專(zhuān)利名稱(chēng)：壓電-sma復(fù)合變摩擦智能阻尼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土木工程結(jié)構(gòu)減振控制領(lǐng)域，具體為一種適用于建筑物減震抗震以及 風(fēng)致振動(dòng)控制等結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，特別適用于隔震工程的，對(duì)工程結(jié)構(gòu)在地震或風(fēng)致振動(dòng)作 用下的結(jié)構(gòu)反映起抑制作用的，并且能實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)控制的摩擦阻尼器。
背景技術(shù)：
地震、強(qiáng)風(fēng)的作用給土木工程結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，如何有 效地減輕工程結(jié)構(gòu)在地震和強(qiáng)風(fēng)等動(dòng)力載荷下的響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗震抗風(fēng)能力是土木工 程學(xué)科中亟待解決的問(wèn)題之一。20世紀(jì)50年代，日本Kobori提出了結(jié)構(gòu)變剛度減震概念；1972年，美國(guó)Yao結(jié) 合現(xiàn)代控制理論，提出了土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的概念，開(kāi)創(chuàng)了結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主動(dòng)控制研究 的新里程。由于直接將能量轉(zhuǎn)化為控制力的主動(dòng)控制在土木工程中的應(yīng)用遇到了很大的困 難——需要很大的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂屏Γ虼巳藗儾坏貌晦D(zhuǎn)向?yàn)榘胫鲃?dòng)控制。在半主動(dòng)控制 裝置中，磁流變阻尼器已發(fā)展成為主流的控制裝備，并且改變了近三四十年來(lái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控 制理論及方法研究多、應(yīng)用少的局面。但這種裝置很難適應(yīng)土木工程龐大而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系 統(tǒng)的抗震和抗風(fēng)要求，故推動(dòng)其它半主動(dòng)阻尼器的發(fā)展和實(shí)際工程應(yīng)用是二十一世紀(jì)土木 工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)是一種發(fā)展較快的地震防護(hù)技術(shù)，隔震的概念早在20世紀(jì)初就有 人提出，但直到20世紀(jì)20年代才開(kāi)始在工程上嘗試應(yīng)用。近年來(lái)，現(xiàn)代隔震技術(shù)在土木 工程領(lǐng)域得到了較大規(guī)模的應(yīng)用。在美國(guó)，第一幢采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)的4層結(jié)構(gòu)于1984 年初開(kāi)始建造，并于1985年中期完成。在日本，目前采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)的結(jié)構(gòu)己經(jīng)超過(guò) 1000幢，并且近來(lái)每年還有一系列基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)方案出爐。結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)以其優(yōu)良的減震 效果、安全性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性、適用性，得到地震工程界的認(rèn)可。目前，隔震技術(shù)已經(jīng)較為 成熟，成為很重要的一種結(jié)構(gòu)控制技術(shù)采用隔震技術(shù)建造的建筑和橋梁經(jīng)受了多次實(shí)際 地震的考驗(yàn)，為我們提供了大量成功的經(jīng)驗(yàn)?；旌峡刂聘粽鹣到y(tǒng)則是發(fā)揮被動(dòng)控制和主動(dòng)控制半主動(dòng)控制的綜合優(yōu)勢(shì)，將疊 層橡膠支座與電、磁流變阻尼器等半主動(dòng)控制裝置或稱(chēng)智能阻尼器或主動(dòng)控制裝置混合在 一起使用，既使隔震系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng)和層間變形很小，又使隔震層不會(huì)發(fā) 生大位移，且由于該隔震系統(tǒng)的主動(dòng)作動(dòng)器需要的能量小，適應(yīng)性強(qiáng)，控制效果好，被認(rèn) 為是有發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮粽鹣到y(tǒng)。但現(xiàn)有的智能隔震體系主要有下列缺陷
(1)半主動(dòng)控制系統(tǒng)的研究問(wèn)題。盡管半主動(dòng)控制系統(tǒng)目前已有少數(shù)工程實(shí)例，但迄 今為止仍以理論和試驗(yàn)研究為主。與機(jī)械工程和航空領(lǐng)域的被控對(duì)象而言，建筑結(jié)構(gòu)普遍 存在體積大、質(zhì)量大和控制力需求大等特點(diǎn)，如果實(shí)際控制系統(tǒng)出力不足，就不能滿(mǎn)足土 木工程抗震的需要。若控制系統(tǒng)出力滿(mǎn)足需要，前述變阻尼控制裝置和MR阻尼器存在的 問(wèn)題就有可能在一定程度上得以克服。然而目前絕大多數(shù)半主動(dòng)控制裝置的出力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能 滿(mǎn)足實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的需求。
磁流變液阻尼器是近年發(fā)展起來(lái)的一種優(yōu)秀的智能控制裝置。由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、出力大、調(diào)節(jié)容易和控制效果好的特點(diǎn)，因此它是目前真正能夠有效地應(yīng)用于土木工程 結(jié)構(gòu)振動(dòng)智能控制的主要裝置。但是，國(guó)際上對(duì)它的研究從20世紀(jì)90年代初到現(xiàn)在已有 十多年的時(shí)間，其理論成果從研究走向應(yīng)用的極少，在全世界也僅有極少的幾例。這是為什 么呢？最根本的原因有三個(gè)1)磁流變液的穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)達(dá)不到工程應(yīng)用的要 求，這使得磁流變液阻尼器的性能不能完全滿(mǎn)足土木工程結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用的需要；2)在磁流 變液阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的半主動(dòng)控制策略上存在缺陷，以致被認(rèn)為磁流變液阻尼器的半主 動(dòng)控制的效果不如被動(dòng)開(kāi)控制(passive-on)的效果，失去磁流變液阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)智 能控制的意義；3)在工程應(yīng)用上，研究者常用磁流變液阻尼器去解決常規(guī)被動(dòng)阻尼器也能 解決的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制問(wèn)題，體現(xiàn)不出磁流變液阻尼器智能控制的優(yōu)勢(shì)。由于以上三個(gè)原因， 使得磁流變液阻尼器及其對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)的智能控制方法失去了它與常規(guī)被動(dòng)控制 方法比較的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因此，土木工程界不看好它，在工程實(shí)踐中的應(yīng)用就很少了。摩擦阻尼器具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝方便、耗能能力好等許多優(yōu)點(diǎn)，因此成為工程中常 用的一種耗能減振裝置。但此類(lèi)裝置摩擦力是固定不變的，在工程應(yīng)用中有諸多限制。壓 電陶瓷驅(qū)動(dòng)器有電致變形、響應(yīng)時(shí)間快、驅(qū)動(dòng)力大的特點(diǎn)用于調(diào)節(jié)摩擦板間的接觸壓力(正 壓力)，可顯著提高摩擦阻尼器的耗能減振能力，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此基礎(chǔ)上研制出了了用 于半主動(dòng)控制的各種壓電摩擦阻尼器。但壓電變摩擦阻尼器比磁流變阻尼器提供的可調(diào)阻 尼力更小，目前基本沒(méi)有工程實(shí)際應(yīng)用。形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy，簡(jiǎn)稱(chēng)SMA)是一種全新的功能材料，具有形狀 記憶、相變超彈性和高阻尼的特性，具有相變超彈性的SMA材料的剛度和阻尼都會(huì)隨著材料 的變形或溫度的變化，即相變的進(jìn)行而改變。由形狀記憶合金制作的器件和系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地 應(yīng)用于航空航天、儀器儀表、自動(dòng)控制、能源、機(jī)器人和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。形狀記憶合金在土木工程 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域的研究始于上世紀(jì)90年代。土木工程領(lǐng)域研制開(kāi)發(fā)的SMA裝置主要有兩 類(lèi)一類(lèi)是SMA驅(qū)動(dòng)器，另一類(lèi)是SMA被動(dòng)阻尼器。前者利用SMA的形狀記憶效應(yīng)，后者利 用SMA的超彈性特性。利用形狀記憶合金超彈性效應(yīng)設(shè)計(jì)的耗能器與其它的金屬耗能器相 比，具有耐久性和耐腐蝕性能好，使用周期長(zhǎng)，允許大變形且變形可恢復(fù)等一系列優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了不同類(lèi)型和構(gòu)造的耗能減振器，歸納起來(lái)主要有1、 黏滯阻尼器，2、黏彈性阻尼器，3、摩擦耗能阻尼器，4、軟鋼阻尼器，5、鉛阻尼器，6、形狀記憶 合金阻尼器，7、磁或電流變阻尼器，8、壓電變摩擦阻尼器等。但上述阻尼器都采用單一的耗 能機(jī)制或單一的耗能元件和材料耗能，所提供的阻尼力(屈服力)和初始剛度有限。為滿(mǎn)足實(shí)際工程需要，耗能器(阻尼器)必須做得足夠大才能滿(mǎn)足要求，一般建筑 結(jié)構(gòu)用耗能器的阻尼力以500kN以上為宜，阻尼力太小，所需的阻尼器的數(shù)量就多，布置起 來(lái)會(huì)非常麻煩，施工順序和周期增加，還影響建筑物使用空間。特別對(duì)半主動(dòng)控制的阻尼 器，數(shù)量太多還會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)復(fù)雜，降低整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。而且現(xiàn)有阻尼器大部分 是單向的，水平方向需沿x、y雙向布置阻尼器，為實(shí)現(xiàn)豎向隔震，還需在豎向布置阻尼器， 這些都導(dǎo)致隔震層阻尼器布置的復(fù)雜和困難。(2)隔震結(jié)構(gòu)的豎向隔震問(wèn)題。研究者主張利用橡膠隔震墊的豎向剛度和阻尼來(lái) 減小隔震結(jié)構(gòu)的豎向地震反應(yīng)。其中，Asano等人研究了橡膠墊隔震層在Kobe地震下對(duì)結(jié) 構(gòu)豎向和搖擺振動(dòng)的隔震作用。Lew和Hudson等人在分析了一些實(shí)際結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)豎向地震反應(yīng)記錄之后指出，較大烈度的豎向地震并不會(huì)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)造成危害。應(yīng)該看到，他們的 研究雖有價(jià)值，但并不全面。首先，橡膠隔震墊主要是根據(jù)水平隔震的要求而設(shè)計(jì)的，它 的豎向剛度和阻尼對(duì)豎向隔震并不是最優(yōu)的；其次，隔震結(jié)構(gòu)的豎向地震反應(yīng)雖不會(huì)對(duì)隔 震層造成危害，但它有可能使上部結(jié)構(gòu)柱產(chǎn)生較大的軸向地震力，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)柱總的軸 壓比超過(guò)允許值。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的壓電變摩擦阻尼器耗能能力低，過(guò)大的預(yù)壓力導(dǎo)致阻尼器啟動(dòng)困 難，靜摩擦系數(shù)比動(dòng)摩擦系數(shù)大，而且不穩(wěn)定；摩擦阻尼器有殘余位移的不足，本發(fā)明旨在 提供一種由形狀記憶合金和疊層壓電陶瓷堆復(fù)合而成的能實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)控制的壓電-SMA復(fù) 合變摩擦智能阻尼器，它利用SMA的自復(fù)位能力解決了摩擦阻尼器殘余位移的問(wèn)題，且由 于SMA絲的存在對(duì)豎向震動(dòng)產(chǎn)生阻尼，也能給放在隔震層的阻尼器提供豎向抗拔承載力， 是一種構(gòu)造簡(jiǎn)單，適合于工程應(yīng)用的半主動(dòng)耗能阻尼器。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是所述壓電-SMA復(fù)合變摩擦智能 阻尼器，包括上蓋板和下連接固定板，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在上蓋板和下連接固定板之間設(shè)有與 隔震層上部結(jié)構(gòu)剛性連接的驅(qū)動(dòng)器水平定位板，在該驅(qū)動(dòng)器水平定位板上豎向布置有多個(gè) SMA絲調(diào)節(jié)閥，在上蓋板和下連接固定板之間設(shè)有多根SMA絲，每根SMA絲的兩端分別固定 在該上蓋板和下連接固定板上，且每根SMA絲對(duì)應(yīng)穿過(guò)一個(gè)用于固定SMA絲并對(duì)SMA絲施 加預(yù)拉力的SMA絲調(diào)節(jié)閥；所述上蓋板和下連接固定板之間還設(shè)有垂直裝在該驅(qū)動(dòng)器水平 定位板中心位置疊層壓電驅(qū)動(dòng)器，該疊層壓電驅(qū)動(dòng)器可隨所述驅(qū)動(dòng)器水平定位板平動(dòng)或扭 轉(zhuǎn)且相對(duì)于所述驅(qū)動(dòng)器水平定位板可在豎向自由滑動(dòng)。。進(jìn)一步地，為了保護(hù)SMA絲和疊層壓電驅(qū)動(dòng)器，在SMA絲外側(cè)設(shè)有固定在驅(qū)動(dòng)器水 平定位板上的環(huán)形疊層橡膠墊，該環(huán)形疊層橡膠墊兩端分別與上蓋板和下連接固定板固定 連接，且將SMA絲和疊層壓電驅(qū)動(dòng)器環(huán)繞在環(huán)形疊層橡膠墊內(nèi)側(cè)。進(jìn)一步地，所述上蓋板的下端和下連接固定板的上端設(shè)有摩擦板，水平震動(dòng)時(shí)，疊 層壓電驅(qū)動(dòng)器相對(duì)摩擦板滑動(dòng)。所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器布置在驅(qū)動(dòng)器水平定位板的方式為平動(dòng)型或扭轉(zhuǎn)型，疊層壓 電驅(qū)動(dòng)器的具體數(shù)量依照結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算的結(jié)果來(lái)確定。所述SMA絲調(diào)節(jié)閥為SMA絲施加的預(yù)應(yīng)變?yōu)?%左右。將上述阻尼器通過(guò)螺栓固定在預(yù)埋鋼板上，然后可以埋于隔震層內(nèi)。藉由上述結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，驅(qū)動(dòng)器水平定位板相對(duì)于上蓋板和下連接固定板 移動(dòng)，通過(guò)調(diào)整疊層壓電驅(qū)動(dòng)器的電壓，在一個(gè)由結(jié)構(gòu)振動(dòng)半主動(dòng)控制算法決定的電場(chǎng)作 用下，在完全約束條件下疊層壓電驅(qū)動(dòng)器會(huì)在摩擦板上產(chǎn)生一個(gè)與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的正壓 力，由于摩擦系數(shù)是一個(gè)定值，故疊層壓電驅(qū)動(dòng)器與摩擦板間的摩擦力會(huì)隨正壓力變化而變 化，即隨電壓的變化而變化，通過(guò)單片機(jī)嵌入半主動(dòng)控制算法后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦阻尼力的智 能控制。同時(shí)，SMA絲經(jīng)預(yù)拉伸后，發(fā)生拉伸變形，利用其超彈性耗能，在特大地震發(fā)生時(shí)，給 SMA絲通電，可大大增加本發(fā)明所述阻尼器的阻尼力和自復(fù)位能力，以應(yīng)對(duì)余震的發(fā)生。當(dāng)?shù)卣鸾Y(jié)束后，由于SMA絲的超彈性恢復(fù)力，會(huì)使本發(fā)明所述阻尼器的驅(qū)動(dòng)器水 平定位板自動(dòng)恢復(fù)到豎向振動(dòng)平衡位置。
當(dāng)發(fā)生豎向地震時(shí)，SMA絲發(fā)生拉伸變形，利用其超彈性耗能，同時(shí)還能提供抗拔 承載力。其中SMA絲向上振動(dòng)時(shí)，位于驅(qū)動(dòng)器水平定位板下側(cè)的SMA絲拉伸，利用SMA絲的 超彈性耗能，提供豎向阻尼，驅(qū)動(dòng)器水平定位板由隔震層上部結(jié)構(gòu)的剛臂帶動(dòng)，向上振動(dòng)； SMA絲向下振動(dòng)時(shí)，位于驅(qū)動(dòng)器水平定位板上側(cè)的SMA絲拉伸，利用SMA絲的超彈性耗能，提 供豎向阻尼，驅(qū)動(dòng)器水平定位板只能約束壓電驅(qū)動(dòng)器的水平方向，并與之同時(shí)移動(dòng)，豎向則 可上下自由滑動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器水平定位板由隔震層上部結(jié)構(gòu)的剛臂帶動(dòng)，向下振動(dòng)。當(dāng)斷電時(shí)，疊層壓電驅(qū)動(dòng)器不能正常工作，導(dǎo)致SMA絲拉伸長(zhǎng)度會(huì)變大，它的超彈 性耗能能力會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)，可以繼續(xù)保證結(jié)構(gòu)在地震情況下的安全。本發(fā)明第一次系統(tǒng)提出并通過(guò)所發(fā)明的裝置實(shí)現(xiàn)了用兩種智能材料——形狀記 憶合金和疊層壓電堆研制復(fù)合摩擦智能阻尼器的思想。SMA具有獨(dú)特的形狀記憶和超彈性 效應(yīng)，疊層壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器在電場(chǎng)作用下能夠在瞬間(微秒級(jí))改變摩擦阻尼器的正壓 力。針對(duì)以往國(guó)內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)的壓電摩擦阻尼器的不足，尤其是壓電摩擦阻尼器提供的可 調(diào)控阻尼力偏小，預(yù)壓力太大時(shí)，摩擦阻尼器起動(dòng)困難，本發(fā)明提出半主動(dòng)控制的復(fù)合阻尼 器思想，利用了疊層壓電堆和形狀記憶合金的優(yōu)勢(shì)，研制復(fù)合的、能實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)控制的阻尼 器。疊層壓電堆可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要燒結(jié)成不同的形狀，只需要兩根提供電壓的導(dǎo)線(xiàn)就可以 形成一個(gè)可變的電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)控制，而磁流變阻尼器需要一個(gè)電磁線(xiàn)圈形成可變的磁 場(chǎng)才能實(shí)現(xiàn)，因此磁流變阻尼器和其它智能材料組合，形成復(fù)合阻尼器的難度要比疊層壓 電堆要大得多。因此利用疊層壓電堆和SMA來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)合智能阻尼器是最容易實(shí)現(xiàn)的，其結(jié) 構(gòu)更加簡(jiǎn)單、體積小巧、設(shè)計(jì)更加靈活。由SMA絲和壓電摩擦阻尼器協(xié)同工作的新型智能阻尼器，小震時(shí)，藉由奧氏體 SMA絲的超彈性耗能，疊層壓電堆加以負(fù)向電壓，摩擦阻尼器出力比被動(dòng)狀態(tài)下(無(wú)控時(shí)) 還小，保證了隔震層很容易起滑；大震時(shí)，馬氏體SMA絲升溫，利用形狀記憶特性提供回 復(fù)力，疊層壓電堆施加正電壓，提供可控的摩擦強(qiáng)阻尼力。在同一種耗能機(jī)制下，利用多種 耗能元件協(xié)同工作、共同耗能；這種阻尼器還具有多道耗能減震防線(xiàn)，符合建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè) 計(jì)的多道設(shè)防原則，同時(shí)使半主動(dòng)控制阻尼器的正安全載荷(Fale-Safe)能力得到提高，在 斷電的情況下，仍然能夠被動(dòng)耗能減振(被動(dòng)控制狀態(tài)下為摩擦和SMA絲利用超彈性耗能)。由于隔震用疊層橡膠支座一般為圓形，它能夠保證在平面內(nèi)的各個(gè)方向的隔震效 果，本發(fā)明公開(kāi)的壓電摩擦阻尼器能在上部結(jié)構(gòu)相對(duì)與基礎(chǔ)的任意方向的水平振動(dòng)都能帶 動(dòng)阻尼器的運(yùn)動(dòng)而耗散能量，所以本發(fā)明所述的上蓋板和下連接固定板均為保證在水平方 向能提供萬(wàn)向阻尼的圓形。本發(fā)明實(shí)質(zhì)為一種豎向被動(dòng)隔震阻尼器和水平方向半主動(dòng)控制的SMA-壓電摩擦 復(fù)合阻尼器，提出了 SMA與壓電變摩擦阻尼器組合而成的智能復(fù)合隔震系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在 建立了智能復(fù)合隔震系統(tǒng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)“水平剪扭_豎向”地震反應(yīng)控制方程的前提下，分 別提出了智能復(fù)合隔震系統(tǒng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)水平地震反應(yīng)的模糊半主動(dòng)控制策略和對(duì)建筑結(jié) 構(gòu)豎向地震反應(yīng)的被動(dòng)控制方法。具體而言，利用SMA絲，能非常簡(jiǎn)單地提供水平各向和豎向阻尼力，同時(shí)也給阻尼 器提供一定的豎向抗拔承載能力，為在高層建筑結(jié)構(gòu)中使用隔震技術(shù)提供技術(shù)基礎(chǔ)(提供 豎向隔震阻尼力和豎向抗拔力)。本發(fā)明解決了摩擦阻尼器的自復(fù)位問(wèn)題，SMA是一種廣泛應(yīng)用的智能材料，不僅耗能能力良好，而且卸載后可以自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，本發(fā)明利用其解決了摩擦阻尼器的自 復(fù)位問(wèn)題。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
1)與現(xiàn)有的磁流變與形狀記憶合金的組合相比，疊層壓電驅(qū)動(dòng)器和SMA絲都是可加 工性很好的固體材料，兩者的組合構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝拆卸方便，故震后可修復(fù)能力好；
2)具有自復(fù)位能力；
3)斷電情況下具有較大的被動(dòng)阻尼，同時(shí)初始剛度小，又能保證較好的隔震效果；
4)可在水平方向提供萬(wàn)向的可調(diào)節(jié)智能阻尼；
5)SMA絲能夠提供豎向抗拔承載力，豎向振動(dòng)時(shí)，能提供豎向阻尼；和水平方向提供 的萬(wàn)向阻尼的聯(lián)合作用下，能大大簡(jiǎn)化隔震層阻尼器布置的復(fù)雜性。6)與現(xiàn)有的壓電變摩擦阻尼器相比，阻尼力增大，耗能能力增強(qiáng)，可靠度提高，可 改變目前壓電阻尼器由于阻尼力太小而沒(méi)有工程實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)狀。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，圖1是本發(fā)明固定在預(yù)埋鋼板上的示意圖； 圖2是本發(fā)明一種實(shí)施例的俯視圖； 圖3是本發(fā)明一種實(shí)施例的靜態(tài)側(cè)視圖； 圖4是圖3水平方向振動(dòng)工作原理圖 圖5是圖3豎直向上振動(dòng)工作原理圖 圖6是圖3豎直向下振動(dòng)工作原理圖 圖7是本發(fā)明所述平動(dòng)型智能阻尼器疊層壓電塊布置圖 圖8是本發(fā)明所述扭轉(zhuǎn)型智能阻尼器疊層壓電塊布置圖 圖9是本發(fā)明所述驅(qū)動(dòng)器水平定位板構(gòu)造圖10是本發(fā)明在基礎(chǔ)隔震中的安裝示意圖； 圖11是本發(fā)明在高層建筑框架中的布置示意圖。在圖中
1"上蓋板； 4-SMA絲調(diào)節(jié)閥； 7-豎向振動(dòng)平衡位置； 10-SMA 絲； 13-環(huán)形疊層橡膠墊。
2-下連接固定板；3-驅(qū)動(dòng)器水平定位板
5-SMA絲固定螺栓； 6-疊層壓電驅(qū)動(dòng)器； 8-摩擦板；9-螺栓；
11-復(fù)合摩擦阻尼器； 12-預(yù)埋鋼板；
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1
一種壓電-SMA復(fù)合變摩擦智能阻尼器，如圖2、3和9所示，包括圓形的上蓋板1和利 用大直徑高強(qiáng)度的螺栓9與上蓋板1固定在一起的圓形的下連接固定板2，該上蓋板1的下 端和下連接固定板2的上端設(shè)有摩擦板8，該摩擦板8可選用直徑為600mm的貨車(chē)剎車(chē)片， 在上蓋板1和下連接固定板2之間設(shè)與隔震層上部結(jié)構(gòu)固定連接的驅(qū)動(dòng)器水平定位板3，在該驅(qū)動(dòng)器水平定位板3上豎向布置有12個(gè)SMA絲調(diào)節(jié)閥4，在上蓋板1和下連接固定板2 之間設(shè)有12根SMA絲10，每根SMA絲10的兩端分別通過(guò)SMA絲固定螺栓5固定在該上蓋 板1和下連接固定板2上，且每根SMA絲10對(duì)應(yīng)穿過(guò)一個(gè)用于固定SMA絲10并對(duì)SMA絲 10施加預(yù)拉力的SMA絲調(diào)節(jié)閥4，該SMA絲調(diào)節(jié)閥4為SMA絲10施加的預(yù)應(yīng)變?yōu)?%。所述SMA絲10外側(cè)設(shè)有固定在驅(qū)動(dòng)器水平定位板3上的環(huán)形疊層橡膠墊13，該環(huán) 形疊層橡膠墊13兩端分別與上蓋板1和下連接固定板2固定連接，且將SMA絲10和疊層 壓電驅(qū)動(dòng)器6環(huán)繞在環(huán)形疊層橡膠墊13內(nèi)側(cè)。所述上蓋板1和下連接固定板2之間還設(shè)有垂直裝在該驅(qū)動(dòng)器水平定位板3中心 位置疊層壓電驅(qū)動(dòng)器6，該疊層壓電驅(qū)動(dòng)器6可隨所述驅(qū)動(dòng)器水平定位板3平動(dòng)或扭轉(zhuǎn)且相 對(duì)于所述驅(qū)動(dòng)器水平定位板3可在豎向自由滑動(dòng)。如圖8所示，該疊層壓電驅(qū)動(dòng)器6布置 在驅(qū)動(dòng)器水平定位板3的方式為扭轉(zhuǎn)型，即疊層壓電驅(qū)動(dòng)器6在水平地震時(shí)相對(duì)于驅(qū)動(dòng)器 水平定位板3發(fā)生扭轉(zhuǎn)。所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器6優(yōu)選為現(xiàn)有的疊層壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。所述上蓋板1、下連接固定板2和驅(qū)動(dòng)器水平定位板3優(yōu)選為鋼板。如圖1、10和11所示，將上述復(fù)合摩擦阻尼器11通過(guò)螺栓固定在預(yù)埋鋼板12上， 然后可以埋于隔震層內(nèi)。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，如圖4所示，驅(qū)動(dòng)器水平定位板6相對(duì)于上蓋板1和下連接固定 板2移動(dòng)，通過(guò)調(diào)整疊層壓電驅(qū)動(dòng)器的6電壓，在電場(chǎng)作用下，在完全約束條件下疊層壓電 驅(qū)動(dòng)器6會(huì)在摩擦板8上產(chǎn)生一個(gè)與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的正壓力，由于摩擦系數(shù)是一個(gè)定值， 故疊層壓電驅(qū)動(dòng)器6與摩擦板8間的摩擦力會(huì)隨正壓力變化而變化，即隨電壓的變化而變 化，通過(guò)單片機(jī)嵌入半主動(dòng)控制算法后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦阻尼力的智能控制，本發(fā)明中疊層 壓電驅(qū)動(dòng)器6可提供0-8KN的可調(diào)節(jié)的摩擦阻尼力。同時(shí)，SMA絲10經(jīng)預(yù)拉伸后，發(fā)生拉 伸變形，利用其超彈性耗能，在特大地震發(fā)生時(shí)，給SMA絲10通電，可大大增加本發(fā)明所述 阻尼器11的阻尼力和自復(fù)位能力，以應(yīng)對(duì)余震的發(fā)生。水平震動(dòng)時(shí)，疊層壓電驅(qū)動(dòng)器6相對(duì)摩擦板8滑動(dòng)，相對(duì)摩擦板8滑動(dòng)的最大行程 為 155mm。如圖5和6所示，當(dāng)?shù)卣鸾Y(jié)束后，由于SMA絲10的超彈性恢復(fù)力，會(huì)使本發(fā)明所述 阻尼器11的驅(qū)動(dòng)器水平定位板3自動(dòng)恢復(fù)到豎向振動(dòng)平衡位置7。當(dāng)發(fā)生豎向地震時(shí)，驅(qū)動(dòng)器水平定位板3隨著隔震層上部結(jié)構(gòu)上下振動(dòng)，從而使 SMA絲10發(fā)生拉伸變形，利用SMA絲10超彈性耗能，同時(shí)還能提供抗拔承載力。當(dāng)斷電時(shí)，疊層壓電驅(qū)動(dòng)器6不能正常工作，導(dǎo)致SMA絲10拉伸長(zhǎng)度會(huì)變大，它的 超彈性耗能能力會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)，可以繼續(xù)保證結(jié)構(gòu)在地震情況下的安全。實(shí)施例2
一種壓電-SMA復(fù)合變摩擦智能阻尼器，在上蓋板1和下連接固定板2之間還設(shè)有4個(gè) 固定在驅(qū)動(dòng)器水平定位板3中心位置的疊層壓電驅(qū)動(dòng)器6，如圖7所示，該疊層壓電驅(qū)動(dòng)器 6布置在驅(qū)動(dòng)器水平定位板3的方式為平動(dòng)型，即疊層壓電驅(qū)動(dòng)器6在水平地震時(shí)隨驅(qū)動(dòng)器 水平定位板3平動(dòng)。其中一個(gè)布置在驅(qū)動(dòng)器水平定位板3的中心，其余三個(gè)均勻布置在該 位于驅(qū)動(dòng)器水平定位板3中心的疊層壓電驅(qū)動(dòng)器6的周向。所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器6優(yōu)選為 現(xiàn)有的疊層壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。其余結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，不再贅述。
權(quán)利要求
一種壓電-SMA復(fù)合變摩擦智能阻尼器，包括上蓋板(1)和下連接固定板(2)，其特征是，在上蓋板(1)和下連接固定板(2)之間設(shè)有與隔震層上部結(jié)構(gòu)剛性連接的驅(qū)動(dòng)器水平定位板(3)，在該驅(qū)動(dòng)器水平定位板(3)上豎向布置有多個(gè)SMA絲調(diào)節(jié)閥(4)，在上蓋板(1)和下連接固定板(2)之間設(shè)有多根SMA絲(10)，每根SMA絲(10)的兩端分別固定在該上蓋板(1)和下連接固定板(2)上，且每根SMA絲(10)對(duì)應(yīng)穿過(guò)一個(gè)用于固定SMA絲(10)并對(duì)SMA絲(10)施加預(yù)拉力的SMA絲調(diào)節(jié)閥(4)；所述上蓋板(1)和下連接固定板(2)之間還設(shè)有垂直裝在該驅(qū)動(dòng)器水平定位板(3)中心位置疊層壓電驅(qū)動(dòng)器(6)，該疊層壓電驅(qū)動(dòng)器(6)可隨所述驅(qū)動(dòng)器水平定位板(3)平動(dòng)或扭轉(zhuǎn)且相對(duì)于所述驅(qū)動(dòng)器水平定位板(3)可在豎向自由滑動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征是，所述SMA絲(10)外側(cè)設(shè)有固定在驅(qū)動(dòng)器 水平定位板(3)上的環(huán)形疊層橡膠墊(13)，該環(huán)形疊層橡膠墊(13)兩端分別與上蓋板(1) 和下連接固定板(2 )固定連接，且將SMA絲(10 )和疊層壓電驅(qū)動(dòng)器(6 )環(huán)繞在環(huán)形疊層橡 膠墊(13)內(nèi)側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征是，所述上蓋板(1)和下連接固定板(2)均為 保證在水平方向能提供萬(wàn)向阻尼的圓形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征是，所述上蓋板(1)的下端和下連接固定板 (2)的上端設(shè)有摩擦板(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征是，所述疊層壓電驅(qū)動(dòng)器(6)布置在驅(qū)動(dòng)器水 平定位板(3)的方式為平動(dòng)型或扭轉(zhuǎn)型。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種壓電-SMA復(fù)合變摩擦智能阻尼器，屬于土木工程結(jié)構(gòu)減振控制領(lǐng)域，它包括上蓋板和下連接固定板，在上蓋板和下連接固定板之間設(shè)有與隔震層上部結(jié)構(gòu)固定連接的驅(qū)動(dòng)器水平定位板，在該驅(qū)動(dòng)器水平定位板上豎向布置有多個(gè)SMA絲調(diào)節(jié)閥，在上蓋板和下連接固定板之間設(shè)有多根SMA絲，每根SMA絲的兩端分別固定在該上蓋板和下連接固定板上，且每根SMA絲對(duì)應(yīng)穿過(guò)一個(gè)SMA絲調(diào)節(jié)閥；所述上蓋板和下連接固定板之間還設(shè)有疊層壓電驅(qū)動(dòng)器。本發(fā)明構(gòu)造簡(jiǎn)單、裝卸方便，震后可修復(fù)能力好；具有自復(fù)位能力；斷電情況下具有較大的被動(dòng)阻尼，且初始剛度小，隔震效果好；SMA絲能夠提供豎向抗拔承載力，豎向振動(dòng)時(shí)提供豎向阻尼。
文檔編號(hào)E04B1/98GK101851963SQ20101020843
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者周福霖, 戴納新, 譚平 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)