CN115596266A - 基于sma板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器，属于土木工程防灾减灾领域。包括内芯、外套管、SMA板环；外套管由上、下两个外表面横截面为半圆形的外套管构成，外套管内设置有内芯，外套管内侧设置有与所述内芯对应的凹槽；所述内芯分为左、右两组内芯，左、右两组内芯外侧伸出所述外套管，并分别与两侧的端板固定连接在一起，内芯包括平直段及其上设置的至少1个楔形面段，外套管外侧径向紧固设置有多组SMA板环，为外套管施加预压力。本发明可实现阻尼器在地震过程中分级保护主体结构的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种阻尼器，特别是一种基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器，属于土木工程防灾减灾领域。
背景技术
对于地震作用，传统的结构依靠的是自身的强度和变形来抵抗地震。但是，在地震作用较强的情况下结构会出现构件损伤，甚至是倒塌。该类方法既不经济，又存在安全隐患，并不能对其起到有效地保护作用。有些结构在震后即便保持了结构整体的完整性不至倒塌，但是仍在地震过程中产生了较大的塑性变形，致使结构在震后留有较大的残余变形。残余变形的存在会严重减小结构抵抗余震的能力、增加震后结构加固维修的费用甚至需要将结构推倒重建，造成巨大的经济损失。
消能减震技术已被实践证明能够有效控制结构损伤，通过耗能装置产生摩擦、弯曲等弹塑性滞回变形来耗散地震输入结构中的能量，从而减小结构本身的地震响应，避免主体结构的破坏或倒塌。然而消能减震装置大多耗能水准单一，难以满足不同强度的地震下的抗震要求。这是由于目前的减震装置如阻尼器大多采用单一的限位措施，具体表现为仅配备单个耗能构件或多个疲劳性能相同或相近的耗能构件，在循环荷载作用下往往同时发生疲劳破坏，强震限位能力强时，中小震减震效率低；中小震减震效率高时,强震下存在较大残余位移。
现阶段已有部分学者所研究的分级屈服阻尼器初步解决了传统阻尼器耗能水准单一的问题，使阻尼器具有多道耗能防线以应对不同强度的水平地震作用，但现有的分级屈服型阻尼器大多并未将残余位移，即结构的功能恢复问题考虑进来。
自复位结构作为地震后不需修复或稍加修复即可恢复其使用功能的结构，可以有效减小甚至完全消除传统结构在经历大震之后的残余变形，以减小不可修复或无法继续使用的可能性。不仅具备更优良的滞回耗能能力，大大减小地震作用下结构的最大变形，还具备良好复位能力，减小结构震后残余变形。由此引入自复位结构概念，开发多级设防的消能减震-自复位装置，使其达到小震下处于弹性状态，在中震或大震下屈服耗能，同时减小结构在大震或中震作用下出现较大的残余变形的效果，满足不同强度的地震下的抗震要求，从而实现分级控制的目标。
发明内容
为了达到小震下处于弹性状态，在中震或大震下屈服耗能的效果，同时解决普通耗能阻尼器在大震或中震作用下出现较大的残余变形而增大震后维护和重建成本问题，满足不同强度的地震下的抗震要求，实现分级控制的目的，本发明提供了一种基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器。
为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器，包括摩擦系统以及自复位系统，所述摩擦系统主要由内芯与外套管组成，自复位系统主要由预紧的SMA板环构成；
所述外套管由上、下两个外表面横截面为半圆形的外套管构成，其上、下对合在一起形成整体的轴向水平的外套管；所述外套管内设置有内芯，所述外套管内侧设置有与所述内芯对应的凹槽；所述内芯分为左、右两组内芯，左、右两组内芯外侧伸出所述外套管，并分别与两侧的端板固定连接在一起，且左、右两组内芯之间设置有空隙；
每组内芯整体为板状结构，其水平轴与外套管的管轴共面，所述内芯包括平直段及其上设置的至少1个楔形面段；
所述外套管内侧设置有与所述内芯上的楔形面段对应的凹槽；所述楔形面段对应设置在所述外套管的凹槽内，且凹槽为楔形凹槽，所述楔形面段的顶部水平面与所述楔形凹槽的底部水平面接触贴合，所述楔形面段的两侧楔形边与所述楔形凹槽的两侧斜面之间预留有一定的空隙；
所述外套管外侧径向紧固设置有多组SMA板环，为外套管施加预压力。
进一步地，每组内芯的所述平直段上设置的楔形面段为2-4个。
进一步地，所述外套管与内芯之间涂抹有润滑油用以控制摩擦系数。
进一步地，所述SMA板环的端部打有孔洞，并通过高强螺栓连接，用于预紧SMA板环，并为上、下外套管提供预压力。
进一步地，所述SMA板环对应设置在楔形面段所对应的外套管外周；且SMA板环数量与所述楔形面段的数量一致。
进一步地，通过内芯楔形面段两侧楔形边的角度、SMA板环为外套管提供的预压力和内芯与外套管之间的摩擦系数控制阻尼器的承载力。
进一步地，所述内芯与外套管均由高强度钢构成。
本发明的工作原理为：
当基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器两侧端板受到较小的轴向荷载时，内芯可在外套管内发生轻微位移，阻尼器受到的轴向荷载大于楔形面段的顶部水平面与楔形凹槽的底部水平面的静摩擦力，内芯与外套管开始发生相对滑动，此时摩擦部分开始耗能；当基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器两侧端板受到较大的轴向荷载时，随着阻尼器位移的增大，楔形面段的两侧楔形边与所述楔形凹槽的两侧斜面之间接触并开始沿斜面滑动，导致上、下外套管之间的缝隙增大；由于SMA板环紧紧包裹在上、下外套管表面，所以SMA板环始终处于受拉伸长状态，此时SMA板环为阻尼器提供自恢复力，且SMA板环所受的张力随着内芯与外套管之间相对位移的增大而增加，同时摩擦力也随之增大；且无论上、下外套管受到的压力多大，都能通过内芯楔形面段左、右两侧楔形边的正切值大于静摩擦系数来保证自复位功能的实现。
本发明的有益效果在于：
本发明可通过内芯的形状控制阻尼器的可变形能力，同时通过内芯左右两侧楔形边的角度、SMA板环为外套管提供的预压力和内芯与外套管之间的摩擦系数控制阻尼器的承载力。随着内芯与外套管之间的相对滑动增大，SMA板环所受的张力越大，内芯与外套管之间的摩擦力越大，从而增大阻尼器的承载力和阻尼，对于多性能目标或多水准地震动，这种自适应性有利于优化结构的抗震性能。
附图说明
图1为基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器的结构正剖面图；
图2为基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器的结构俯剖面图；
图3为图1和图中的A-A横截面图；
图4为基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器的SMA板环示意图；
图5为基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器三维图。
具体实施方式
为了使本发明的特点更加直观，下面将参照图片进一步说明本发明的实施方式，但是本发明不限于以下实施例。
如图1-图5，本发明的基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器，包括摩擦系统以及自复位系统，摩擦系统主要由内芯1与外套管2组成，内芯1与外套管2均由高强度钢构成。自复位系统主要由预紧的SMA板环3构成。本实施例中，外套管2由上、下两个外表面横截面为半圆形的外套管构成，其上、下对合在一起形成整体的轴向水平的外套管2。外套管2内设置有内芯1，外套管2内侧设置有与内芯1对应的凹槽。内芯1分为左、右两组内芯1，左、右两组内芯1外侧伸出外套管2，并分别与两侧的端板4固定连接在一起，且左、右两组内芯1之间设置有空隙。
每组内芯1整体为板状结构，其水平轴与外套管2的管轴共面，内芯1包括平直段11及其上设置的2个楔形面段12，如图1所示。此外，外套管2内侧设置有与内芯1上的楔形面段12对应的凹槽。楔形面段12对应设置在外套管2的凹槽内，且凹槽为楔形凹槽，楔形面段12的顶部水平面与楔形凹槽的底部水平面接触贴合，楔形面段12的两侧楔形边与楔形凹槽的两侧斜面之间预留有一定的空隙。外套管2与内芯1之间涂抹有润滑油用以控制摩擦系数。
如图4-5所示，外套管2外侧径向紧固设置有多组SMA板环3，为外套管2施加预压力。SMA板环3的端部打有孔洞，并通过高强螺栓5连接，用于预紧SMA板环3，并为上、下外套管2提供预压力。SMA板环3对应设置在楔形面段12所对应的外套管2外周。且SMA板环3数量与楔形面段12的数量一致，共计4个。
本实施例中，可通过内芯楔形面段12两侧楔形边的角度、SMA板环3为外套管2提供的预压力和内芯1与外套管2之间的摩擦系数控制阻尼器的承载力。
具体实施时，当基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器两侧端板4受到较小的轴向荷载时，内芯1可在外套管2内发生轻微位移，阻尼器受到的轴向荷载大于楔形面段12的顶部水平面与楔形凹槽的底部水平面的静摩擦力，内芯1与外套管2开始发生相对滑动，此时摩擦部分开始耗能。当基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器两侧端板4受到较大的轴向荷载时，随着阻尼器位移的增大，楔形面段12的两侧楔形边与楔形凹槽的两侧斜面之间接触并开始沿斜面滑动，导致上、下外套管2之间的缝隙增大。由于SMA板环3紧紧包裹在上、下外套管2表面，所以SMA板环3始终处于受拉伸长状态，此时SMA板环3为阻尼器提供自恢复力，且SMA板环3所受的张力随着内芯1与外套管2之间相对位移的增大而增加，同时摩擦力也随之增大。且无论上、下外套管2受到的压力多大，都能通过内芯1楔形面段12左、右两侧楔形边的正切值大于静摩擦系数来保证自复位功能的实现。
以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器，包括摩擦系统以及自复位系统，其特征在于：所述摩擦系统主要由内芯(1)与外套管(2)组成，自复位系统主要由预紧的SMA板环(3)构成；
所述外套管(2)由上、下两个外表面横截面为半圆形的外套管构成，其上、下对合在一起形成整体的轴向水平的外套管(2)；所述外套管(2)内设置有内芯(1)，所述外套管(2)内侧设置有与所述内芯(1)对应的凹槽；所述内芯(1)分为左、右两组内芯(1)，左、右两组内芯(1)外侧伸出所述外套管(2)，并分别与两侧的端板(4)固定连接在一起，且左、右两组内芯(1)之间设置有空隙；
每组内芯(1)整体为板状结构，其水平轴与外套管(2)的管轴共面，所述内芯(1)包括平直段(11)及其上设置的至少1个楔形面段(12)；
所述外套管(2)内侧设置有与所述内芯(1)上的楔形面段(12)对应的凹槽；所述楔形面段(12)对应设置在所述外套管(2)的凹槽内，且凹槽为楔形凹槽，所述楔形面段(12)的顶部水平面与所述楔形凹槽的底部水平面接触贴合，所述楔形面段(12)的两侧楔形边与所述楔形凹槽的两侧斜面之间预留有一定的空隙；
所述外套管(2)外侧径向紧固设置有多组SMA板环(3)，为外套管(2)施加预压力。
2.根据权利要求1所述的基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器，其特征在于：每组内芯(1)的所述平直段(11)上设置的楔形面段(12)为2-4个。
3.根据权利要求2所述的基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器，其特征在于：所述外套管(2)与内芯(1)之间涂抹有润滑油用以控制摩擦系数。
4.根据权利要求3所述的基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器，其特征在于：所述SMA板环(3)的端部打有孔洞，并通过高强螺栓连接，用于预紧SMA板环(3)，并为上、下外套管(2)提供预压力。
5.根据权利要求4所述的基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器，其特征在于：所述SMA板环(3)对应设置在楔形面段(12)所对应的外套管(2)外周；且SMA板环(3)数量与所述楔形面段(12)的数量一致。
6.根据权利要求5所述的基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器，其特征在于：通过内芯楔形面段(12)两侧楔形边的角度、SMA板环(3)为外套管(2)提供的预压力和内芯(1)与外套管(2)之间的摩擦系数控制阻尼器的承载力。
7.根据权利要求6所述的基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器，其特征在于：所述内芯(1)与外套管(2)均由高强度钢构成。
8.根据权利要求7所述的基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器，其特征在于：当基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器两侧端板(4)受到较小的轴向荷载时，内芯(1)可在外套管(2)内发生轻微位移，阻尼器受到的轴向荷载大于楔形面段(12)的顶部水平面与楔形凹槽的底部水平面的静摩擦力，内芯(1)与外套管(2)开始发生相对滑动，此时摩擦部分开始耗能；当基于SMA板环的变滞回性能滑移摩擦自复位耗能阻尼器两侧端板(4)受到较大的轴向荷载时，随着阻尼器位移的增大，楔形面段(12)的两侧楔形边与所述楔形凹槽的两侧斜面之间接触并开始沿斜面滑动，导致上、下外套管(2)之间的缝隙增大；由于SMA板环(3)紧紧包裹在上、下外套管(2)表面，所以SMA板环(3)始终处于受拉伸长状态，此时SMA板环(3)为阻尼器提供自恢复力，且SMA板环(3)所受的张力随着内芯(1)与外套管(2)之间相对位移的增大而增加，同时摩擦力也随之增大；且无论上、下外套管(2)受到的压力多大，都能通过内芯(1)楔形面段(12)左、右两侧楔形边的正切值大于静摩擦系数来保证自复位功能的实现。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |