一种基于SMA的扭转放大阻尼器及其工作方法

技术领域

本发明涉及土木结构振动控制技术领域，尤其是涉及一种基于SMA的扭转放大阻尼器及其工作方法。

背景技术

近年来，基础隔震、消能减震以及调谐减震控制等被动控制技术由于其概念简单、机理明确、造价较低、减震效果显著而在国内外土木工程中得到广泛应用。

然而，目前存在的阻尼器还是存在一定不足，如利用冲击碰撞耗能的阻尼器在工作过程中，会产生噪声以及让人产生不适感；利用金属变形耗能的阻尼器在金属变形后需要及时更换；粘滞液体类阻尼器可能发生泄漏，污染环境；扭转阻尼器在建筑领域应用较少，且扭转变形能力有限等。因此，有必要在现有的阻尼技术的基础上进行改进，得到一种无污染、噪音低、可重复利用且耗能能力优良的阻尼器。

CN112459586A公开了一种位移放大型阻尼器，使用大小齿轮将屈曲约束SMA棒和刚性杆连接，大齿轮与焊有齿条的刚性杆齿合，小齿轮与焊有齿条的刚性杆齿合，通过大小齿轮半径不同的设计，来控制位移放大的系数。一组同心圆齿轮被钢轴固定在钢板里，大齿轮与下部刚性杆上焊接的齿条紧密齿合，屈曲约束SMA棒通过高强螺母固定在钢板里，两个屈曲约束SMA棒中间的刚性杆上焊接一段齿条，与小齿轮紧密齿合。阻尼器的耗能能力主要来自SMA棒的变形耗能。同时，通过设计时改变大小阻尼器的半径比例，从而实现位移的放大。但该位移放大型阻尼器耗能能力受限于上下齿条的长度，在可能产生较大的层间位移的情况下，为保证足够的位移，即需要较大的齿条长度；同时为保证屈曲耗散的能量尽可能多，对阻尼器的纵向运动空间需求较大，这可能会限制在一些建筑中的应用；此外在循环荷载往复作用下，截面形状改变处，产生破坏的可能性更大。

为实现上述目标，亟需一种基于SMA的扭转放大阻尼器，以解决传统阻尼器使用噪声大、耗能能力有限、且构件不能重复利用等问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于SMA的扭转放大阻尼器及其工作方法，该扭转放大阻尼器利用狭缝扭转中产生塑性变形消耗能量，大小齿轮的布置将构件的扭转放大，增加了能量耗散且SMA材料的使用使得可重复利用成为可能，具体为：利用齿轮间的转动，将狭缝扭转构件的扭转放大，改善了传统的扭转阻尼器扭转效果不明显的缺陷，使得耗能能力提高，同时应用SMA作为狭缝扭转装置的材料，实现了耗能构件的重复利用，是一种无污染、噪音小、可重复使用、耗能优良的阻尼器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的第一个目的是提供一种基于SMA的扭转放大阻尼器，包括阻尼器外壁、狭缝扭转构件、大齿轮、小齿轮、钢棒、钢片、连接杆；所述阻尼器外壁与建筑物主体结构固定连接；所述狭缝扭转构件的一侧与小齿轮连接，另一侧与阻尼器外壁连接；所述大齿轮与小齿轮啮合；所述钢片与钢棒刚接；所述钢片与连接杆连接；所述钢棒与大齿轮连接；所述基于SMA的扭转放大阻尼器还包括加热装置；所述加热装置与狭缝扭转构件连接。

进一步地，所述加热装置包括交流电源、过热保护装置、线圈；所述交流电源、过热保护装置、线圈串联。

进一步地，所述线圈缠绕于狭缝扭转构件表面并与狭缝扭转构件表面预留有一定空间。

进一步地，所述线圈的材料为紫铜管。

进一步地，所述基于SMA的扭转放大阻尼器还包括螺栓；所述狭缝扭转构件的一侧与小齿轮通过螺栓连接，另一侧通过螺栓与阻尼器外壁连接。

进一步地，所述狭缝扭转构件的材料为形状记忆合金(SMA)，这种材料在高温下可以恢复原形状，利用这种特性可以将发生塑性变形的狭缝扭转构件经加热装置加热，恢复原形状，实现重复利用。

进一步地，所述阻尼器外壁是由钢板焊接而成的长方体或圆柱体的空腔。

进一步地，所述阻尼器外壁是由5mm—10mm厚的钢板焊接而成的长方体或圆柱体的空腔。

进一步地，所述阻尼器外壁单个设置或在水平或/和竖向多个设置。

进一步地，大齿轮的转动带动小齿轮的转动，根据几何关系，小齿轮的转动较大齿轮有明显增加，使得狭缝扭转构件的塑性变形增加，即放大了狭缝扭转构件的扭转变形，耗能能力提高。

进一步地，狭缝扭转构件的缝宽、缝高等参数可以调整，得到与建筑物匹配的最优参数。

进一步地，大齿轮与小齿轮的半径、齿数等参数可以调整，传动比可以根据不同情况选择。

上述基于SMA的扭转放大阻尼器应用于土木结构(包括高层建筑、高耸结构和桥梁结构等)振动控制领域。

本发明的第二个目的是提供一种上述基于SMA的扭转放大阻尼器的工作方法，建筑发生层间变形时，建筑物主体结构的位移带动与之相连的连接杆，连接杆使钢片发生旋转，通过钢片与钢棒的刚接，带动大齿轮转动，大齿轮带动小齿轮转动，小齿轮在转动过程中，带动狭缝扭转构件发生扭转。

进一步地，加热装置使得狭缝扭转构件的温度上升，狭缝扭转构件达到跃变温度恢复至初始状态，实现狭缝扭转构件的重复利用。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)在水平风或/和地震作用下建筑发生层间变形，本发明的基于SMA的扭转放大阻尼器通过齿轮组合的放大作用，加剧了狭缝扭转构件的扭转变形，增加了建筑物的能量耗散，耗能效率显著提高，有效降低了对建筑结构的伤害。

2)本发明利用狭缝扭转构件的金属扭转塑性变形消耗能量，狭缝扭转构件由采用形状记忆合金材料制成，该材料固有的特性可以在变形后经加热恢复原状，实现了构件的重复利用，降低了构件多次更换的成本。

3)本发明中扭转是由齿轮组带动的，大齿轮先转动带动小齿轮转动，根据几何关系，l＝θR，转动相同弧度，半径小的齿轮转过的角度更大，即小齿轮的转动被放大，增大了耗能构件的扭转变形，弥补了阻尼器在微小变形下耗能能力有限的缺陷，耗能能力提高。

4)本发明中通过调节狭缝扭转构件中缝的宽度、高度等参数可以充分适应不同的建筑物，找到适合不同建筑的最优参数，同时可以根据需要选择设置小齿轮的数量，适用性高。

5)本发明能量的耗散是通过塑性变形，减轻了器工作过程中的噪音，以及建筑物中人的不适感。

附图说明

图1为本发明的一种基于SMA的扭转放大阻尼器的正视图。

图2为本发明的一种基于SMA的扭转放大阻尼器的侧视图。

图3为本发明的一种基于SMA的扭转放大阻尼器的狭缝扭转构件与加热装置示意图。

图4为图3的a-a方向剖面图。

图5为本发明的一种基于SMA的扭转放大阻尼器的加热装置电路示意图。

图中标号所示：

1为阻尼器外壁、2为狭缝扭转构件、3为大齿轮、4为小齿轮、5为钢棒、6为钢片、7为螺栓、8为连接杆、9为加热装置；

901为线圈、902为过热保护装置、903为交流电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

本发明的一种基于SMA的扭转放大阻尼器，包括：阻尼器外壁1、狭缝扭转构件2、大齿轮3、小齿轮4、钢棒5、钢片6、螺栓7、连接杆8和加热装置9，其特征在于：阻尼器外壁1为长方体或圆柱体结构，可以为单个，也可以在水平或/和竖向多个设置；内部主要构件为大齿轮3与小齿轮4构成的齿轮组以及与小齿轮4刚接的狭缝扭转构件2；建筑发生层间变形时，建筑物主体结构的位移带动与之相连的连接杆8，连接杆8使钢片6发生旋转，通过钢片6与钢棒5的刚接，带动大齿轮3与小齿轮4转动，齿轮在转动过程中，会带动狭缝扭转构件2发生扭转变形，消耗能量；狭缝扭转构件2的一侧与小齿轮4通过螺栓7连接，另一侧通过螺栓7与阻尼器外壁1连接。

本发明中，大齿轮3的转动带动小齿轮4的转动，根据几何关系，小齿轮4的转动较大齿轮3有明显增加，使得狭缝扭转构件2的塑性变形增加，即放大了狭缝扭转构件2的扭转变形，耗能能力提高。

本发明中，狭缝扭转构件2的材料为形状记忆合金(SMA)，这种材料在高温下可以恢复原形状，利用这种特性可以将发生塑性变形的狭缝扭转构件2经加热装置9加热，恢复原形状，实现重复利用。

本发明中，狭缝扭转构件2的缝宽、缝高等参数可以调整，得到与建筑物匹配的最优参数。大齿轮3与小齿轮4的半径、齿数等参数可以调整，传动比可以根据不同情况选择。

实施例

如图1～5所示，本实施例提供一种基于SMA的扭转放大阻尼器，包括阻尼器外壁1、狭缝扭转构件2、大齿轮3、小齿轮4、钢棒5、钢片6、螺栓7、连接杆8、加热装置9。

阻尼器外壁1是由5mm—10mm厚的钢板焊接而成的长方体或圆柱体的空腔，阻尼器外壁1通过一定的方式与建筑物主体结构固定连接；狭缝扭转构件2的一侧与小齿轮4通过螺栓7连接，另一侧通过螺栓7与阻尼器外壁1连接；大齿轮3与小齿轮4啮合；钢片6与钢棒5刚接；钢片6与连接杆8连接；钢棒5与大齿轮3连接；加热装置9与狭缝扭转构件2连接。

加热装置9包括交流电源903、过热保护装置902、线圈901；交流电源903、过热保护装置902、线圈901串联；线圈901缠绕于狭缝扭转构件2表面并与狭缝扭转构件2表面预留有一定空间。

线圈901的材料为紫铜管。

狭缝扭转构件2采用形状记忆合金材料(SMA)，根据形状记忆合金的单程记忆效应：形状记忆合金在较低的温度下变形，加热冷却后可恢复变形前的形状，由此性质，可以将变形后的狭缝扭转构件2加热至跃变温度以达到奥氏体状态，狭缝扭转构件2将恢复至初始的非变形状态。

阻尼器外壁1单个设置或在水平或/和竖向多个设置。

上述基于SMA的扭转放大阻尼器的工作方法如下：在水平风或/和地震作用下，建筑发生层间变形时，建筑物主体结构的位移带动与之相连的连接杆8，连接杆8使钢片6发生旋转，通过钢片6与钢棒5的刚接，带动大齿轮3转动，大齿轮3带动3个小齿轮4转动，小齿轮4在转动过程中，会带动狭缝扭转构件2发生扭转；加热装置9使得狭缝扭转构件2的温度迅速上升，狭缝扭转构件2达到跃变温度恢复至初始状态，即轻松实现狭缝扭转构件2的重复利用。

具体的加热实施为：在狭缝扭转构件2表面绕制加热线圈901并与狭缝扭转构件2表面预留有一定空间，连接电路形成加热装置9，可由紫铜管制作，通过高频大电流，在线圈901内部将产生强磁束贯通整个狭缝扭转构件2，使得狭缝扭转构件2的温度迅速上升，狭缝扭转构件2达到跃变温度恢复至初始状态，即轻松实现狭缝扭转构件2的重复利用，同时为防止高温影响其他构件的使用性能，可在无需加热但有可能受加热装置影响的构件表面放置隔热石棉(未图示)以隔绝高温。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。