度），形状记忆合金材料会丧失超弹性，无法实现自复位能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SMA高耗能自复位三维隔震装置，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种SMA高耗能自复位三维隔震装置，水平减震装置、竖向减震装置和限位装置，水平减震装置包括下连接板和中连接板，下连接板和中连接板之间由下连接板至中连接板依次设有下封板、垫层板和上封板，下连接板和中连接板之间设有垂直于下封板的内置铅芯，内置铅芯位于下封板中心位置，下封板和上封板之间设有SMA丝；垫层板外周阵列有磁铁，下连接板的下端固定有锚固螺栓；竖向减震装置包括上连接板和粘滞阻尼器，粘滞阻尼器固定于上连接板和中连接板之间；限位装置包括上限位板和两个平行设置的下限位板，两个平行设置的下限位板的一端与中连接板上端固定连接，上限位板的一端与上连接板的下端固定连接，上限位板上开设有限位孔，两个下限位板之间固定有限位块，限位块位于上限位板的限位孔内。

进一步的，垫层板包括依次间隔设置的橡胶板和隔离板。

进一步的，下封板和上封板之间设有多个SMA丝，SMA丝阵列于内置铅芯四周；磁铁与中连接板之填充有橡胶垫。

进一步的，上连接板和中连接板之间阵列有多个粘滞阻尼器；粘滞阻尼器的外侧设有碟形弹簧，碟形弹簧的两端分别与上连接板下端和中连接板上端固定。

进一步的，粘滞阻尼器的上端通过上垫板与上连接板固定连接，上垫板通过螺栓固定于上连接板上；粘滞阻尼器的下端通过下垫板与中连接板的上端固定连接，下垫板通过螺栓固定于中连接板上。

进一步的，上限位板的两侧面分别与两个下限位板的内侧面接触，上限位板与下限位板的接触面均设有摩擦层。

进一步的，下封板和上封板相对的一面均设有定位螺母，SMA丝的下端和上端分别固定于下封板和上封板的定位螺母上。

进一步的，下连接板和中连接板之间还设有SMA棒，SMA棒阵列于磁铁内侧。

进一步的，粘滞阻尼器阵列于限位装置四周。

进一步的，磁铁呈环状阵列于垫层板外侧。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种SMA高耗能自复位三维隔震装置，采用水平减震装置、竖向减震装置和限位装置形成能够阻抗水平振动和竖向振动的隔振装置，在水平地震作用下，下部水平减震装置的下连接板和中连接板产生相对水平位移，耗能铅芯橡胶隔震支座发生水平位移，其内部的SMA丝发生拉伸变形，参与支座耗能，并提供自复位能力，本装置可衰减建筑中车辆段内列车运行引起的上部结构竖向振动，进一步提高建筑物的居住舒适度，利用SMA的超弹性，提高水平减震装置的耗能能力和自复位能力，保证SMA材料超弹性的发挥，提高水平减震装置的自复位能力，减小其残余变形；当橡胶隔震支座的水平位移超越位移限值时，水平减震装置可发挥限位功能。

进一步的，竖向减震装置中将耗能能力较强的粘滞阻尼器作为竖向刚度较大碟簧的竖向导杆，二者并联连接，为竖向减震装置提供较大的耗能能力及竖向承载力；同时，竖向限位装置在竖向运动过程中存在摩擦耗能，提高竖向减震装置的耗能能力；当竖向位移达到限位距离时，即当开孔钢板孔壁与限位块接触时，竖向限位装置发挥限位功能，限制结构竖向变形过度增加，以避免隔震层以上结构倾覆。

进一步的，将电磁温控SMA高耗能自复位水平减震装置和竖向减震装置串联连接，上部装置和下部装置的相互影响较小，可保证整体装置在多向动荷载作用下为结构提供良好的耗能能力，延缓甚至是避免结构的破坏。

进一步的，下连接板和中连接板之间还设有SMA棒，SMA棒阵列于磁铁内侧，利用电磁感应效应加热SMA棒做切割磁铁产生的磁感线运动，提高SMA棒的温度，保证SMA棒在低温环境下超弹性能正常发挥，为内部橡胶支座提供自复位能力。

附图说明

图1为本发明实施例中自复位三维隔震装置正视图。

图2为本发明实施例中下连接板俯视图。

图3为本发明实施例中连接板俯视图。

图4为本发明实施例中竖向限位装置侧视图。

图5为本发明实施例中竖向限位装置立体图。

图中，1、下连接板；2、中连接板；3、上连接板；4、下封板；5、定位螺母；6、橡胶板；7、隔离板；8、内置铅芯；9、SMA丝；10上封板；11、内六角螺栓；12、SMA棒；13、磁铁；14、橡胶垫；15、锚固螺栓；16、套筒；17、下连接锚杆；18、下垫板；19、粘滞阻尼器；20、碟形弹簧；21、上垫板；22、上连接锚杆；23、摩擦材料；24、下限位板；25、限位块；26、上限位板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图3所示，一种SMA高耗能自复位三维隔震装置，包括水平减震装置、竖向减震装置和限位装置，水平减震装置包括下连接板1和中连接板2，下连接板1和中连接板2之间由下连接板1至中连接板2依次设有下封板4、垫层板和上封板10，下连接板1和中连接板2之间设有垂直于下封板4的内置铅芯8，内置铅芯8位于下封板4中心位置，下封板4和上封板10之间设有SMA丝9；垫层板外周设有磁铁13，下连接板1的下端固定有锚固螺栓15，整体装置通过套筒16和下连接锚杆17与建筑结构中的支墩相连；竖向减震装置包括上连接板3和粘滞阻尼器19，粘滞阻尼器19固定于上连接板3和中连接板2之间；限位装置包括上限位板26和两个平行设置的下限位板24，两个平行设置的下限位板24的一端与中连接板2上端固定连接，上限位板26的一端与上连接板3的下端固定连接，上限位板26上开设有限位孔，上限位板26的另一端位于两个下限位板24之间，两个下限位板24之间固定有限位块25，限位块25位于上限位板26的限位孔内。如图2所示，磁铁13呈环状阵列于垫层板外侧。

具体的，垫层板包括依次间隔设置的橡胶板6和隔离板7，隔离板7采用钢板；下封板4、垫层板和上封板10均为圆形结构。

具体的，如图1、图2所示，下封板4和上封板10之间设有多个SMA丝9，SMA丝9阵列于内置铅芯8四周；磁铁13与中连接板2之填充有橡胶垫14。

具体的，如图1所示，上连接板3和中连接板2之间阵列有多个粘滞阻尼器19；粘滞阻尼器19的外侧设有碟形弹簧20，碟形弹簧20的两端分别与上连接板3下端和中连接板2上端固定。粘滞阻尼器19的上端通过上垫板21与上连接板3固定连接，上垫板21通过螺栓固定于上连接板3上；粘滞阻尼器19的下端通过下垫板18与中连接板2的上端固定连接，下垫板18通过螺栓固定于中连接板2上。粘滞阻尼器19阵列于限位装置四周。

如图5所示，上限位板26的两侧面分别与两个下限位板24的内侧面接触，上限位板26与下限位板24的接触面均设有摩擦层23，利用上限位板26与下限位板24之间的接触形成阻尼摩擦，同时上限位板26上的限位孔与两个下限位板24之间的限位块能够进行限位，防止过压缩。

下封板4和上封板10之间的垫层板形成橡胶支座主体中心；下连接板、中连接板和上连接板均采用钢板结构。

具体的，下封板4和上封板10相对的一面均设有定位螺母5，SMA丝9的下端和上端分别固定于下封板4和上封板10的定位螺母5上。

下连接板1和中连接板2之间还设有SMA棒12，SMA棒12阵列于磁铁13内侧，SMA棒12与磁铁13能够发生切割磁感线运动。SMA棒12的两端分别与下连接板1和中连接板2固定连接，SMA棒12阵列于垫层板外侧，SMA棒12的两端分别与下连接板1和中连接板2采用焊接连接；磁铁13的下端与下连接板1采用金属快干胶水连接，磁铁13上端与中连接板2采用热熔橡胶垫14连接；粘滞阻尼器19的下端和上端分别与下垫板18和上垫板21采用焊接连接。下限位板24的一端与中连接板2采用焊接连接，限位块25与下限位板24的自由端采用焊接连接，上限位板26的一端与上连接板3采用焊接连接。

本发明提供的三维隔震装置的制作按以下步骤实现：

（1）下部水平减震装置设计：根据支墩处的竖向荷载，确定水平减震装置中铅芯橡胶隔震支座的直径D，在支座内部的橡胶板6和隔离板7上预留一定数量的均匀的孔洞，孔洞直径为0.8mm，在与孔洞位置对应的下封板4和上封板10上焊接定位螺母5（选用M6），布置在橡胶支座内部的SMA丝的直径为0.5mm，SMA丝的长度与铅芯橡胶隔震支座高度一致；将4根SMA棒12（直径为10mm）分别固定在接近橡胶隔震支座主体的下连接板1四周；为使支座水平变形过程中SMA棒12做切割磁感线运动，在SMA棒12切线以外，且大于铅芯橡胶隔震支座极限位移（可取支座有效直径的0.55倍和橡胶总厚度3倍这二者的较小值）的下连接板1的四周均布置4个一定高度的磁铁13，磁铁13的下端采用金属快干胶水与下连接板1连接，其上端通过橡胶垫14与中连接板2相连以避免磁铁13上部悬空，且不影响支座的水平刚度。

（2）竖向减震装置及限位装置的设计：本发明装置中竖向减震装置的高度、碟形弹簧20的数量、尺寸和型号根据实际工程应用选取。竖向限位装置中，在下限位板24、限位块25及上限位板26能产生摩擦力的侧面压制无石棉摩擦板，摩擦板的厚度t为5mm，上限位板26的限位孔的宽度d稍大于限位块25的宽度，如图3所示；如图4所示，限位高度h根据实际需要确定。

（3）本发明所述的电磁温控SMA高耗能自复位新型三维隔震装置组装过程如下：

水平减震装置中铅芯橡胶隔震支座的组装。将SMA丝9的一端固定在下封板4上的定位螺母5，在橡胶板6与钢板7交替叠合放置的过程中，将SMA丝9穿过橡胶板6和隔离板7预留的孔洞，最后，将SMA丝9的另一端固定在上封板10上的定位螺母5上；接着，将铅芯8放置于橡胶支座主体中心位置，并将下封板4通过内六螺栓11与下连接板1连接，对整体进行高温高压硫化，形成内部含有SMA丝9的高耗能铅芯橡胶隔震支座。

高耗能铅芯橡胶隔震支座安装好后，将SMA棒12下端焊接在下连接板1的设定位置上，将磁铁13的一端用金属快干胶水固定在下连接板1的设定位置上；在下连接板1的设定位置上安装锚固螺栓15、套筒16及下连接锚杆17。

竖向减震装置安装。在粘滞阻尼器19的下端焊接好下垫板18，下垫板18通过内六角螺栓11与中连接板2连接，位于上封板10正上方的下垫板18采用内六螺栓11与中连接板2和上封板10连接，接着，使用橡胶垫14将磁铁13上端与中连接板2连接，并将SMA棒12的上端焊接在中连接板2的设定位置上，此时，下部的电磁温控SMA高耗能自复位水平减震装置完成。

多个碟形弹簧20通过叠合的方式形成碟形弹簧组，然后将两个碟形弹簧组通过对合的方式叠加在一起，两个对合的碟形弹簧组通过外径边沿焊接在一起，相邻的碟形弹簧对沿内径边沿焊接在一起，碟形弹簧20套在粘滞阻尼器19外部，最下端的碟形弹簧20沿内径边沿与下垫板18焊接在一起，将粘滞阻尼器19的上端焊接上垫板21，并将碟形弹簧20的上端沿内径边与上垫板21焊接在一起。

竖向限位装置安装。将侧面采用摩擦材料23的下限位板24的一端焊接在中连接板2的上表面，将侧面采用摩擦材料23的限位块25的一端焊接在下限位板24自由端的中心位置，将侧面采用摩擦材料23的上限位板26的孔洞套装在限位块25外，之后将限位块25的另一端焊接在下限位板24自由端的另一侧。

最后将上垫板21采用锚固螺栓15、套筒16及上连接锚杆22与上连接板3连接，并将上限位板26的顶部焊接在上连接板3的下表面，形成具有限位功能的竖向减震装置。

本发明所述的电磁温控SMA高耗能自复位新型三维隔震装置的工作原理如下所示：

由于粘滞阻尼器19抗弯刚度较大，中连接板2与上连接板3之间不发生水平相对位移，从而保证上连接板3所受的地震剪力直接传递至中连接板2，即竖向减震装置不影响水平减震装置作用的正常发挥。

在水平地震作用下，下部水平减震装置的下连接板1和中连接板2产生相对水平位移，耗能铅芯橡胶隔震支座发生水平位移，其内部的SMA丝9发生拉伸变形，参与支座耗能，并提供自复位能力；同时，SMA棒12做切割磁铁13产生的磁感线运动，利用电磁感应效应加热SMA棒12，提高SMA棒的温度，保证SMA棒12在低温环境下超弹性能正常发挥，为内部橡胶支座提供自复位能力；当含有SMA丝9的高耗能铅芯橡胶隔震支座的水平位移大于橡胶隔震支座的位移限值时，橡胶隔震支座侧面与磁铁13侧面接触，限制支座水平变形的进一步增加。

在竖向地震作用下，碟形弹簧20提供竖向刚度，粘滞阻尼器19提供竖向阻尼力，同时作为碟形弹簧20的导杆，保证碟形弹簧20的轴向受力；下限位板24与上限位板26侧面及限位块25与上限位板26的侧面之间的相对运动产生摩擦耗能，进一步衰减竖向地震作用；当竖向位移过大时，上限位板26的孔壁与限位块25接触，发挥限位功能，竖向刚度迅速提高以限值竖向装置的位移增加，避免上部结构因支座的竖向变形过大而发生倾覆。

本发明提供的电磁温控SMA高耗能自复位新型三维隔震装置中下连接板上布置有下连接锚杆，上连接板上布置由上连接锚杆，与建筑结构连接方便。本发明提供的电磁温控SMA高耗能自复位新型三维隔震装置可衰减如地铁上盖建筑中车辆段内列车运行引起的上部结构竖向振动，进一步提高建筑物的居住舒适度，利用SMA的超弹性，提高水平减震装置的耗能能力和自复位能力；将电磁感应原理与SMA的形状记忆效应相结合，基于电磁感应现象加热SMA棒，保证SMA材料超弹性的发挥，提高水平减震装置的自复位能力，减小其残余变形；当橡胶隔震支座的水平位移超越位移限值时，水平减震装置可发挥限位功能。

本发明提供的竖向减震装置中将耗能能力较强的粘滞阻尼器作为竖向刚度较大碟簧的竖向导杆，二者并联连接，为竖向减震装置提供较大的耗能能力及竖向承载力；同时，竖向限位装置在竖向运动过程中存在摩擦耗能，提高竖向减震装置的耗能能力；当竖向位移达到限位距离时，即当开孔钢板孔壁与限位块接触时，竖向限位装置发挥限位功能，限制结构竖向变形过度增加，以避免隔震层以上结构倾覆。

本发明将电磁温控SMA高耗能自复位水平减震装置和竖向减震装置串联连接，上部装置和下部装置的相互影响较小，可保证整体装置在多向动荷载作用下为结构提供良好的耗能能力，延缓甚至是避免结构的破坏。

Claims (10)

1.一种SMA高耗能自复位三维隔震装置，其特征在于，水平减震装置、竖向减震装置和限位装置，水平减震装置包括下连接板（1）和中连接板（2），下连接板（1）和中连接板（2）之间由下连接板（1）至中连接板（2）依次设有下封板（4）、垫层板和上封板（10），下连接板（1）和中连接板（2）之间设有垂直于下封板（4）的内置铅芯（8），内置铅芯（8）位于下封板（4）中心位置，下封板（4）和上封板（10）之间设有SMA丝（9）；垫层板外周阵列有磁铁（13），下连接板（1）的下端固定有锚固螺栓（15）；竖向减震装置包括上连接板（3）和粘滞阻尼器（19），粘滞阻尼器（19）固定于上连接板（3）和中连接板（2）之间；限位装置包括上限位板（26）和两个平行设置的下限位板（24），两个平行设置的下限位板（24）的一端与中连接板（2）上端固定连接，上限位板（26）的一端与上连接板（3）的下端固定连接，上限位板（26）上开设有限位孔，两个下限位板（24）之间固定有限位块（25），限位块（25）位于上限位板（26）的限位孔内。

2.根据权利要求1所述的一种SMA高耗能自复位三维隔震装置，其特征在于，垫层板包括依次间隔设置的橡胶板（6）和隔离板（7）。

3.根据权利要求1所述的一种SMA高耗能自复位三维隔震装置，其特征在于，下封板（4）和上封板（10）之间设有多个SMA丝（9），SMA丝（9）阵列于内置铅芯（8）四周；磁铁（13）与中连接板（2）之填充有橡胶垫（14）。

4.根据权利要求1所述的一种SMA高耗能自复位三维隔震装置，其特征在于，上连接板（3）和中连接板（2）之间阵列有多个粘滞阻尼器（19）；粘滞阻尼器（19）的外侧设有碟形弹簧（20），碟形弹簧（20）的两端分别与上连接板（3）下端和中连接板（2）上端固定。

5.根据权利要求1所述的一种SMA高耗能自复位三维隔震装置，其特征在于，粘滞阻尼器（19）的上端通过上垫板（21）与上连接板（3）固定连接，上垫板（21）通过螺栓固定于上连接板（3）上；粘滞阻尼器（19）的下端通过下垫板（18）与中连接板（2）的上端固定连接，下垫板（18）通过螺栓固定于中连接板（2）上。

6.根据权利要求1所述的一种SMA高耗能自复位三维隔震装置，其特征在于，上限位板（26）的两侧面分别与两个下限位板（24）的内侧面接触，上限位板（26）与下限位板（24）的接触面均设有摩擦层（23）。

7.根据权利要求1所述的一种SMA高耗能自复位三维隔震装置，其特征在于，下封板（4）和上封板（10）相对的一面均设有定位螺母（5），SMA丝（9）的下端和上端分别固定于下封板（4）和上封板（10）的定位螺母（5）上。

8.根据权利要求1所述的一种SMA高耗能自复位三维隔震装置，其特征在于，下连接板（1）和中连接板（2）之间还设有SMA棒（12），SMA棒（12）阵列于磁铁（13）内侧。

9.根据权利要求1所述的一种SMA高耗能自复位三维隔震装置，其特征在于，粘滞阻尼器（19）阵列于限位装置四周。

10.根据权利要求1所述的一种SMA高耗能自复位三维隔震装置，其特征在于，磁铁（13）呈环状阵列于垫层板外侧。

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