CN111550112A - 自复位fsma复合阻尼器及其工作方法 - Google Patents

自复位fsma复合阻尼器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种自复位FSMA复合阻尼器，包括外板及位于外板中部的内板，所述外板与内板之间采用多个预紧螺栓压紧连接，所述外板与内板之间设有SMA绞线，所述SMA绞线两端分别均固定在外板的顶面或是底面，SMA绞线中部固定在内板上。本装置结构简单，设计合理，实现了阻尼器在正向与反向加载下具有相同的力学特性；提高摩擦耗能与自复位的可靠性；与此同时，简化阻尼器的受力途径，便于设计、制作与安装，具有广阔的应用前景。

Description

自复位FSMA复合阻尼器及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种自复位FSMA复合阻尼器及其工作方法。
背景技术
现有的摩擦耗能阻尼器多未进行震后自复位性能的设计，同时，具有自复位性能的摩擦耗能阻尼器多采用的是预应力钢绞线或形状记忆合金等等，利用这些外加部件所提供的反力来实现阻尼器震后的自复位功能。2018年01月19日，国家知识产权局授权公告了“一种二阶摩擦阻尼器及减震方法”的发明专利（公告号为：CN 106013922 B），该发明涉及一种二阶摩擦阻尼器，一种二阶摩擦阻尼器包括一阶摩擦单元和二阶摩擦单元，一阶摩擦单元和二阶摩擦单元通过焊接串联；一阶摩擦单元包括下连接板、下摩擦板、一阶主板、上摩擦板、上连接板，通过高强螺栓将上连接板、一阶主板、下连接板连接；二级摩擦单元包括角钢A、角钢B、摩擦板、垫板、二级主板，通过高强螺栓将角钢A、角钢B、二级主板连接。该阻尼器通过高强螺栓预压力，调节起滑力。中、小震作用下启动一阶摩擦单元，大震时一阶摩擦单元和二阶摩擦单元同时工作。当外力小于一阶摩擦起滑力时，一阶摩擦单元未启动；当外力大于等于一阶摩擦起滑力并且小于二阶摩擦起滑力时，一阶主板相对上摩擦板和下摩擦板运动；当外力大于等于二阶摩擦起滑力时，二阶主板相对摩擦板运动，一阶和二阶摩擦单元同时耗能。该技术方案的缺陷在于该阻尼器不具备震后自复位能力，其在震时发生的耗能变形将被保留，这将导致阻尼器在结构发生余震时或下次地震中难以发挥设计性能，甚至失效。
2018年02月02日，国家知识产权局授权公告了一种“SMA合金丝材自复位阻尼器”的发明专利（公告号为：CN 206957318 U），该发明专利包括U形卡槽和位于U形卡槽内可移动的导棒，U形卡槽包括一对侧板和底板，侧板的两端均对应设置有第一长圆孔和第二长圆孔，底板上设置有第一连接件；导棒的长度小于U形卡槽的深度，导棒的两端分别设置有第三长圆孔和第四长圆孔，导棒远离底板的一端设置有第二连接件；第一长圆孔和第三长圆孔内穿设有受拉运动连接棒，第二长圆孔和第四长圆孔内穿设有受压运动连接棒，受拉运动连接棒和受压运动连接棒的两端之间均环绕有SMA合金丝材。该技术方案的缺陷在于阻尼器的两端采用了固接受力，导致阻尼器可能进入受弯变形的工作状态，此时阻尼器的性能将受到极大的影响。
2020年01月07日，国家知识产权局授权公告了“一种方形套筒式自复位金属摩擦阻尼器”的发明专利（公告号为：CN 108331193 B），该发明包括外套筒和设置于外套筒内的内筒，所述阻尼器通过两端的连接杆与外部结构相连，其中，一端的连接杆穿过外套筒的一端与内筒的一端相连，另一端的连接杆与外套筒的另一端相连，内筒的另一端与外套筒的另一端之间还设置有复位弹簧，所述外套筒和内筒之间设置有摩擦结构。该发明的方形套筒式自复位金属阻尼器，通过在内筒开槽，通过在外套筒开螺栓孔来增加阻尼力，具有在受压和手拉两种状态时自复位功能。该技术方案的缺陷在于SMA弹簧与内筒底部之间的焊点在大震中可能发生断裂，此时，该阻尼器的受拉刚度与受压刚度将不再相等，这将大大影响结构的设计性能，使结构震时破坏的可能性增大。
发明内容
本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题提供一种自复位FSMA复合阻尼器及其工作方法，实现阻尼器在正向与反向加载下具有相同的力学特性；提高摩擦耗能与自复位的可靠性；与此同时，简化阻尼器的受力途径，便于设计、制作与安装。
本发明的具体实施方案是：提供一种自复位FSMA复合阻尼器，包括外板及位于外板中部的内板，所述外板与内板之间采用多个预紧螺栓压紧连接，所述外板与内板之间设有SMA绞线，所述 SMA绞线两端分别均固定在外板的顶面或是底面，SMA绞线中部固定在内板上，用以为阻尼器提供复位所需的复位力。
进一步的，所述外板与内板的接触面均为弧面，用以随外板与内板的轴向相对位移增加而增大两者之间的摩擦力。
进一步的，所述外板内部沿外板长度方向设有开槽，所述内板位于开槽内。
进一步的，所述SMA绞线两端采用绞线螺栓固定在外板上，所述SMA绞线中部也采用绞线螺栓固定在内板上。
进一步的，所述外部侧部设有外板接头，所述外板接头外部设置有用以将外板接头固定在外板上的外板接头螺栓。
进一步的，一种自复位FSMA复合阻尼器的工作方法，包括步骤如下：（1）当内板与外板所连接的结构部位发生沿连接线的相对运动时，阻尼器发生受拉变形或者受压变形，从而内板、外板发生相对平动，产生摩擦耗能；（2）内板、外板发生相对平动时，由于外板与内板的接触面由于为弧形面，在内板和外板相对位移变化时，两者摩擦力增加，阻尼器的耗能能力也随之增加；（3）同时，SMA绞线因拉伸变形而产生回弹力，提供了阻尼器复位所需的力，由此实现阻尼器的自复位。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本装置结构简单，设计合理，通过预紧螺栓，将提供轴向相对平动自由度的开槽钢板压紧，使内板和外板之间可以发生理想的相对平动，从而使内板和外板发生摩擦耗能；同时，安装在内板和外板的顶面和底面处的SMA（形状记忆合金）绞线，阻尼器发生轴向的拉压变形时，SMA绞线产生的回弹力可为阻尼器提供复位所需的复位力，同时造价低，各个部件之间均采用螺栓连接，无需焊接等工序，可靠性更好，安装、拆卸更加便捷，该产品主要安装于多发地震带的框架结构的梁柱节点处或者上下层梁之间，内板、外板的连接端分别与结构发生相对运动的目标部位相连，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例立面图；
图2为本发明实施例平面图；
图3为本发明实施例侧面图；
图中：1-内板，2-外板，3-预紧螺栓，4-绞线螺栓，5-SMA绞线，6-外板接头，7-外板接头螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
实施例：如图1~3所示，一种自复位FSMA复合阻尼器，包括外板2及位于外板中部的内板1，所述外板与内板之间采用多个预紧螺栓3压紧连接，实现阻尼器主要的变形方式：轴向拉压的进行，具有位移相关型的特点；所述外板与内板之间设有SMA绞线5，所述 SMA绞线两端分别均固定在外板的顶面或是底面，SMA绞线中部固定在内板上，SMA绞线因拉伸变形而产生回弹力，提供了阻尼器复位所需的力，由此实现阻尼器的自复位；
当内板、外板所连接的结构部位发生沿连接线的相对运动时，阻尼器发生受拉变形或者受压变形，从而内板、外板发生相对平动，产生摩擦耗能。
本实施例中，所述外板与内板的接触面均为弧面，用以随外板与内板的轴向位移增加而增大两者之间的摩擦力；
内板、外板的接触面采用的是弧面设计，具有随内板、外板相对位移变化的变摩擦特性—随着相对位移增加，摩擦力逐渐增大，阻尼器耗能能力随之增强。此外，特殊设计的弧面端部收尾形状能够保证结构在大震下，阻尼器内、外板发生较大相对位移时，预紧螺栓不会撞击到内板的槽端，避免阻尼器发生冲击破坏，同时避免阻尼器冲击运动对结构主体带来的不良影响。所述接触弧面的曲线可根据实际需要设计。
本实施例中，所述外板内部沿外板长度方向设有开槽，所述内板位于开槽内。
本实施例中，所述SMA绞线两端采用绞线螺栓4固定在外板上，所述SMA绞线中部也采用绞线螺栓4固定在内板上；上述的SMA绞线可以设置多组，每组内的SMA绞线可以上下对称设置，位于上方的SMA绞线的两端可以采用绞线螺栓固定在外板顶面，位于上方的SMA绞线中部可以采用绞线螺栓固定在内板上表面；位于下方的SMA绞线的两端可以采用绞线螺栓固定在外板底面，位于下方的SMA绞线中部可以采用绞线螺栓固定在内板下表面。
本实施例中，为了保证内板与外板之间的紧密型，所述外部侧部设有外板接头6，所述外板接头外部设置有用以将外板接头固定在外板上的外板接头螺栓7。
本实施例中，所述外板与内板均采用钢板制成。
本实施例中，通过预紧螺栓，将提供轴向平动自由度的开槽钢板压紧，使内板和外板之间可以发生理想的相对平动，从而使内板和外板发生摩擦耗能；同时，安装在内板和外板的顶面和底面处的SMA（形状记忆合金）绞线，可以根据设计需求选取不同规格的SMA绞线，并设置相应的预拉力，当阻尼器发生轴向的拉压变形时，SMA绞线产生的拉力可为阻尼器提供复位所需的复位力。本专利所用材料为钢材和SMA合金材料，且使用钢材的部分制造方便、造价低，同时，SMA合金材料具有独特的超弹性，变形恢复能力较一般金属更大，力学性能良好。此外，各个部件之间均采用螺栓连接，无需焊接等工序，可靠性更好，安装、拆卸更加便捷。
此外，这里值得说明的是，本装置所采用的两端连接方式不含连接杆，能够有效避免由连接杆屈曲引起的阻尼器失效；本装置在拉压变形下具有对称的力学特性，适合结构在地震作用下发生的往复运动；本装置将阻尼器自复位和摩擦耗能的复合性能，通过SMA绞线和钢板摩擦进行了解耦，设计方便，受力途径明确，力学性能可靠；本装置具有变摩擦特性；本发明可避免阻尼器自身的冲击破坏及其对结构主体的不良影响；同时，本装置采用全装配连接的方式，安装、拆卸均十分便捷。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种自复位FSMA复合阻尼器，其特征在于，包括外板及位于外板中部的内板，所述外板与内板之间采用多个预紧螺栓压紧连接，所述外板与内板之间设有SMA绞线，所述 SMA绞线两端分别均固定在外板的顶面或是底面，SMA绞线中部固定在内板上，用以为阻尼器提供复位所需的复位力。
2.根据权利要求1所述的一种自复位FSMA复合阻尼器，其特征在于，所述外板与内板的接触面均为弧面，用以随外板与内板的轴向相对位移增加而增大两者之间的摩擦力。
3.根据权利要求1所述的一种自复位FSMA复合阻尼器，其特征在于，所述外板内部沿外板长度方向设有开槽，所述内板位于开槽内。
4.根据权利要求1所述的一种自复位FSMA复合阻尼器，其特征在于，所述SMA绞线两端采用绞线螺栓固定在外板上，所述SMA绞线中部也采用绞线螺栓固定在内板上。
5.根据权利要求1所述的一种自复位FSMA复合阻尼器，其特征在于，所述外部侧部设有外板接头，所述外板接头外部设置有用以将外板接头固定在外板上的外板接头螺栓。
6.一种利用如权利要求1所述的自复位FSMA复合阻尼器的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：（1）当内板与外板所连接的结构部位发生沿连接线的相对运动时，阻尼器发生受拉变形或者受压变形，从而内板、外板发生相对平动，产生摩擦耗能；（2）内板、外板发生相对平动时，由于外板与内板的接触面由于为弧形面，在内板和外板相对位移变化时，两者摩擦力增加，阻尼器的耗能能力也随之增加；（3）同时，SMA绞线因拉伸变形而产生回弹力，提供了阻尼器复位所需的力，由此实现阻尼器的自复位。
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