專(zhuān)利名稱(chēng)：用于建筑結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金阻尼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種形狀記憶合金阻尼器，屬于建筑結(jié)構(gòu)抗震、減振技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域，使用耗能器減輕結(jié)構(gòu)地震及風(fēng)激動(dòng)力反應(yīng)的被動(dòng)控制策略由于造價(jià)低、安裝和維修方便、控制效果好、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的重視。然而，耐久性和耐腐蝕性是目前耗能器中普遍存在的問(wèn)題。如粘彈性阻尼器易老化，粘滯阻尼器的維護(hù)，摩擦阻尼器在長(zhǎng)期應(yīng)用下的可靠性，軟鋼阻尼器的塑性變形無(wú)法恢復(fù)等問(wèn)題。這些問(wèn)題也是妨礙振動(dòng)控制技術(shù)大面積推廣的一個(gè)主要矛盾。
形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡(jiǎn)稱(chēng)SMA)是一種具有形狀記憶、超彈性和阻尼特性的新型功能材料，利用形狀記憶合金超彈性效應(yīng)設(shè)計(jì)的被動(dòng)耗能器與其他的金屬耗能器相比，具有耐久性和耐腐蝕性能好，使用期限長(zhǎng)，允許大變形并且變形可恢復(fù)等一系列優(yōu)點(diǎn)。
國(guó)外，在1996年12月Proceedings of the 2ndInternational Workshop onStructural Control論文集中，《Exploiting SMA Bars in Energy Dissipators》一文中利用SMA絲的形狀記憶效應(yīng)制成耗能器，進(jìn)行橋梁隔震。常溫下使SMA構(gòu)件處于馬氏體狀態(tài)，振動(dòng)后通過(guò)加熱SMA構(gòu)件，利用其產(chǎn)生的恢復(fù)力使結(jié)構(gòu)復(fù)位。
《地震工程與工程振動(dòng)》，2003年2月，第23卷第一期《新型SMA耗能器及結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)控制實(shí)驗(yàn)研究》一文公開(kāi)了兩種形狀記憶合金耗能器，常溫下SMA絲處于奧氏體狀態(tài)，該耗能器構(gòu)成是將SMA耗能器安裝在結(jié)構(gòu)層間使合金絲隨結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生拉伸彈塑性變形，消耗結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動(dòng)能量，從而減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。
這兩種SMA耗能器的不足之處是僅利用了單組形狀記憶合金絲材耗能，因而耗能能力受限。
《地震工程與工程振動(dòng)》，2002年6月第22卷第3期《新型形狀記憶合金阻尼器的實(shí)驗(yàn)研究》公開(kāi)的另一種形狀記憶合金阻尼器，常溫下SMA絲處于奧氏體狀態(tài)，該阻尼器構(gòu)成是將兩組形狀記憶合金絲材相互平行置于金屬筒體內(nèi)，在將SMA絲安裝在阻尼器之前，通過(guò)預(yù)拉伸使兩組SMA絲處于相同的應(yīng)力水平。其結(jié)構(gòu)如圖1。這種SMA阻尼器的不足之處是SMA絲內(nèi)置，不利于對(duì)形狀記憶合金絲材施加預(yù)應(yīng)力，且絲材不易更換；同時(shí)兩組絲材的并排放置，使得阻尼器的截面積明顯增大，在很多實(shí)際工程中會(huì)因?yàn)轶w型寬大而受限制，影響實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中耗能器耗能能力受限，體型寬大，SMA絲材不易更換等問(wèn)題，提供一種新型形狀記憶合金阻尼器。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案見(jiàn)圖2，它包括有形狀記憶合金絲，特征在于設(shè)置有左右布置的兩組形狀記憶合金絲1，在每組中至少有兩根上下布置的形狀記憶合金絲1，每根形狀記憶合金絲1的一端側(cè)通過(guò)夾緊塊6與導(dǎo)向軸10連接，另一端側(cè)繞過(guò)小軸11與可調(diào)整合金絲拉伸度的拉緊環(huán)5連接，導(dǎo)向筒置于上下布置的兩根形狀記憶合金絲1之間，導(dǎo)向軸10與在導(dǎo)向筒7內(nèi)移動(dòng)的導(dǎo)向桿8連接，整個(gè)裝置的兩個(gè)端部用法蘭盤(pán)固定，導(dǎo)向桿8從法蘭盤(pán)15的開(kāi)口處伸出，并與其形成動(dòng)配合。
這種用于建筑結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金阻尼器，其特征在于所述的整個(gè)裝置的兩個(gè)端部的通用固定件可采用法蘭盤(pán)固定，其中兩端部形狀記憶合金絲1各自的拉緊環(huán)5上的調(diào)節(jié)螺栓12、分別與法蘭盤(pán)14及開(kāi)有口的法蘭盤(pán)15連接，并通過(guò)螺母13固定，導(dǎo)向螺釘9用于將調(diào)節(jié)螺栓12固定在法蘭盤(pán)14和15上。法蘭盤(pán)14與外連接裝置16連接；導(dǎo)向桿8的伸出端與外連接裝置16連接，外連接裝置16與建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件相連接。
以上技術(shù)方案的形狀記憶合金阻尼器裝置的兩端通過(guò)連接裝置16可連接在建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)位移的位置，如框架結(jié)構(gòu)的層間或建筑梁柱節(jié)點(diǎn)處。其工作過(guò)程為設(shè)置在建筑物兩個(gè)部件之間的阻尼器的外連接裝置16兩端發(fā)生移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)向桿8帶動(dòng)導(dǎo)向軸10在導(dǎo)向筒7內(nèi)左右移動(dòng)，通過(guò)夾緊塊6連接，使一組SMA絲被拉伸，另一組收縮，SMA絲的拉應(yīng)力也相應(yīng)地增大或減小。由于SMA絲金相組織是奧氏體狀態(tài)，在工作溫度下具有超彈性性能，當(dāng)加卸載的時(shí)候，同時(shí)受力的兩組SMA絲提供穩(wěn)定的阻尼力。阻尼器形成的阻尼作用，減小了建筑物兩個(gè)部件之間產(chǎn)生的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)抗震、減振的目的。
這種用于建筑結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金阻尼器中，通常采用奧氏體狀態(tài)絲制作的形狀記憶合金絲1，但也可以在奧氏體狀態(tài)絲的位置上加上兩組馬氏體狀態(tài)絲，按照兩組奧氏體狀態(tài)絲制作的形狀記憶合金絲1的固定方式和位置設(shè)置。其原理為結(jié)構(gòu)振動(dòng)結(jié)束后，通過(guò)對(duì)馬氏體狀態(tài)絲的加熱，使原有馬氏體狀態(tài)絲達(dá)到奧氏體狀態(tài)，可帶動(dòng)結(jié)構(gòu)恢復(fù)一部分位移，以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的智能控制。
本實(shí)用新型耗能能力強(qiáng)、能夠?qū)z材精確施加預(yù)應(yīng)力、截面積小、構(gòu)造簡(jiǎn)單、工程應(yīng)用面廣泛。又由于形狀記憶合金絲1外置在導(dǎo)向筒外，使得形狀記憶合金絲的更換非常簡(jiǎn)單易行。



圖1、現(xiàn)有技術(shù)的一種SMA阻尼器的結(jié)構(gòu)圖；圖2、本實(shí)用新型的用于建筑結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金阻尼器剖面圖；圖3、現(xiàn)有技術(shù)的兩種耗能器向結(jié)構(gòu)提供的控制力滯回模型圖；圖4、本實(shí)用新型SMA阻尼器向結(jié)構(gòu)提供的控制力滯回模型圖；圖5、本實(shí)用新型SMA阻尼器性能試驗(yàn)所得位移——回復(fù)力曲線(xiàn)；圖6、本實(shí)用新型SMA阻尼器在框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用示例簡(jiǎn)圖1；圖7、本實(shí)用新型SMA阻尼器在框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用示例簡(jiǎn)圖2；圖8、本實(shí)用新型SMA阻尼器在斜拉網(wǎng)架中的應(yīng)用示例簡(jiǎn)圖3。
圖中1、形狀記憶合金 2、內(nèi)筒 3、外筒4、夾頭 5、拉緊環(huán) 6、夾緊塊7、導(dǎo)向筒 8、導(dǎo)向桿 9、導(dǎo)向螺釘 10、導(dǎo)向軸 11、小軸 12、調(diào)節(jié)螺栓 13、固定螺母 14、法蘭盤(pán) 15、法蘭盤(pán)16、外連接裝置 17、SMA阻尼器 18、框架梁 19、框架柱 20、斜拉索 21、網(wǎng)架。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的實(shí)施根據(jù)圖2，采用現(xiàn)有加工和裝配技術(shù)制作。但在將SMA絲安裝到阻尼器上之后，通過(guò)調(diào)節(jié)拉緊環(huán)5的螺栓12對(duì)SMA絲進(jìn)行預(yù)拉伸，可精確調(diào)節(jié)所需預(yù)拉伸值。為了充分發(fā)揮SMA的超彈性性能，推薦拉伸至絲材最大拉應(yīng)變的半值，即絲材處于超彈性平臺(tái)的中點(diǎn)。導(dǎo)向螺釘9用于在對(duì)形狀記憶合金絲1施加預(yù)應(yīng)力時(shí)防止固定形狀記憶合金絲1的拉緊環(huán)5發(fā)生扭轉(zhuǎn)。
在該阻尼器中，選用的形狀記憶合金絲直徑按公知技術(shù)設(shè)定，本實(shí)施例中選擇參數(shù)如下直徑為1.00mm的NiTi合金絲，化學(xué)成分為T(mén)i-51at％Ni，按常規(guī)工藝技術(shù)進(jìn)行記憶合金材料的處理。材料在母相狀態(tài)下的相變溫度如表1中所示。考慮到記憶合金材料制成阻尼器后在土木工程結(jié)構(gòu)中的工作溫度，選定材料的特征溫度Af＝-5℃。這樣就可以保證材料在絕大多數(shù)情況下保持奧氏體狀態(tài)，充分發(fā)揮其超彈性性能。阻尼器實(shí)際長(zhǎng)度為500mm，記憶合金絲設(shè)計(jì)最大拉應(yīng)變?yōu)?％，設(shè)計(jì)最大位移±4.5mm，預(yù)拉伸應(yīng)變?yōu)?％。
表1NiTi記憶合金材料特征溫度

按照阻尼器的工作原理進(jìn)行理論分析所得阻尼器控制力滯回模型圖如圖4示。將本實(shí)施例的形狀記憶合金阻尼器進(jìn)行阻尼器偽動(dòng)力性能試驗(yàn)測(cè)試，阻尼器在加卸載頻率0.02Hz下的性能試驗(yàn)位移——回復(fù)力曲線(xiàn)如圖5示。比較圖4和圖5可見(jiàn)，試驗(yàn)曲線(xiàn)與理論模型非常接近。
由于阻尼器的位移——回復(fù)力曲線(xiàn)所包絡(luò)的面積大小反映了阻尼器所能耗散的能量的大小，面積越大，耗散的能量越大。比較圖3和圖4可見(jiàn)圖4曲線(xiàn)的包絡(luò)面積明顯大于圖3曲線(xiàn)，說(shuō)明由兩組SMA絲共同作用的本實(shí)用新型的阻尼器提供的阻尼力優(yōu)于僅靠單組SMA絲作用的阻尼器。
本實(shí)用新型形狀記憶合金阻尼器，在建筑結(jié)構(gòu)中的安裝示例簡(jiǎn)圖如圖6-圖8所示，也可用于建筑結(jié)構(gòu)中的其它類(lèi)似位置。
權(quán)利要求1.一種用于建筑結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金阻尼器，包括有奧氏體形狀記憶合金絲，本實(shí)用新型的特征在于設(shè)置有左右布置的兩組形狀記憶合金絲(1)，在每組中至少有兩根上下布置的形狀記憶合金絲，每根形狀記憶合金絲的一端側(cè)通過(guò)夾緊塊(6)與導(dǎo)向軸(10)連接，另一端側(cè)繞過(guò)小軸(11)與可調(diào)整合金絲拉伸度的拉緊環(huán)(5)連接，導(dǎo)向筒置于上下布置的兩根形狀記憶合金絲之間，導(dǎo)向軸(10)與在導(dǎo)向筒(7)內(nèi)移動(dòng)的導(dǎo)向桿(8)連接，整個(gè)裝置的兩個(gè)端部用通用固定件固定，導(dǎo)向桿從其中的一個(gè)固定件的開(kāi)口處伸出，并與其形成動(dòng)配合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于建筑結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金阻尼器，其特征在于所述的整個(gè)裝置的兩個(gè)端部的通用固定件可采用法蘭盤(pán)固定，其中兩端部形狀記憶合金絲(1)各自的拉緊環(huán)(5)上的調(diào)節(jié)螺栓(12)、分別與法蘭盤(pán)(14)及開(kāi)有口的法蘭盤(pán)(15)連接，并通過(guò)螺母(13)固定，導(dǎo)向桿(8)與法蘭盤(pán)(15)形成動(dòng)配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于建筑結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金阻尼器，其特征在于按照兩組奧氏體狀態(tài)絲制作的形狀記憶合金絲(1)的固定方式和設(shè)置位置，加上兩組馬氏體狀態(tài)絲制作的形狀記憶合金絲。
專(zhuān)利摘要一種用于建筑結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金阻尼器。其特征在于設(shè)置有上下布置的左右兩組形狀記憶合金絲，每根合金絲的一端側(cè)通過(guò)夾緊塊與導(dǎo)向軸連接，另一端側(cè)與可調(diào)整合金絲應(yīng)變值的拉緊環(huán)連接，導(dǎo)向筒置于上下布置的兩根合金絲之間，導(dǎo)向軸與在導(dǎo)向筒內(nèi)移動(dòng)的導(dǎo)向桿連接，整個(gè)裝置的兩個(gè)端部用法蘭盤(pán)固定，導(dǎo)向桿從其中的一個(gè)法蘭盤(pán)的開(kāi)口處伸出，并與其形成動(dòng)配合。阻尼器通過(guò)外連接裝置與建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件相連接。當(dāng)阻尼器發(fā)生移動(dòng)時(shí)，連接在導(dǎo)向軸上的夾緊塊帶動(dòng)兩組記憶合金絲一組拉伸，一組收縮，提供了穩(wěn)定的阻尼力來(lái)耗散結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量，從而減小了建筑物兩個(gè)部件之間產(chǎn)生的相對(duì)位移，達(dá)到了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震、減振的目的。
文檔編號(hào)E04B1/98GK2615225SQ0324679
公開(kāi)日2004年5月12日 申請(qǐng)日期2003年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月25日
發(fā)明者薛素鐸, 董軍輝, 卞曉芳 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)