一种带限位功能的SMA-负刚度摩擦摆支座

技术领域

本发明属于结构隔震相关技术领域，更具体地，涉及一种带限位功能的SMA-负刚度摩擦摆支座。

背景技术

传统地震工程以工程结构抗震为主要研究对象，通过开发高性能材料、构件或结构体系等，提高结构自身抵御地震灾害的能力。而现有技术中传统抗震设计已不能满足结构安全性和经济性的要求，在此背景下，消能减震及隔震技术得到迅速发展和应用，大量的理论研究和一些地震经验表明，减震技术是目前性能最为稳定且最有效的振动控制技术之一。摩擦摆支座是一种常用的隔震装置，其通过滑块滑动达到隔离、消耗地震能量的目的，延长了结构周期。传统的摩擦摆支座具有一定的自复位能力，但复位能力有限，因此有人将SMA丝、索或棒引入摩擦摆支座，形成SMA-摩擦摆支座，但此类支座会造成下部结构的内力过大。又有研究表明，负刚度装置有主动控制的效果，可以有效减小结构的内力，于是有人将负刚度理念与摩擦摆支座结合形成负刚度摩擦摆支座，但此支座不具备自复位能力，因此又与SMA构件结合形成SMA-负刚度摩擦摆支座以获取自复位能力。中国专利CN110397175公开了一种SMA负刚度减震装置，包括上座板、下座板以及位于上、下座板之间的滑块，上座板的下侧面具有下凸弧面，下座板的上侧面具有上凸弧面，滑块的上侧面具有与上座板的下凸弧面凹凸配合的下凹弧面、下侧面具有与与下座板的上凸弧面凹凸配合的上凹弧面，上座板的边缘具有向下弯折的折边，下座板的边缘具有向上弯折的折边，用于对滑块进行限位；还包括环绕在上座板和下座板之间、用于将上座板和下座板压紧在滑块上的SMA索；所述上座板与下座板之间还设有限位SMA索，上、下座板未发生相对滑动时限位SMA索处于松弛状态，上、下座板发生相对滑动时限位SMA索张紧用于对上、下座板滑动位置进行限位。该支座具有自复位能力，减小了下部结构的内部，而且具有限位功能，但环向布置的SMA索很难拉紧，提供的拉力可能不足，而且整个支座完全依靠SMA索限位，而温度等环境因素对SMA材料的性能又有很大影响，在不良环境下，SMA索的性能会大幅度降低，其限位能力也会减弱，但支座遭受大级别地震时很容易产生过大位移导致支座失去稳定性、出现脱位、甚至倾覆现象。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种带限位功能的SMA-负刚度摩擦摆支座，通过设置SMA拉索和限位装置限制支座位移，避免支座在强震作用下因产生较大位移而受到破坏，提高支座的隔震性能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种带限位功能的SMA-负刚度摩擦摆支座，所述SMA-负刚度摩擦摆支座包括：形状相同的上支座板和下支座板，所述上支座板和下支座板中间相对位置设有凸弧滑动面；滑块，所述滑块的上端面和下端面均为凹弧面，所述滑块的上端面与所述上支座板的凸弧滑动面匹配；所述滑块的下端面与所述下支座板的凸弧滑动面匹配，且所述凹弧面的面积均小于对应的所述凸弧滑动面的面积；多个SMA拉索，所述SMA拉索的两端设有球铰状螺母，上支座板和下支座板的边缘通过所述球铰状螺母对应垂直连接，连接后所述SMA拉索具有预拉伸力；多个限位装置，每一限位装置均包括一端带滑槽的连杆和一端带小滑块的连杆，所述小滑块限制在所述滑槽内运动，所述限位装置的两端分别活动连接所述上支座板和下支座板。

优选的，所述滑块为柱形结构，所述滑块的凹弧面涂有聚四氟乙烯摩擦材料。

优选的，所述SMA拉索还包括SMA索和空心螺杆，所述SMA索由多股SMA丝绞成，所述SMA索的两端分别固定在一空心螺杆的端部，所述球铰状螺母套设固定在空心螺杆外部。

优选的，限位装置的两端与上支座板和下支座板错位连接，以使所述连杆和连杆之间的夹角为钝角。

优选的，所述限位装置通过连接装置与上支座板和下支座板连接。

优选的，所述连接装置通过销轴与所述上支座板和下支座板连接，进而所述连接装置可转动，所述限位装置与所述连接装置轴连。

优选的，所述连接装置为万向铰，所述连接装置固定于所述上支座板和下支座板上，所述万向铰与所述限位装置的端部连接。

优选的，所述凸弧滑动面的边缘设有档条。

优选的，多个SMA拉索和多个限位装置在所述上支座板和下支座板之间均匀布置。

优选的，上支座板和下支座板为方形，所述凸弧滑动面边界为圆形。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种带限位功能的SMA-负刚度摩擦摆支座主要具有以下有益效果：

1.本申请的SMA拉索在初始状态具有预拉伸力，竖向紧绷的SMA索是的支座具有一定的抗拔能力，SMA拉索可以有效限制支座在水平方向和竖直方向的运动，并且SMA索采用球铰状螺母与上支座板和下支座板连接，不仅接头可以自由转动，而且安装、更换都十分方便；限制装置拉直后可以有效限制支座的最大位移，是的上部结构和下部结构的相对位移减小，显著提高了整个装置抗震能力。

2.本申请滑块表明涂有摩擦材料，滑块滑动时可以摩擦耗能，进而可以耗散地震能量。

3.所述限位装置由刚性连杆组成，且与上支座板和下支座板活动连接，进而可以在震动位移达到极限时及时进行限位纠正，强度大，纠正及时。

附图说明

图1是本申请实施例带限位功能的SMA-负刚度摩擦摆支座的结构示意图；

图2是本申请实施例中上支座板和下支座板的结构示意图；

图3是本申请实施例中滑块的结构示意图；

图4是本申请实施例中SMA拉索球铰接头的结构示意图；

图5是本申请实施例中限位装置的结构示意图；

图6是本申请实施例中一优选实施例中限位装置的结构示意图；

图7是本申请实施例中另一优选实施例中限位装置的结构示意图；

图8是本申请实施例带限位功能的SMA-负刚度摩擦摆支座的运动状态图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-上支座板；2-下支座板；3-滑块；4-SMA拉索；5-限位装置；6-连接装置；301-摩擦材料；401-SMA索；402-空心螺杆；403-球铰状螺母；501，502-连杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种带限位功能的SMA-负刚度摩擦摆支座，如图1所示，SMA-负刚度摩擦摆支座包括上支座板1、下支座板2、滑块3、多个SMA拉索4以及限位装置5。

上支座板1和下支座板2的形状相同，上支座板1和下支座板2的形状优选为方形，如图2所示。

上支座板1和下支座板2中间相对位置设有凸弧滑动面，也即上支座的滑动面为下凸弧面，位于上支座板下表面的中心位置，下支座板的滑动面为上凸弧面，位于下支座板上表面的中心位置。凸弧滑动面的形状为圆形，其边缘处均设置有环形挡块。

滑块3，如图3所示，所述滑块3的上端面和下端面均为凹弧面，所述滑块3的上端面与所述上支座板1的凸弧滑动面匹配；所述滑块3的下端面与所述下支座板2的凸弧滑动面匹配，且所述凹弧面的面积均小于对应的所述凸弧滑动面的面积。也即滑块布置在两个滑动面之间，且能在两个滑动面上滑动，滑块的上表面为下凹弧面，与上支座的凸弧滑动面对应，滑块的下表面为上凹弧面，与下支座板的凸弧滑动面对应，且滑块的凹弧面表面均涂有摩擦材料301，如聚四氟乙烯等。滑块的下凹弧面与上支座板凸弧滑动面的曲率半径相同，滑块的上凹弧面与下支座板凸弧滑动面的曲率半径相同。进一步优选的方案中，上支座板凸弧滑动面的曲率半径和下支座板凸弧滑动面的曲率半径相同。

上支座板1和下支座板2之间设置有SMA拉索和限位装置，起到限制支座水平和竖向位移，同时消耗地震能量的作用，是的支座在强震作用下也不会产生过大的位移，保护了支座，提高了其隔震性能。

进一步优选的方案，SMA拉索竖直布置在SMA-负刚度摩擦摆支座的四个侧边，连接后SMA拉索4具有预拉伸力也即必须绷直布置。上支座板1和下支座板2除了在相邻边相交的角处预留四个用于固定支座板的圆柱形孔洞外，还在每边预留四个用于安装SMA拉索4的弧形孔洞，孔洞大小略大于SMA拉索4的球铰状螺母403的尺寸。

如图4所示，所述SMA拉索4还包括SMA索401和空心螺杆402，所述SMA索401由多股SMA丝绞成，所述SMA索401的两端分别固定在一空心螺杆402的端部，所述球铰状螺母403套设固定在空心螺杆402外部。SMA索401由多股SMA丝绞成，地震作用下，支座的上支座板1与下支座板2会发生相对滑动，SMA索401随之被拉伸，起到提供支座恢复力，并限值支座运动的作用，SMA索401的反复张拉还可以消耗部分地震能量。构成SMA索401的SMA丝的股数没有固定值，而其直径也可以是0.5mm、1mm或1.5mm等。SMA丝绞成SMA索401后，将没有螺纹的空心螺杆402套在SMA索401的两端，然后利用机器将空心螺杆402压紧，保证空心螺杆402不会拉脱，再在空心螺杆402的端头凿出一定长度的螺纹，球铰状螺母403与空心螺杆402相匹配。SMA拉索4通过球铰状螺母403与上支座板1和下支座板2就可以转动地连接。另外，由于负刚度摩擦摆支座的负刚度特性，SMA拉索4必须要绷直布置，这样支座才始终具有自复位能力。

如图5所示，限位装置5为一种曲臂连杆机构，每一限位装置5均包括一端带滑槽的连杆501和一端带小滑块的连杆502，所述小滑块限制在所述滑槽内运动，所述限位装置5的两端分别活动连接所述上支座板1和下支座板2。限位装置5按曲臂形状布置，夹角为钝角，且带滑槽的连杆502与下支座板2之间具有一定的倾角。两个连杆的长度可以任取，带小滑块的连杆502的长度小于带滑槽的连杆501，且一般小于上支座板1与下支座板2之间的距离。当支座的运动方向与带滑槽的连杆501倾斜的方向相同时，只要带小滑块的连杆502的小滑块与滑槽的上端接触后，限位装置5就可以发挥限位功能。当支座的运动方向与带滑槽的连杆501倾斜的方向相反时，带小滑块的连杆502的小滑块与滑槽的下端接触后，带小滑块的连杆502会受压，带滑槽的连杆501会向下转动，带小滑块的连杆502也会向支座运动的方向转动，当带小滑块的连杆502的长度合适时，带小滑块的连杆502会由压变为拉，起到限位作用。

进一步优选的方案中，如图6所示，限位装置5与上支座板1、下支座板2的连接装置6相同。限位装置5与连接装置6之间为卡槽式连接，而连接装置6与上支座板1、下支座板2之间为转动连接，因此连接装置6可以在竖直和水平两个平面上的转动。当支座沿着限位装置5倾斜的方向移动时，连接装置6与支座板之间不发生相对转动，而随着限位装置5夹角的变化，限位装置5与连接装置6之间会在竖直平面上发生转动。当支座垂直限位装置5倾斜的方向移动时，连接装置6与支座板之间会先在水平面发生转动，随着限位装置5的直线长度增加，限位装置5与连接装置6之间也会发生转动，随后，连接装置会在同时两个平面上同时转动。

另一优选的方案中，如图7所示，连接装置6直接采用可以360°旋转的万向铰。连接装置6固定在上支座板1、下支座板2上，连接装置6与限位装置5可以进行焊接。无论支座是进行横向运动，还是纵向运动，可以360°空间旋转的万向铰都能够保证限位装置5可以正常转动。

本实施例中，上支座板1的下凸弧面和下支座板2的上凸弧面的曲率半径取决于SMA-负刚度摩擦摆支座所需的负刚度大小，SMA-负刚度摩擦摆支座所需的负刚度越大，上支座板1的下凸弧面和下支座板2的上凸弧面的曲率半径越大。SMA拉索4的长度略小于支座的高度，SMA拉索4的根数和SMA索401的截面积则根据支座所需恢复力的大小确定，与支座的负刚度大小也有一定的关系。限位装置5采用普通钢材制作即可，其布置方案、滑槽的长度、带滑槽的连杆502的倾角以及带滑槽的连杆501与带小滑块的连杆502之间的夹角则根据支座实际所需的最大位移确定。

本申请的带限位功能的SMA-负刚度摩擦摆支座的原理为：如图8所示，正常使用情况下，SMA-负刚度摩擦摆支座将上部结构的载荷均匀地传递到下部结构，起到普通支座的作用。发生地震时，上支座板1与下支座板2之间会发生相对滑动，同时带动滑块3滑动，因此，上支座板1与滑块3、下支座板2与滑块3之间会发生相对滑动，由于滑块3的上、下表面涂有摩擦材料301聚四氟乙烯摩擦层，其滑动时可以摩擦耗能并延长结构周期，起到良好的隔震效果。由于负刚度摩擦摆支座的恢复力随着支座位移的增大而逐渐减小，因此，单独的负刚度摩擦摆支座不具有自复位能力，加入SMA拉索4后，支座运动时SMA拉索4逐渐拉伸，拉力逐渐增大，SMA-负刚度摩擦摆支座的恢复力则随着支座位移的增大而逐渐增大，支座就具备了自复位能力，对支座的运动也有一定的限制作用。而且随着SMA拉索4的反复张拉，也可以消耗部分地震能量。发生中小地震时，限位装置5未拉直，不发挥作用，发生大地震时，限位装置5被拉直，上支座板1不能继续移动，对整个支座起到了限位作用，保护支座不会因位移过大而发生破坏。图8以某一对SMA拉索4和某个限位装置5为例，来展示限位装置5发挥作用时，支座各部件的运动状态。上支座板1和下支座板2上的挡块也可以阻止滑块3滑出滑动面。另外，由于负刚度摩擦摆支座具有负刚度效应，在相同荷载和位移的情况下，SMA-负刚度摩擦摆支座传递到下部结构的内力明显小于SMA-正刚度摩擦摆支座传递到下部结构的内力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。