CN114517539A - 双向限位式sma弹簧摩擦复合阻尼器 - Google Patents

双向限位式sma弹簧摩擦复合阻尼器 Download PDF

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朱科峰
袁勇
王秀志
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俞建军
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李翀
陈志杰
张一鸣
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Abstract

本发明公开了一种双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器，其包括：阻尼箱体；第一耗能部分，包括沿第一方向布置的SMA弹簧耗能装置和阻尼装置，弹簧耗能装置的主传动机构和副传动机构分别能够响应于沿第一方向的外力而促使SMA弹簧组拉伸或压缩从而耗能，阻尼装置能够通过摩擦力耗能；第二辅助传动部分，其能够响应于沿第二方向的外力而驱使主传动机构相对于副传动机构运动，进而促使弹簧组拉伸或压缩；温控装置，其能够调节阻尼箱体内的温度，以改变弹簧组的阻尼系数和刚度并实现阻尼器的自复位。本发明相比于现有技术，能够实现水平和竖直两个方向上的耗能减震作用，对于复杂振动条件下的减震抗震具有更好的耗能效果，且易于复位。

Description

双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器
技术领域
本发明涉及结构减振的技术领域，尤其涉及一种双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器。
背景技术
结构减振控制就是通过在结构上安装耗能减振装置减轻或抑制结构由于地震等外荷载引起的反应，在土木工程领域主要用于建筑物的耗能减振。目前主要的结构减震控制技术有被动控制、主动控制和半主动控制等几种减振控制方法。被动控制是一种不需要外部能源的减震控制技术，一般是在结构的某个部位附加一个子系统，或对结构自身的某些构件做构造上的处理以改变结构体系的动力特性。被动控制具有构造简单、造价低、易于维护且无需外部能源支持等优点，已成为当前应用开发的热点。许多被动控制技术已日趋成熟，并已在实际工程中得到广泛应用。
在结构减振控制领域，目前普遍采用的摩擦阻尼器于需要克服摩擦力才能启动，中小震很可能无法启动，失去耗能能力，甚至放大结构的地震反应，并且在启动后存在着复位困难的问题；SMA阻尼器易于启动，耐疲劳性能好，且可复位，但是在大震情况下容易超出可恢复的变形范围。
目前，常用的阻尼器只能起到单一方向减震控制，难以解决相互垂直方向相耦合的振动问题。在结构尺寸较小的位置，如建筑物的梁柱节点及隧道的管片接头之间，很难同时布置多个不同安装方向的阻尼器。
因此，亟需设计一种新的双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器，以至少部分地消除现有技术存在的上述缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有的阻尼器在中小震的情况下很可能无法启动而失去耗能能力，在启动后存在复位困难的情况，以及只能起到单一方向的减震控制等方面的缺陷，提出一种新的双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器。
本发明是通过采用下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器，其特点在于，所述复合阻尼器包括：
阻尼箱体；
第一耗能部分，所述第一耗能部分包括沿第一方向布置的SMA弹簧耗能装置和阻尼装置，所述SMA弹簧耗能装置具有主传动机构、副传动机构以及可操作地连接于所述主传动机构和所述副传动机构之间的SMA弹簧组，所述SMA弹簧耗能装置被构造成，所述主传动机构和所述副传动机构分别能够响应于沿第一方向的外力而促使所述SMA弹簧组拉伸或压缩从而耗能，所述阻尼装置被构造成能够在沿第一方向的外力达到预设的阻尼启用阈值时通过摩擦力耗能，其中所述主传动机构和所述副传动机构的大部分以及所述SMA弹簧组安装于所述阻尼箱体内；
第二辅助传动部分，所述第二辅助传动部分可操作地连接至所述SMA弹簧耗能装置，并被构造成能够响应于沿第二方向的外力而驱使所述主传动机构相对于所述副传动机构运动，进而促使所述SMA弹簧组拉伸或压缩从而耗能，其中所述第二方向和所述第一方向垂直相交；
温控装置，所述温控装置被配置为能够调节所述阻尼箱体内的温度，以改变所述SMA弹簧组的阻尼系数和刚度。
根据本发明的一种实施方式，所述主传动机构包括主传动杆以及相对于所述主传动杆固定安装的第一限位挡板、第二限位挡板、第一SMA弹簧隔板，所述主传动杆的外端部延伸突出于所述阻尼箱体外，所述第一SMA弹簧隔板固定安装于所述主传动杆的内端部处，所述主传动杆沿第一方向延伸地安装于所述阻尼箱体中，并被构造成能够沿第一方向往复运动。
根据本发明的一种实施方式，所述副传动机构包括副传动杆以及相对于所述副传动杆固定安装的第二SMA弹簧隔板，所述副传动杆的外端部延伸突出于所述阻尼箱体外并与所述主传动杆的外端部相对设置，所述第二SMA弹簧隔板固定安装于所述副传动杆的内端部处，所述副传动杆沿第一方向延伸地安装于所述阻尼箱体中，并被构造成能够沿第一方向往复运动。
根据本发明的一种实施方式，所述SMA弹簧组的两端分别固定连接至所述第一SMA弹簧隔板和所述第二SMA弹簧隔板。
根据本发明的一种实施方式，所述阻尼装置包括块状阻尼件，所述块状阻尼件布置于所述第一限位挡板和所述第二限位挡板之间。
根据本发明的一种实施方式，所述第一限位挡板和所述第二限位挡板被构造为能够限制所述SMA弹簧组的变形量不超出其可恢复最大变形量。
根据本发明的一种实施方式，在未受外力的情况下，所述块状阻尼件被布置于和所述第一限位挡板及所述第二限位挡板的间距小于所述可恢复最大变形量的位置。
根据本发明的一种实施方式，所述SMA弹簧组在所述可恢复最大变形量的状态下产生的弹性力在所述块状阻尼件能够产生的最大静摩擦力的105％-130％的范围内。即，所述SMA弹簧组在所述可恢复最大变形量的状态下产生的弹性力略大于所述块状阻尼件能够产生的最大静摩擦力。
根据本发明的一种实施方式，所述第二辅助传动部分经由连杆传动机构连接至所述主传动机构，所述第一方向沿所述阻尼箱体的横向，所述第二方向沿所述阻尼箱体的纵向。
根据本发明的一种实施方式，所述温控装置包括温度传感器和温度调节器，所述温度调节器包括控温开关以及连接至所述控温开关的电加热器和制冷器，所述控温开关被配置为能够控制所述电加热器和所述制冷器的开关，以使得所述阻尼箱体内的温度升高或降低。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
根据本发明的双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器相比于现有技术，能够实现水平和竖直两个方向上的耗能减震作用，对于复杂振动条件下的减震抗震具有更好的耗能效果，且易于复位。
附图说明
图1为根据本发明的优选实施方式的双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器的结构示意图。
图2为根据本发明的优选实施方式的双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器的爆炸视图。
图3为根据本发明的优选实施方式的双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器的另一示意图。
图4为根据本发明的优选实施方式的双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器的左视示意图。
图5为根据本发明的优选实施方式的双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器中的水平耗能部分(即第一耗能部分)的示意图。
图6为根据本发明的优选实施方式的双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器中的竖向传动机构(即第二辅助传动部分)的示意图。
图7为根据本发明的优选实施方式的双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器中的竖向限位卡槽的示意图。
图8为根据本发明的优选实施方式的双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器中的水平滑动卡槽的示意图。
图9为根据本发明的优选实施方式的双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器中的SMA弹簧装置的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都将落入本发明的保护范围之中。
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“水平”、“竖直”、“横”、“纵”等，参考附图中描述的方向使用。本发明各实施例中的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
形状记忆合金(SMA)是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应(shape memory effect,SME)的由两种以上金属元素所构成的材料，具有特殊的形状记忆效应和超弹性。利用其超弹性制作阻尼器具有可恢复变形大、耗能能力强、以及耐久性、抗腐蚀、抗疲劳性能好等优点。摩擦阻尼器是工程结构中常用的一种耗能减震装置，具有构造简单、性能稳定、耗能能力强的优点。将SMA弹簧和摩擦阻尼机构相结合，可以有效提高阻尼器的阻尼系数和耗能能力。
参考图1-9尤其如图1-3所示，根据本发明优选实施方式的双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器大致可包括水平耗能部分、竖向辅助传动部分和温度调控部分。如图5所示，水平耗能部分可主要包括阻尼箱体3、隔热顶板2、主传动杆1、副传动杆18、固定螺栓5、第一限位挡板9、第二限位挡板11、第一SMA弹簧隔板14、第二SMA弹簧隔板16、SMA弹簧组15、弹簧固定卡扣17和摩擦阻尼件10等组成部分。
其中，主传动杆1与外界建筑结构相连，其上刻有螺纹，与主传动杆1相连的固定螺栓5有4个，第一限位挡板9、第二限位挡板11和第一SMA弹簧隔板14通过对应分布于两侧的固定螺栓5与相连主传动杆1。副传动杆18与外界建筑结构相连，其上刻有螺纹，通过固定螺栓5与第二SMA弹簧隔板16相连。主传动杆1右端与副传动杆2左端之间的距离略大于SMA弹簧组15所允许的最大可恢复变形量，以保证在使用过程中SMA弹簧不受到过量的挤压。当来自阻尼箱体3左侧的水平位移通过主传动杆1输入时，主传动杆1带动第一限位挡板9、第二限位挡板11和第一SMA弹簧隔板14一起进行水平位移，并拉/压SMA弹簧组15。当来自阻尼箱体3右侧的水平位移通过副传动杆18输入时，副传动杆18带动第二SMA弹簧隔板16一起进行水平位移，并拉/压SMA弹簧组15。
阻尼箱体3内壁需进行磨砂处理，并喷涂隔热涂层材料。如图2所示，阻尼箱体3前、后侧面板可开有空槽。空槽的大小与水平滑动卡槽6相同。摩擦阻尼件10位于第一限位挡板9和第二限位挡板11之间，其顶面和底面与阻尼箱体3之间形成摩擦接触，可以通过调节接触面光滑程度的方式使摩擦阻尼件10的最大静摩擦力略小于SMA弹簧组15所允许的最大拉/压力。
调节主传动杆1在安装时的位置，可使得第一限位挡板9与摩擦阻尼件10之间的距离略大于SMA弹簧组15所允许的最大可恢复变形量；使第二限位挡板11与摩擦阻尼件10之间的距离略大于SMA弹簧组15所允许的最大可恢复变形量。这样设计或设置的目的在于，在水平振动位移输入后，先引起SMA弹簧组15的位移，当输入振动位移较大时，位移超过SMA弹簧组15所允许的最大可恢复变形量后，第一限位挡板9或第二限位挡板11与摩擦阻尼件10发生接触，使摩擦阻尼件10发生运动，形成摩擦耗能。
如图9所示，SMA弹簧组15通过弹簧固定卡扣17将SMA弹簧组15固定在第一SMA弹簧隔板14和第二SMA弹簧隔板16之间。SMA弹簧组15应选用具有单程或双程记忆效应的形状记忆合金，并在安装时施加不高于2％的预压力。在安装前，对SMA弹簧组15进行热加工，确保SMA弹簧组15在拉长后，随着温度的升高可自行回复原长。优选地，SMA弹簧组15中的弹簧应保持空间对称均匀分布，数量不少于4根。第一SMA弹簧隔板14、第二SMA弹簧隔板16和弹簧固定卡扣17应具有足够的强度和刚度，保证在工作过程中，SMA弹簧组15沿轴向受压，不发生弯曲或剪切等受力情况。
如图6所示，竖向辅助传动部分可具体设计为包括竖向限位卡槽4、水平滑动卡槽6、水平滑块7、套筒横杆8、连接杆件12和铰支座13。如图3所示，竖向限位卡槽4可位于在阻尼箱体3中段外侧，前后对称分布。竖向限位卡槽4与阻尼箱体3之间的连接应具有足够的强度和刚度，以确保在外界振动输入情况下竖向限位卡槽4能够正常工作。
如图7所示，竖向限位卡槽4的顶面与阻尼器外部的建筑结构相接，中段为卡槽式设计，保证竖向限位卡槽4只能产生竖直方向位移，底面与铰支座13固接。外部建筑结构的位移通过竖向限位卡槽4传递给铰支座13。竖向限位卡槽4顶部和底部设置有凸起，该凸起起到了限制铰支座13竖向位移大小的作用。通过涂抹润滑油等方式，尽量降低竖向限位卡槽4之间的摩擦力，以确保结构在地震作用下产生的竖向位移能够沿着竖向限位卡槽4传入到阻尼箱体3中。连接杆件12一端与铰支座13相接，另一端与套筒横杆8相接。
如图8所示，套筒横杆8穿过水平滑块7与第一限位挡板9固接。水平滑块7位于水平滑动卡槽6中段，其初始位置应设置在水平滑动卡槽6中点处。水平滑块7与水平滑动卡槽6互相咬合，保证水平滑块7只能发生与阻尼箱体3长度方向相平行的位移。
以下结合图6所示对竖向辅助传动部分的工作原理进行进一步说明。例如，建筑结构的竖直方向的振动位移通过与建筑结构相连的竖向限位卡槽4传入阻尼器，带动铰支座13产生竖向位移。连接杆件12在被铰支座13约束的一端进行竖向运动，在被水平滑动卡槽6和水平滑块7约束的另一端进行水平运动。连接杆件12的这一运动特性将铰支座13产生的竖向位移转化为套筒横杆8水平位移，套筒横杆8与第一限位挡板9固接，带动第一限位挡板9进行水平运动，对SMA弹簧组15进行牵拉或挤压，较佳的对地震能量进行耗散。本发明的竖向辅助传动部分的主要作用是将建筑结构在竖直方向的振动位移转化为水平方向的振动位移，进而利用水平耗能部分的工作机制将竖直方向的地震动输入进行耗能消散。
如图2所示，温度调控部分可包括温度监控部分和温度调节部分。温度监控部分由位于阻尼箱体3外侧的温度监控器20和与其相连的且设置在阻尼箱体3内部的温度传感器19组成。温度调节部分由供电电路23和与其相连的且与设置在阻尼箱体3内部的电加热器21和微型制冷器22组成；通过供电电路23的内置开关选择连通加热器或微型制冷器工作。温度调控部分的电加热器14，其发热功率应足够使SMA弹簧组15的温度达到形状记忆合金的马氏体逆相变温度。SMA是温敏变刚度变阻尼材料，在阻尼器使用过程中，通过温度调节部分对SMA弹簧组15进行温度的监控和调整，可以改变SMA弹簧的刚度和阻尼，实现装置频率的智能调控。在地震作用后，可以通过电加热器14加热SMA弹簧组15，使SMA发生马氏体相变，恢复为加载前的未变形状态，实现阻尼器的自复位功能。
阻尼器设置在建筑物的薄弱节点处或地下结构的接头、接缝处，是增加建筑结构抗震耗能能力的组件。另外，可以通过增减SMA弹簧组15中弹簧的数量或改变摩擦阻尼件10的摩擦系数来调节阻尼器的耗能能力。在安装过程中，要注意使主传动杆1、副传动杆18和竖向限位卡槽4与建筑结构之间形成足够强度和刚度的有效连接。
举例来说，根据本发明的上述优选实施方式的方案，其工作过程可大致如下。
当地震传入时，结构的节点部位产生水平和竖直方向的振动。水平方向的振动通过主传动杆1和副传动杆18传入阻尼箱体3内部，主传动杆1和副传动杆18带动第一SMA弹簧隔板14和第二SMA弹簧隔板16进行运动，对SMA弹簧组15形成牵拉或挤压作用，从而实现SMA弹簧组15的减震耗能功能。当输入的水平方向振动幅度较大时，SMA弹簧组15达到最大可恢复变形状态，无法发挥更多的耗能作用，此时第一限位挡板9或第二限位挡板11与摩擦阻尼件10发生接触，带动摩擦阻尼件10进行运动，实现第二阶段的摩擦耗能。结构在竖直方向的振动通过竖向限位卡槽4输入阻尼器的竖向辅助传动部分，竖向限位卡槽4带动铰支座13产生竖向位移。连接杆件12在水平滑块7与水平滑动卡槽6的作用下将铰支座13产生的竖向位移转化为套筒横杆8水平位移，套筒横杆8带动第一限位挡板9进行水平运动，参与到水平耗能部分的工作状态之中。实现了水平方向位移和竖直方向位移相互耦合的减震耗能。在地震发生后，通过电加热器14加热SMA弹簧组15，使SMA材料发生马氏体相变，恢复为加载前的未变形状态，实现阻尼器的自复位功能。
与现有技术相比，根据本发明的上述优选实施方式的方案可实现如下所述的显著的技术优势：
(1)可以实现水平和竖直两个方向上的耗能减震作用，并且两个方向上的位移相互耦合，对于复杂振动条件下的减震抗震具有更好的耗能效果；
(2)通过SMA弹簧和摩擦阻尼器相结合，在中小震时，SMA弹簧进行工作，摩擦阻尼器不工作；在大震时，SMA弹簧无法继续提供耗能作用，此时摩擦阻尼器进行工作，起到减震耗能的作用。既实现了各种强度地震作用下的耗能减震功能，又克服了SMA弹簧耗能能力差和摩擦阻尼器在中小地震情况下易自锁的缺点。
(3)通过在SMA弹簧摩擦复合阻尼器的基础上加入温度调控系统，利用温控调节可实现SMA弹簧的自复位功能。利用SMA的单程记忆效应，以加热的方式实现地震过后的阻尼器复位与修缮。
(4)上述复合阻尼器，结构简单、抗震范围大、稳定性高、节约材料、便于加工，能够实现SMA弹簧和摩擦阻尼件的协同作用，可利用温控系统实现SMA弹簧的自复位。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而且这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双向限位式SMA弹簧摩擦复合阻尼器，其特征在于，所述复合阻尼器包括：
阻尼箱体；
第一耗能部分，所述第一耗能部分包括沿第一方向布置的SMA弹簧耗能装置和阻尼装置，所述SMA弹簧耗能装置具有主传动机构、副传动机构以及可操作地连接于所述主传动机构和所述副传动机构之间的SMA弹簧组，所述SMA弹簧耗能装置被构造成，所述主传动机构和所述副传动机构分别能够响应于沿第一方向的外力而促使所述SMA弹簧组拉伸或压缩从而耗能，所述阻尼装置被构造成能够在沿第一方向的外力达到预设的阻尼启用阈值时通过摩擦力耗能，其中所述主传动机构和所述副传动机构的大部分以及所述SMA弹簧组安装于所述阻尼箱体内；
第二辅助传动部分，所述第二辅助传动部分可操作地连接至所述SMA弹簧耗能装置，并被构造成能够响应于沿第二方向的外力而驱使所述主传动机构相对于所述副传动机构运动，进而促使所述SMA弹簧组拉伸或压缩从而耗能，其中所述第二方向和所述第一方向垂直相交；
温控装置，所述温控装置被配置为能够调节所述阻尼箱体内的温度，以改变所述SMA弹簧组的阻尼系数和刚度。
2.如权利要求1所述的复合阻尼器，其特征在于，所述主传动机构包括主传动杆以及相对于所述主传动杆固定安装的第一限位挡板、第二限位挡板、第一SMA弹簧隔板，所述主传动杆的外端部延伸突出于所述阻尼箱体外，所述第一SMA弹簧隔板固定安装于所述主传动杆的内端部处，所述主传动杆沿第一方向延伸地安装于所述阻尼箱体中，并被构造成能够沿第一方向往复运动。
3.如权利要求2所述的复合阻尼器，其特征在于，所述副传动机构包括副传动杆以及相对于所述副传动杆固定安装的第二SMA弹簧隔板，所述副传动杆的外端部延伸突出于所述阻尼箱体外并与所述主传动杆的外端部相对设置，所述第二SMA弹簧隔板固定安装于所述副传动杆的内端部处，所述副传动杆沿第一方向延伸地安装于所述阻尼箱体中，并被构造成能够沿第一方向往复运动。
4.如权利要求3所述的复合阻尼器，其特征在于，所述SMA弹簧组的两端分别固定连接至所述第一SMA弹簧隔板和所述第二SMA弹簧隔板。
5.如权利要求2所述的复合阻尼器，其特征在于，所述阻尼装置包括块状阻尼件，所述块状阻尼件布置于所述第一限位挡板和所述第二限位挡板之间。
6.如权利要求5所述的复合阻尼器，其特征在于，所述第一限位挡板和所述第二限位挡板被构造为能够限制所述SMA弹簧组的变形量不超出其可恢复最大变形量。
7.如权利要求6所述的复合阻尼器，其特征在于，在未受外力的情况下，所述块状阻尼件被布置于和所述第一限位挡板及所述第二限位挡板的间距小于所述可恢复最大变形量的位置。
8.如权利要求6所述的复合阻尼器，其特征在于，所述SMA弹簧组在所述可恢复最大变形量的状态下产生的弹性力在所述块状阻尼件能够产生的最大静摩擦力的105％-130％的范围内。
9.如权利要求1所述的复合阻尼器，其特征在于，所述第二辅助传动部分经由连杆传动机构连接至所述主传动机构，所述第一方向沿所述阻尼箱体的横向，所述第二方向沿所述阻尼箱体的纵向。
10.如权利要求1所述的复合阻尼器，其特征在于，所述温控装置包括温度传感器和温度调节器，所述温度调节器包括控温开关以及连接至所述控温开关的电加热器和制冷器，所述控温开关被配置为能够控制所述电加热器和所述制冷器的开关，以使得所述阻尼箱体内的温度升高或降低。
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