CN113653394A - 一种自复位sma绞线复合磁流变阻尼支撑 - Google Patents
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Abstract
一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑，属于消能减震技术领域。支撑包括耗能模块和自复位模块。内管中部套有永磁环、导磁环、内管固定挡板。外管内凸台、左侧密封端板、右侧密封端板、内圆管共同构成密封腔体，腔体内充满磁流变液。外管内部设置有凸台，凸台上设置有凹槽。内管端部套设有钢板环，绕内管一周均匀布置有SMA绞线，SMA绞线依次穿过钢板环、密封板、凸台，通过锚具固定在钢板环上。本发明通过内外管之间的相对移动，使得永磁体产生了变化的磁场，同时通过阻尼通道宽度的变化，共同调节密封腔体内的磁流变液的阻尼大小；无论支撑处于受拉还是受压状态SMA绞线均受拉，发生超弹性变形，提供复位功能同时能够具有一定的耗能能力。
Description
技术领域
本发明属于消能减震技术领域，尤其涉及一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑。
背景技术
地震灾害具有突发性、可预见性低、随机性高的特点，极具破坏性。特别是中震和大震发生时会释放出巨大的地震能量，会对结构产生很大的破坏，即使保持了结构的整体完整性，但地震中产生的较大塑性变形以及震后留下的残余变形，会降低结构抵抗余震的能力，严重破坏的需要大范围的加固修复，甚至只能重建造成了巨大的浪费。
传统的钢支撑在水平地震下易发生侧向屈曲，较早地退出工作，支撑耗能不足，结构受力进入弹塑性范围内，抗剪能力和抗侧刚度下降，整个结构失稳破坏。传统的耗能支撑通过串联阻尼器，例如：1)摩擦阻尼器；2)黏滞性阻尼器；3)金属阻尼器；4)粘弹性阻尼器；5)电(磁)感应阻尼器而耗散能量，虽然具有良好稳定的耗能能力，保护主体结构，但整体结构的残余变形比较大。
磁流变液作为一种智能材料，可以在毫秒时间内由流动性良好的牛顿流体转变为高粘度、低流动性的Bingham粘塑性体(此过程称之为磁流变液的“固化”，且这种变化连续、可逆)，制成的磁流变阻尼器具有出力大、能耗低、响应快等优点。但传统的磁感应阻尼器通常依赖电源，在地震中，尤其是大震的情况下，地震的破坏性极大，电源可能出现故障，阻尼器出现失灵的情况，降低减震体系的可靠性。且传统的阻尼器只具有耗能功能不具有自复位功能。
形状记忆合金(SMA绞线)具有形状记忆效应、超弹性效应、高阻尼特性等特点，形状记忆合金自复位阻尼器充分利用了形状记忆合金的超弹性性能，允许变形大、旗形滞回曲线饱满、减少甚至消除了残余变形，具有可恢复变形的特点。将这一材料与现有耗能减震装置相结合，可弥补部分传统装置性能上的不足，但形状记忆合金材料存在的拉压力学性能的不对称性也给其合理的应用带来了挑战。
因此，急需设计一种结合形状记忆合金、磁流变阻尼优点，且具备良好耗能能力、自复位能力、稳定可靠的阻尼支撑，同时还易于拆装更换的预制装配式自复位耗能支撑。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的问题，提出一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑。支撑由内外管、内管、活塞、SMA绞线等构成。其中活塞由永磁环、导磁环、隔磁环构成。当内外管相对运动时，永磁环之间的距离变化，磁场强度发生变化，磁流变液阻尼力变化；活塞与外管凸台之间形成的阻尼通道的宽度也随之改变；活塞挤压阻尼通道内的“固化”克服在永久磁场固化下产生的阻尼力随位移幅值增加而增加。构件不论是处于受拉状态还是受压状态，SMA绞线均受拉，受拉SMA绞线不仅可以作为恢复材料提供恢复力，而且SMA绞线在工作时具有一定的耗能能力。因此，本发明具备极好的耗能能力以及自复位能力。
为实现上述目的，本发明所述的一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑技术方案：
包括耗能模块和自复位模块。耗能模块包括内管、外管、左侧密封端板(3)、右侧密封端板(3a)、永磁环(8)、左侧永磁环(8a)、右侧永磁环(8b)、导磁环(9)、隔磁环(11)、磁流变液(10)；自复位模块包括SMA绞线(5)、左侧钢板环(6)、右侧钢板环(6a)、高强螺栓(7)；
所述内管包括内圆管(1a)、内管固定挡板(1b)、内管左侧固定挡板(1c)、内管右侧固定挡板(1d)、内管端固定挡板(1e)、内管连接板(1f)；其中内管左侧固定挡板(1c)固定于内圆管(1a)左端外侧面，内管右侧固定挡板(1d)固定于内圆管(1a)右端外侧面，内管固定挡板(1b)固定于内圆管(1a)中间部分的外侧面，内管端固定挡板(1e)固定于内圆管(1a)右端口外侧，内管连接板(1f)固定连接在内圆管(1a)左端端口上且与内管左侧固定挡板(1c)固定在一起；
所述外管包括外管左侧固定挡板(2a)、外管右侧挡板(2b)、凸台(2c)、外管连接板(2d)、外套管(2e)、外管内套管(4)；其中外套管(2e)同轴套在内圆管(1a)外侧，且内圆管(1a)外侧面与外套管(2e)内侧面之间有空隙；左侧固定挡板(2a)与内管左侧固定挡板(1c)对接在一起，位于固定于外套管(2e)的左端口；右侧挡板(2b)固定于外套管(2e)右部内侧面，与内管右侧固定挡板(1d)对接在一起；固定封口于外套管(2e)的右端口，圆环状的凸台(2c)固定于外套管(2e)中间部分的内表面；连接板(2d)固定连接在外套管(2e)右侧端口上并且封住外套管(2e)右侧端口；在外套管(2e)内表面外管左侧固定挡板(2a)与左侧密封端板(3)之间、右侧密封端板(3a)与外管连接板(2d)之间固定有外管内套管(4)；
在外套管(2e)内部凸台(2c)的左端设有左侧密封端板(3)，在凸台(2c)的左端设有右侧密封端板(3a)；所述外管上的凸台(2c)、左侧密封端板(3)、右侧密封端板(3a)、内圆管(1a)共同构成密封腔体，腔体内充满磁流变液(10)；所述密封腔体内紧贴左侧密封端板(3)在内圆管(1a)外套有左侧永磁环(8a)，在密封腔体内紧贴右侧密封端板(3a)在内圆管(1a)外套有右侧永磁环(8b)，所述密封腔体中部内圆管(1a)外套设有永磁环(8)，所述永磁环(8)轴向两侧分别套设有导磁环(9)，所述永磁环(8)的径向外侧套设有隔磁环(11)；其中在导磁环(9)轴向的另一端分别为内管固定挡板(1b)；
所述内管左侧固定挡板(1c)和外管左侧固定挡板(2a)共同的左端端面设左侧钢板环(6)，内管右侧固定挡板(1d)和外管右侧挡板(2b)共同的右端端面设有右侧钢板环(6a)；所述左侧钢板环(6)、右侧钢板环(6a)、左侧密封端板(3)、右侧密封端板(3a)、外管内凸台(2c)中间开孔，SMA绞线(5)穿过上述开孔，SMA绞线(5)平行于外管(2)轴向；SMA绞线(5)的两端通过高强螺栓(7)固定在左侧钢板环(6)、右侧钢板环(6a)上。
所述导磁环(9)与隔磁环(11)的径向外端部基本是齐平的，在导磁环(9)与隔磁环(11)对应的内凸台(2c)的内侧面处设有多个轴向排布的锯齿环形凹槽，因此阻尼通道的宽度是变化的。
外管左侧固定挡板(2a)与内管左侧固定挡板(1c)是相互独立不固定的，外管右侧固定挡板(2b)与内管右侧固定挡板(1d)是相互独立不固定的，仅在接触面上留有供SMA绞线通过的凹槽。
所述密封腔体内设置有永磁环(8)、左侧永磁环(8a)、右侧永磁环(8b)，磁流变液受到磁场影响黏度增大。内圆管(1a)和外套管(2e)相对运动时，永磁环(8)与左侧永磁环(8a)、右侧永磁环(8b)之间的距离发生变化，引起磁流变液中的磁场强度发生变化，同时阻尼通道的宽度发生变化，支撑变形所需克服的阻尼力大小变化。
所述内圆管(1a)和外套管(2e)存在相对运动时，支撑不论是受压还是受拉，SMA绞线(5)均受拉，提供复位功能且具备耗能能力。
所述隔磁环(11)的材质为不锈钢。所述永磁环(8)、(8a)、(8b)的材质为磁铁。所述左侧密封端板(3)、右侧密封端板(3a)、内圆管(1a)和外套管(2e)采用钢。
采用多条SMA绞线，以内管为中心，均布在四周。
本发明的有益效果是：
本发明所述的一种自复位碟簧—质量转轮复合磁流变阻尼器，在地震作用下对结构的减隔震及自复位效果显著，主要体现在以下几点：
1)本发明通过改变永磁环之间的距离，调节磁场的大小，使得密封腔体内的磁流变液阻尼连续可变，且位移越大，密封腔体内的活塞挤压阻尼通道内的“固化”磁流变液所需克服的阻尼力也越大，耗能越多，确保结构的减震效果。相比较传统阻尼器而言，能够提供连续可变的阻尼力。本装置不需要外部电源供应、结构简单、稳定可靠。
2)与其他的耗能装置(摩擦耗能，黏滞性阻尼耗能，金属屈服耗能)相比，本发明的阻尼力包括库伦阻尼力和黏滞阻尼力，具有更强的耗能能力。
3)本发明相比较其他阻尼器，本发明利用SMA绞线施加预拉应变，提高了装置的初始刚度。且不论支撑处于是受拉状态还是受压状态，支撑内部的SMA绞线总是处于受拉状态，可使SMA绞线充分发挥其自复位功能及部分耗能作用。位移越大，SMA绞线提供的恢复力越大，在震后能恢复到初始状态，减少甚至消除结构的残余变形。进一步SMA绞线结合磁流变液耗能，提高了装置的耗能能力。
4)本发明提供附加阻尼的同时附加刚度，维护费用低，适用性强。
附图说明
下面通过附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑的示意图。
图2包含三张图，分别是本发明的一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑内部构造示意图、一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼器受拉状态内部构造示意图、一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼器受压状态内部构造示意图。
图3是本发明的一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑的A—A剖面示意图。
图4是本发明的一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑的B—B剖面示意图。
图5是本发明的一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑的C—C剖面示意图。
附图标记说明：
1a—内圆管；1b—内管固定挡板；1c—内管左侧固定挡板；1d—内管右侧固定挡板；1e—内管端部固定挡板、1f-内管连接板；2a—外管左侧固定挡板；2b—外管右侧固定挡板；2c—凸台；2d—外管连接板；2e-外套管；3—左侧密封端板；3a—右侧密封端板；4—外管内套管；5—SMA绞线；6—左侧钢板环；6a—右侧钢板环；7—高强螺栓；8a—左侧永磁环；8b—右侧永磁环；8—永磁环；9—导磁环；10—磁流变液；11—隔磁环。
具体实施方式
结合附图对本发明实施例进行详细说明。首先应需注意的是，附图所展示的一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑，旨在能简洁、清楚、明了的说明本发明，故附图不能够作为对本发明的限制。
实施例1
本发明包括一个耗能模块和一个自复位耗能模块，耗能模块采用磁流变液阻尼耗能，自复位耗能模块采用SMA绞线提供自恢复力以及耗能能力。每个模块独立工作，滞回曲线为彼此之和，耗能及复位效果显著，可设置在建筑结构及桥梁结构的最大位移处，应用于工程的减震控制，可实现工厂的全预制装配，易于维修和养护，具有很好的适用性和可行性。
如图1-5所示，自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑，包括内管、外管、左侧密封端板(3)；右侧密封端板(3a)；外管内套管(4)；SMA绞线(5)；左侧钢板环(6)、右侧钢板环(6a)；高强螺栓(7)；左侧永磁环(8a)；右侧永磁环(8b)；永磁环(8)；导磁环(9)；磁流变液(10)；隔磁环(11)。
其中内管包括内圆管(1a)、内管固定挡板(1b)内管左侧固定挡板(1c)、内管右侧固定挡板(1d)、内管端固定挡板(1e)、内管连接板(1f)。
外管包括外管左侧固定挡板(2a)、外管右侧挡板(2b)、凸台(2c)、外管连接板(2d)、外套管(2e)、外管内套管(4)。
如图1-5所示，所述内管的中部外套设永磁环(8)，永磁环(8)的外侧套设隔磁环(11)，所述永磁环(8)及隔磁环(11)的两侧设置有套设在内圆管(1a)上导磁环(9)。所述永磁环(8)、隔磁环(11)、导磁环(9)共同构成活塞。导磁环(9)的外侧是固定在内圆管(1a)上的内管固定挡板(1b)、保证活塞能够随着内管发生移动，不会产生相对位移。所述外管内凸台(2c)有凹槽，所述活塞与外管内凸台(2c)之间的间隙的宽度是变化的。
所述左侧密封端板(3)、右侧密封端板(3a)、外管内凸台(2c)、内圆管(1a)之间构成密封腔体，腔体内充满磁流变液(10)，密封端板(3)内侧套设永磁环(8a)、(8b)。永磁环将缝隙内的磁流变液“固化”加强密封效果。
如图1-5所示，所述内管左侧固定挡板(1c)与外管左侧固定挡板(2a)的接触面上留有供SMA绞线穿过的凹槽。左侧钢板环(6)、右侧钢板环(6a)中心开孔套设在内管(1)上，且留有供SMA绞线穿过的孔洞。SMA绞线依次穿过钢板环(6)、内管左侧固定挡板(1c)与外管左侧固定挡板(2a)的接触面、左侧密封端板(3)、外管内凸台(2c)、右侧密封端板(3a)、内管右侧固定挡板(1d)与外管左侧固定挡板(2b)的接触面、钢板环(6a)，并通过高强螺栓(7)固定。
本发明的一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑的实现情况如下：
当支撑被拉伸时，外套管(2e)相对内圆管(1a)向右移动时，外管左侧固定挡板(2a)带动外管内套管(4)向右移动并挤压左侧密封端板(3a)向右移动，左侧永磁环(8a)随之向右移动，密封腔体内左侧磁流变液变粘稠，同时，所述活塞与外管内凸台(2c)之间的空隙的宽度变小，因此，所述密封腔体内的左侧的磁流变液通过阻尼通过向密封腔体右侧流动时消耗大量能力；所述外管右侧固定挡板(2b)随着外套管(2e)向右移动，挤压右侧钢板环(6a)，左侧钢板环(6)受内管左侧固定挡板(1c)的限制不能移动，因此所述SMA绞线(5)受拉。所述SMA绞线受拉并消耗部分能力，且提供恢复力。
当支撑被压缩时，外套管(2e)相对内圆管(1a)向左移动时，外管右侧固定挡板(2b)带动外管内套管(4)向左移动并挤压右侧密封端板(3a)向左移动，右侧永磁环(8b)随之向左移动，密封腔体内右侧磁流变液变粘稠，同时，所述活塞与外管内凸台(2c)之间的空隙的宽度变小，因此，所述密封腔体内的右侧的磁流变液通过阻尼通过向密封腔体左侧流动时消耗大量能力；所述外管左侧固定挡板(2a)随着外套管(2e)向左移动，挤压左侧钢板环(6)，右侧钢板环(6a)受内管右侧固定挡板(1d)的限制不能移动，因此所述SMA绞线(5)受拉。所述SMA绞线受拉并消耗部分能力，且提供恢复力。
内管、外管凸台，左侧密封端板、右侧密封端板构成密封腔体，腔体内充满磁流变液。永磁环、隔磁环及其两侧套设的导磁环共同构成了活塞。导磁环的外侧是固定在内圆管上的内管固定挡板，保证活塞能够随着内管发生移动，但活塞与内管之间不会产生相对位移。
所述自复位耗能模块主要是SMA绞线。外管左侧固定挡板与内管左侧固定挡板之间的接触面上留有供SMA绞线穿过的凹槽。密封端板中心开孔套设在内管上，并且留有供SMA绞线穿过的孔洞。外管内凸台以及钢板中也留有供SMA绞线通过的孔洞。外管右侧固定挡板与内管右侧固定挡板之间的接触面同样留有供SMA绞线穿过的凹槽。SMA绞线通过高强螺栓拉紧固定连接。
内管连接板和外管连接板分别与建筑结构或桥梁结构上(下)层连接。
所述活塞与外管内凸台之间的有不等的空隙，称之为阻尼通道。磁流变液在磁场作用下的固化产生的剪切屈服强度与磁场强度成正比，而磁场强度又与阻尼通道的宽度成反。因此改变磁场强度和阻尼通道的宽度，可以调节磁流变液的在磁场作用下的固化产生的剪切屈服强度。
密封腔体内部套设有永磁环，磁流变液在永磁环磁场的作用下变得粘稠，具备一定的阻尼力。比当内管相对外管产生位移时，活塞的永磁环与内管套设的左侧、右侧永磁环的距离发生变化，距离变近的一侧，磁场强度变大，同时，活塞与外管内凸台之间的阻尼通道的宽度变小，也使得磁场强度会变大，活塞挤压磁流变液变也需要克服的剪切屈服力变大。卸载时，活塞挤压磁流变液靠近另一侧的永磁环，这一侧的磁场强度较小，且活塞与外管内凸台之间的阻尼通道的宽度变宽，磁场强度进一步变小，因此磁流变液阻尼小，需要克服的剪切屈服力小，可实现复位。装置在往复运动中，变形量越大，所需克服的阻尼力越大，耗能越多。
支撑中全长布置有SMA绞线，通过高强螺栓固定在钢板上。当内管相对外管相对运动时，内管端部固定挡板及外管端部固定挡板限制SMA绞线的移动，产生拉伸量。因此，装置在往复运动中，SMA绞线均处于受压状态。位移越大，SMA绞线受拉程度越大，提供的复位能力越大，耗能量也越大。
所述密封端板内测设置永磁环(8a)、(8b)，可以解决磁流变液密封问题，靠近永磁体处的磁流变液会“固化”，提高密封性。
综上所述，尽管已经对本发明的实施例进行描述，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑，其特征在于，包括耗能模块和自复位模块；耗能模块包括内管、外管、左侧密封端板(3)、右侧密封端板(3a)、永磁环(8)、左侧永磁环(8a)、右侧永磁环(8b)、导磁环(9)、隔磁环(11)、磁流变液(10)；自复位模块包括SMA绞线(5)、左侧钢板环(6)、右侧钢板环(6a)、高强螺栓(7)；
所述内管包括内圆管(1a)、内管固定挡板(1b)、内管左侧固定挡板(1c)、内管右侧固定挡板(1d)、内管端固定挡板(1e)、内管连接板(1f)；其中内管左侧固定挡板(1c)固定于内圆管(1a)左端外侧面，内管右侧固定挡板(1d)固定于内圆管(1a)右端外侧面，内管固定挡板(1b)固定于内圆管(1a)中间部分的外侧面，内管端固定挡板(1e)固定于内圆管(1a)右端口外侧，内管连接板(1f)固定连接在内圆管(1a)左端端口上且与内管左侧固定挡板(1c)固定在一起；
所述外管包括外管左侧固定挡板(2a)、外管右侧挡板(2b)、凸台(2c)、外管连接板(2d)、外套管(2e)、外管内套管(4)；其中外套管(2e)同轴套在内圆管(1a)外侧，且内圆管(1a)外侧面与外套管(2e)内侧面之间有空隙；左侧固定挡板(2a)与内管左侧固定挡板(1c)对接在一起，位于固定于外套管(2e)的左端口；右侧挡板(2b)固定于外套管(2e)右部内侧面，与内管右侧固定挡板(1d)对接在一起；固定封口于外套管(2e)的右端口，圆环状的凸台(2c)固定于外套管(2e)中间部分的内表面；连接板(2d)固定连接在外套管(2e)右侧端口上并且封住外套管(2e)右侧端口；在外套管(2e)内表面外管左侧固定挡板(2a)与左侧密封端板(3)之间、右侧密封端板(3a)与外管连接板(2d)之间固定有外管内套管(4)；
在外套管(2e)内部凸台(2c)的左端设有左侧密封端板(3)，在凸台(2c)的左端设有右侧密封端板(3a)；所述外管上的凸台(2c)、左侧密封端板(3)、右侧密封端板(3a)、内圆管(1a)共同构成密封腔体，腔体内充满磁流变液(10)；所述密封腔体内紧贴左侧密封端板(3)在内圆管(1a)外套有左侧永磁环(8a)，在密封腔体内紧贴右侧密封端板(3a)在内圆管(1a)外套有右侧永磁环(8b)，所述密封腔体中部内圆管(1a)外套设有永磁环(8)，所述永磁环(8)轴向两侧分别套设有导磁环(9)，所述永磁环(8)的径向外侧套设有隔磁环(11)；其中在导磁环(9)轴向的另一端分别为内管固定挡板(1b)；
所述内管左侧固定挡板(1c)和外管左侧固定挡板(2a)共同的左端端面设左侧钢板环(6)，内管右侧固定挡板(1d)和外管右侧挡板(2b)共同的右端端面设有右侧钢板环(6a)；所述左侧钢板环(6)、右侧钢板环(6a)、左侧密封端板(3)、右侧密封端板(3a)、外管(2)内凸台(2c)中间开孔，SMA绞线(5)穿过上述开孔，SMA绞线(5)平行于外管(2)轴向；SMA绞线(5)的两端通过高强螺栓(7)固定在左侧钢板环(6)、右侧钢板环(6a)上；
所述导磁环(9)与隔磁环(11)的径向外端部基本是齐平的，在导磁环(9)与隔磁环(11)对应的内凸台(2c)的内侧面处设有多个轴向排布的锯齿环形凹槽，因此阻尼通道的宽度是变化的。
2.按照权利要求1所述的一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑，其特征在于，外管左侧固定挡板(2a)与内管左侧固定挡板(1c)是相互独立不固定的，外管右侧固定挡板(2b)与内管右侧固定挡板(1d)是相互独立不固定的，仅在接触面上留有供SMA绞线通过的凹槽。
3.按照权利要求1所述的一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑，其特征在于，所述密封腔体内设置有永磁环(8)、左侧永磁环(8a)、右侧永磁环(8b)，磁流变液受到磁场影响黏度增大；内圆管(1a)和外套管(2e)相对运动时，永磁环(8)与左侧永磁环(8a)、右侧永磁环(8b)之间的距离发生变化，引起磁流变液中的磁场强度发生变化，同时阻尼通道的宽度发生变化，支撑变形所需克服的阻尼力大小变化。
4.按照权利要求1所述的一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑，其特征在于，所述内圆管(1a)和外套管(2e)存在相对运动时，支撑不论是受压还是受拉，SMA绞线(5)均受拉，提供复位功能且具备耗能能力。
5.按照权利要求1所述的一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑，其特征在于，所述隔磁环(11)的材质为不锈钢；永磁环(8)、左侧永磁环(8a)、右侧永磁环(8b)的材质为磁铁；所述左侧密封端板(3)、右侧密封端板(3a)、内圆管(1a)和外套管(2e)采用钢。
6.按照权利要求1所述的一种自复位SMA绞线复合磁流变阻尼支撑，其特征在于，采用多条SMA绞线，以内管为中心，均布在四周。
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