一种基于SMA的自复位墙式阻尼器

技术领域

本发明涉及一种基于SMA(形状记忆合金)的自复位墙式阻尼器，属于土木工程的结构消能减震技术领域。

背景技术

消能减震是一种常用的结构被动控制方法，通过在结构体系中安装耗能构件或耗能装置消耗地震能量，可有效提高结构抗震性能，减轻结构在地震中的损伤。墙式阻尼器可通过墙体连接构件与结构上、下层梁连接，具有构造简单、布置灵活、节省建筑空间等优势。常用的墙式阻尼器有剪切型金属阻尼器、粘滞阻尼器等，通过不同的消能机制消耗地震输入结构的能量，保护主体结构。然而，这些墙式阻尼器不具有自复位性能，使得结构在地震结束后存在较大残余变形，影响震后使用功能且难以修复，造成严重的经济、时间损失。

为了克服这一缺点，实现结构震后功能可恢复，本发明提出了一种基于SMA的自复位墙式阻尼器，该发明将坡面变摩擦机制与SMA螺栓相结合，可与结构墙式连接，兼具消能能力和自复位性能，在消能减震的同时有效减小结构残余变形，提高抗震韧性。

发明内容

为了克服传统墙式阻尼器残余变形大的缺点，提高结构抗震韧性，本发明提出了一种新型墙式阻尼器，该阻尼器与仅通过摩擦耗能或SMA耗能的阻尼器相比耗能能力更强，同时该阻尼器具有自复位性能，可有效减小结构残余变形。

本发明的T形内板和两侧L形外板通过SMA螺栓连接固定，T形内板和L外板上均加工有可贴合的坡面，当T形内板与L形外板发生水平方向相对移动时，两侧L形外板向外移动，SMA螺栓受拉伸长。SMA螺栓的轴力引起坡面之间的法向接触力，进而产生摩擦力。该阻尼器的耗能能力由两部分组成，即坡面之间的摩擦耗能和SMA螺栓的滞回耗能。SMA螺栓的超弹性实现阻尼器的自复位性能。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种基于SMA的自复位墙式阻尼器，主要包括T形内板(1)、L形外板(2)、SMA螺栓(3)、螺母(4)、垫块(5)、上连接螺栓(6)和下连接螺栓(7)。所述T形内板(1)腹板两侧加工有多个纵向连续坡面(9)和横向长槽孔(8)；T形内板(1)翼缘两侧加工有螺栓孔I(10)；L形外板(2)的长边外侧加工有多个纵向连续坡面(12)和螺栓孔II(11)；L形外板的短边上加工有槽孔(13)。T形内板(1)为一块，L形外板(2)为两块，两块L形外板(2)拼装在T形内板(1)两侧，T形内板(1)腹板两侧的第一坡面(9)与L形外板(2)长边外侧的第二坡面(12)相贴合。SMA螺栓(3)穿过两块L形外板(2)上的螺栓孔II(11)、T形内板(1)上的长槽孔(8)和垫块(5)上的螺栓孔III(17)，两侧通过螺母(4)固定于L形外板(2)上。

进一步地，所述SMA螺栓(3)由SMA棒材加工而成，SMA螺栓(3)上加工有螺纹段(14)、过渡段(15)和削弱段(16)，目的分别是实现螺纹连接、避免应力集中和使变形均匀。

进一步地，所述垫块(5)上加工有螺栓孔III(17)，调整垫块(5)高度可匹配不同削弱段(16)长度的SMA螺栓(3)。本发明可与结构墙式连接，如图1所示。

进一步地，所述上连接螺栓(6)穿过T形内板(1)翼缘两侧的螺栓孔I(10)与上连接墙螺栓连接，下连接螺栓(7)穿过L形板短边(2)上的槽孔(13)与下连接墙螺栓连接。下连接螺栓(7)安装于槽孔(13)外侧，其目的是螺栓连接的同时，允许两侧L形外板(2)向外移动。

进一步地，当遭遇地震水平荷载，T形内板(1)将与L形外板(2)发生水平方向的相对滑动，由于T形内板(1)的第一坡面(9)与L形外板(2)的第二坡面(12)贴合在一起，水平方向滑动将引起两侧L形外板(2)向外移动，间距增大，进而使得SMA螺栓(3)受拉伸长，如图8-9所示。T形内板(1)腹板上的长槽孔(8)避免SMA螺栓(3)削弱段(16)受到剪切。SMA螺栓(3)的轴力使得第一坡面(9)和第二坡面(12)之间存在法向接触力，进而产生摩擦力，且摩擦力大小随SMA螺栓轴力(3)改变。该阻尼器的耗能能力由两部分组成，即第一坡面(9)与第二坡面(12)之间的摩擦耗能和SMA螺栓(3)的滞回耗能。改变关键设计参数可以调整阻尼器的强度、刚度、变形能力和耗能能力。

进一步地，所述关键设计参数包括SMA螺栓(3)削弱段(16)的直径和长度、SMA螺栓(3)的数量和坡面倾角。地震结束后，SMA螺栓(3)的恢复力将使T形内板(1)与L形外板(2)回复至初始位置，实现阻尼器的自复位。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明整体耗能能力由坡面之间的摩擦耗能和SMA螺栓的滞回耗能两部分组成，与仅采用摩擦耗能或仅采用SMA耗能的阻尼器相比耗能能力更强。

(2)本发明具有自复位的优点，消能减震的同时帮助减小结构残余变形，提高抗震韧性。

(3)本发明L形外板的长边外侧和T形内板的腹板两侧均加工有纵向坡面，地震引起的结构层间位移使T形内板和L形外板发生水平方向的相对移动，SMA螺栓受拉伸长，使变摩擦机制与SMA螺栓相结合。

(4)本发明L形外板短边上加工有槽孔，下连接螺栓安装在槽孔外侧，当T形内板和L形外板发生水平方向的相对移动时，两侧L形外板将向外移动。

(5)本发明T形内板的腹板上加工有横向的长槽孔，避免当阻尼器滑动时SMA螺栓削弱段受到剪切。

(6)本发明的强度、刚度、变形能力和耗能能力，可以通过改变关键设计参数进行调整。关键设计参数包括SMA螺栓削弱段的直径和长度、SMA螺栓的数量和坡面倾角。

附图说明

图1是阻尼器与结构连接示意图。

图2是阻尼器装配示意图。

图3是阻尼器的正视图、侧视图和仰视图。

图4是T形内板示意图。

图5是L形外板示意图。

图6是SMA螺栓示意图。

图7是垫块示意图。

图8是阻尼器变形示意图(轴测)。

图9是阻尼器变形示意图(仰视)。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1-9所述，一种基于SMA的自复位墙式阻尼器，该阻尼器的施作方法如下：T形内板(1)、T形内板两侧的第一坡面(9)、长槽孔(8)和螺栓孔I(10)、L形外板(2)、L形外板(2)上的第二坡面(12)、螺栓孔II(11)、槽孔(13)、SMA螺栓(3)、SMA螺栓(3)上的螺纹段(14)、过渡段(15)、削弱段(16)、垫块(5)、垫块(5)上的螺栓孔III(17)、等均在工厂事先预制而成，而后运输至施工现场。

首先通过上连接螺栓(6)将T形内板(1)与上连接墙螺栓连接，之后将L形外板(2)安装至T形内板(1)两侧，使T形内板(1)上的第一坡面(9)和L形外板(2)上的第二坡面(12)完全贴合，通过下连接螺栓(7)将L形外板(2)与下连接墙螺栓连接。为防止坡面磨损和生锈，可根据实际情况在坡面之间涂抹润滑脂。将SMA螺栓(3)穿过L形外板(2)的螺栓孔III(11)和T形内板(1)的长槽孔(8)，SMA螺栓(3)两侧安装垫块(5)，之后通过螺母(4)将SMA螺栓(3)两端固定，施加预紧力至设计值。