CN110397175B - 一种sma负刚度减震装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种SMA负刚度减震装置。该SMA负刚度减震装置包括上座板、下座板以及位于上、下座板之间的滑块，所述上座板的下侧面具有下凸弧面，所述下座板的上侧面具有上凸弧面，所述滑块的上侧面具有与上座板的下凸弧面凹凸配合的下凹弧面、下侧面具有与下座板的上凸弧面凹凸配合的上凹弧面，所述减震装置还包括环绕在上座板和下座板之间、用于将上座板和下座板压紧在滑块上的SMA索。本发明的SMA负刚度减震装置具有自复位能力，SMA索具有恢复自身变形的能力，这一能力使得减减震装置可恢复自身变形。SMA负刚度减震装置利用上座板的下凸弧面、下座板的上凸弧面形成负刚度效应，减小减震装置下部结构的内应力。

Description

一种SMA负刚度减震装置
技术领域
本发明涉及一种减震装置，特别是涉及一种SMA负刚度减震装置。
背景技术
自20世纪60年代以来，隔震、耗能减震技术逐步引起世界各国的重视并广泛应用于建筑结构和桥梁结构。隔震、减震技术是通过隔震、减震装置将结构最大限度的与地震时的地面运动或支座运动分隔开，从而大幅减少传递到上部结构的地震作用。大量理论研究和部分隔震工程震害经验表明，隔震与耗能减震技术是目前为止性能最为稳定且最有效的控制技术之一，已有部分采用了隔震及耗能减震技术的工程结构经受住了强烈地震的考验，证实了这种被动控制技术的有效性，减隔震技术也在建筑和桥梁结构的加固及重建中得到了比较广泛的应用，随着近几年地震的频繁发生，与桥梁、建筑相关的抗震产品得到了快速发展。
超弹性形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMA)应用于减隔震桥梁，可有效减小墩梁间最大相对位移、减小残余变形、增加额外耗能能力。国内外学者提出了大批SMA限位装置和基于SMA的减隔震装置，极大的提高了桥梁的自恢复能力。但是，由于SMA构件增大了墩梁间的连接刚度，导致下部结构在地震动作用下的内力响应明显增大。如何减小下部结构的内力，成为SMA隔震体系桥梁需要解决的一大问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种SMA负刚度减震装置，以解决现有技术中的SMA减震装置因内力响应大而易损坏的技术问题。
本发明的一种SMA负刚度减震装置的技术方案是：
一种SMA负刚度减震装置包括上座板、下座板以及位于上、下座板之间的滑块，所述上座板的下侧面具有下凸弧面，所述下座板的上侧面具有上凸弧面，所述滑块的上侧面具有与上座板的下凸弧面的弧顶部分凹凸配合的下凹弧面、下侧面具有与下座板的上凸弧面的弧顶部分凹凸配合的上凹弧面，所述减震装置还包括环绕在上座板和下座板之间、用于将上座板和下座板压紧在滑块上的SMA索。
所述上座板与下座板之间还设有限位SMA索，上、下座板未发生相对滑动时限位SMA索处于松弛状态，上、下座板发生相对相对滑动时限位SMA索张紧用于对上、下座板滑动位置进行限位。
所述限位SMA索与上、下座板通过球铰结构连接。
所述球铰结构包括设置在限位SMA索两端的球头、固定连接在上、下座板上的球头座。
所述球头座包括两个可拆连接的单体。
所述滑块为柱形块，所述上座板的下凸弧面的边缘呈圆形，所述下座板的上凸弧面的边缘呈圆形。
所述SMA索具有多条，多条SMA索中的部分为平行间隔布置的横向SMA索，剩余部分为平行间隔布置的纵向SMA索。
所述上座板的下凸弧面与下座板的上凸弧面的弧度相等。
本发明的有益效果是：
本发明的SMA负刚度减震装置中的上座板连接建筑结构，下座板连接基础结构，上座板承载的结构的重力会作用在上凸弧面上，此重力载荷会沿上凸弧面产生沿上凸弧面切向的分力，此分力提供滑块下滑的作用力，而滑块与上凸弧面之间的摩擦力又阻止滑块下滑。当下滑力大于摩擦力时，二者差值帮助滑块背离平衡位置，通过上凹弧面和上凸弧面配合，滑块将在上座板上滑动，从而使减震装置产生负刚度。
本发明的SMA负刚度隔震支座具有自复位能力，SMA索具有恢复自身变形的能力，这一能力使得减减震装置可恢复自身变形。SMA负刚度减震装置利用上座板的下凸弧面、下座板的上凸弧面形成负刚度效应，减小减震装置下部结构的内应力。
进一步的，限位SMA索有效限制减震装置的最大位移，使得墩梁间位移减小，可有效防止落梁震害的发生。
进一步的，将本发明的SMA负刚度减震装置与阻尼器并联，可以达到同时减小结构内力和位移的双控目标。
进一步的，限位SMA索通过球铰结构与上座板、下座板连接，便于更换限位SMA索。
附图说明
图1是本发明的SMA负刚度减震装置的结构示意图；
图2是本发明的SMA负刚度减震装置的***视图；
图3是本发明的SMA负刚度减震装置中上、下座板未发生相对滑动时的状态图；
图4是本发明的SMA负刚度减震装置中上、下座板发生相对滑动时的状态图；
图5是本发明的SMA负刚度减震装置中的球铰结构的结构示意图；
图6是本发明的SMA负刚度减震装置中的球铰球头座的结构示意图；
图7是本发明的SMA负刚度减震装置中的限位SMA索与球头的结构示意图；
图8是沿图7中Ⅱ－Ⅱ向的剖视图；
图9是沿图7中Ⅰ－Ⅰ向的剖视图；
图10是本发明的SMA负刚度减震装置中的套筒与限位SMA的连接状态图；
图中：1-上座板；11-下凸弧面；2-下座板；21-上凸弧面；3-SMA索；31-横向SMA索；32-纵向SMA索；4-滑块；41-下凹弧面；5-限位SMA索；51-SMA丝；6-球头；61-穿孔；7-球头座；71-球头座单体一；72-球头座单体二；8-索内套筒；9-索外套筒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的SMA负刚度减震装置的具体实施例一，如图1、图2所示，包括上座板1、下座板2以及位于上、下座板之间的滑块4，上座板1和下座板2均为矩形板，滑块4为柱形结构。上座板1的下侧面的中心位置具有下凸弧面11，下座板2的上侧面具有上凸弧面21，上凸弧面21和下凸弧面11的边缘均呈圆形，上座板1的下凸弧面11在下座板2上的投影与下座板2的上凸弧面21相重合。滑块4的上侧面具有与下凸弧面11的弧顶部分凹凸配合的下凹弧面41、下侧面具有与上凸弧面21的弧顶部分凹凸配合的上凹弧面，以使得滑块4能够沿下凸弧面11、上凸弧面21滑动。
参照图3、图4所示，上座板1的边缘具有向下弯折的折边，下座板2的边缘具有向上弯折的折边，用于对滑块4进行限位，以防止滑块4滑出上座板1和下座板2之间的间隙。
本实施例中，SMA负刚度减震装置还包括环绕在上座板1和下座板2之间、用于将上座板1、下座板2压紧在滑块4上的SMA索3。SMA索3具有多根，每根SMA索3由七根直径为d的SMA丝构成，多根SMA索3中的部分为平行间隔布置的横向SMA索31，剩余部分为平行间隔布置的纵向SMA索32。横向SMA索31和纵向SMA索32能够对矩形的上座板、下座板周向产生作用力。
SMA负刚度减震装置还包括连接在上座板1和下座板2之间的多根限位SMA索5，多根限位SMA索5以滑块4的轴线上的点为圆心周向均布。如图7、图8所示，每根限位SMA索5由七根直径为d的SMA丝51构成，如图9所示，球头6具有供SMA丝51穿过的穿孔61。限位SMA索5的端头套有索内套筒8，两个索内套筒8之间连接有索外套筒9，如图10所示，以使限位SMA索首尾相接。限位SMA索5与上座板1、下座板2通过球铰结构连接。具体的，如图5、图6所示，球铰结构包括连接在限位SMA索5两端的球头6以及固定在上座板1和下座板2上的球头座7。上座板1上的球头座7固定在下凸弧面11的外侧，下座板上的球头座7固定在上凸弧面21的外侧。
球头座7包括可拆连接的球头座单体一71和球头座单体二72，球头座单体一71和球头座单体二72通过螺栓固定在上座板1和下座板2上。球头座单体一71和球头座单体二72之间具有容纳球头6的容纳腔，球头座单体二72上具有与容纳腔连通的穿索孔，以供限位SMA索5穿过。
本实施例中，限位SMA索5为U形，U形的限位SMA索5在上座板1和下座板2未发生相对滑动时处于松弛状态。上座板1、下座板2发生相对滑动时，限位SMA索5张紧用于对上座板1和下座板2的滑动位置起到限定作用。
本发明的SMA负刚度减震装置的原理为：正常使用情况下，减震装置将结构上部载荷均匀的传递到结构，起到普通支座的作用。发生中小地震时，上座板1与滑块4、下座板2与滑块4发生相对滑动，摩擦耗能并延长结构周期，起到良好的隔震效果。发生大地震时，除上述摩擦滑动外，环绕在上座板1、下座板2之间的SMA索3将参与滞回耗能，并利用其超弹性特性提供回复力，达到减小结构反应、限制支座位移的目的；同时限位SMA索5张紧，限制上座板1、下座板2的滑动位移。
本发明的SMA负刚度减震装置中的上座板连接建筑结构，下座板连接基础结构，上座板承载的结构的重力会作用在上凸弧面上，此重力载荷会沿上凸弧面产生沿上凸弧面切向的分力，此分力提供滑块下滑的作用力，而滑块与上凸弧面之间的摩擦力又阻止滑块下滑。当下滑力大于摩擦力时，二者差值帮助滑块背离平衡位置，通过上凹弧面和上凸弧面配合，滑块将在上座板上滑动，从而使减震装置产生负刚度。
本实施例中，上座板1的下凸弧面11、下座板2的上凸弧面21的半径取决于SMA负刚度减震装置所需负刚度的大小，SMA负刚度减震装置所需负刚度越大，上座板1的下凸弧面11、下座板2的上凸弧面21的半径越大。滑块4的高度与SMA负刚度减震装置的自复位能力有关，滑块4越高，SMA负刚度减震装置的自复位能力越强。SMA索3长度根据SMA索3的布置形式和初始张拉力确定。SMA索3的截面积根据初始张拉力、布置形式和所需恢复力的大小确定。
本发明的SMA负刚度减震装置具有自复位能力，SMA索3具有恢复自身变形的能力，这一能力使得减震装置可恢复自身变形。SMA负刚度减震装置利用上座板1的下凸弧面11、下座板2的上凸弧面21形成负刚度效应，减小减震装置下部结构的内应力。限位SMA索5有效限制减震装置的最大位移，使得墩梁间位移减小，可有效防止落梁震害的发生。将本发明的SMA负刚度减震装置与阻尼器并联，可以达到同时减小结构内力和位移的双控目标。限位SMA索5通过球铰结构与上座板1、下座板2连接，便于更换限位SMA索5。
本发明的SMA负刚度减震装置的具体实施例二，与SMA负刚度减震装置的具体实施例一的区别之处在于，本实施例中的上座板下侧面具有边界为椭圆形的下凸弧面，下座板上侧面具有边界为椭圆形的上凸弧面。其他实施例中，下凸弧面和上凸弧面的边界也可为其他形状，只需保证滑块可在上凸弧面、下凸弧面之间滑动。其他与实施例一相同，不再赘述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种SMA负刚度减震装置，其特征在于：包括上座板、下座板以及位于上、下座板之间的滑块，所述上座板的下侧面具有下凸弧面，所述下座板的上侧面具有上凸弧面，所述滑块的上侧面具有与上座板的下凸弧面凹凸配合的下凹弧面、下侧面具有与下座板的上凸弧面凹凸配合的上凹弧面，所述减震装置还包括环绕在上座板和下座板之间、用于将上座板和下座板压紧在滑块上的SMA索；其中，所述上座板的边缘具有向下弯折的折边，所述下座板的边缘具有向上弯折的折边，用于对滑块进行限位。
2.根据权利要求1所述的SMA负刚度减震装置，其特征在于：所述上座板与下座板之间还设有限位SMA索，上、下座板未发生相对滑动时限位SMA索处于松弛状态，上、下座板发生相对滑动时限位SMA索张紧用于对上、下座板滑动位置进行限位。
3.根据权利要求2所述的SMA负刚度减震装置，其特征在于：所述限位SMA索与上、下座板通过球铰结构连接。
4.根据权利要求3所述的SMA负刚度减震装置，其特征在于：所述球铰结构包括设置在限位SMA索两端的球头、固定连接在上、下座板上的球头座。
5.根据权利要求4所述的SMA负刚度减震装置，其特征在于：所述球头座包括两个可拆连接的单体。
6.根据权利要求1～5任一项所述的SMA负刚度减震装置，其特征在于：所述滑块为柱形块，所述上座板的下凸弧面的边缘呈圆形，所述下座板的上凸弧面的边缘呈圆形。
7.根据权利要求1所述的SMA负刚度减震装置，其特征在于：所述SMA索具有多条，多条SMA索中的部分为平行间隔布置的横向SMA索，剩余部分为平行间隔布置的纵向SMA索。
8.根据权利要求1～5任一项所述的SMA负刚度减震装置，其特征在于：所述上座板的下凸弧面与下座板的上凸弧面的弧度相等。
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