本實(shí)用新型涉及多向自復(fù)位形狀記憶合金鉛阻尼器，適用于工程結(jié)構(gòu)耗能減振技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

強(qiáng)震及強(qiáng)風(fēng)等外荷載對(duì)工程結(jié)構(gòu)的安全性帶來嚴(yán)重威脅，僅通過提高結(jié)構(gòu)自身的剛度及強(qiáng)度，并不能很好的進(jìn)行消能減震，從而對(duì)結(jié)構(gòu)自身造成破壞。這需要使激勵(lì)外荷載輸入的能量依據(jù)某種機(jī)理將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蚱渌芰啃问侥軐⑵浜纳⒌?，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)自身不會(huì)被破壞。通過在結(jié)構(gòu)內(nèi)外添加阻尼器的方法來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制表現(xiàn)出好的控制效果。

目前常用的耗能裝置存在各自的不足，如粘彈性阻尼器易老化、粘滯阻尼器的維護(hù)困難。為解決不可恢復(fù)，耐久性不強(qiáng)，振動(dòng)后需要維護(hù)等問題。形狀記憶合金(Shape Memory Alloy,簡(jiǎn)稱SMA)是一種對(duì)形狀有記憶功能的新型智能材料。其自身具有的超彈性，其可恢復(fù)應(yīng)變達(dá)到6％至8％，極限強(qiáng)度超過1000MPa，使用SMA材料制作的阻尼器和其他阻尼器相比具有抗老化、可靠性強(qiáng)、耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)。選擇此材料作為阻尼器可提高結(jié)構(gòu)的振動(dòng)被動(dòng)控制能力。金屬屈服阻尼器中，鉛阻尼器具有耗能性能好，使用周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。工作原理為金屬鉛進(jìn)入塑性屈服階段后通過吸收外荷載輸入的能量來達(dá)到耗能減振的作用。其中剪切型-阻尼器為利用鉛受剪切屈服后產(chǎn)生塑性變形來耗能。而鉛振動(dòng)后發(fā)生的塑性變形不可自恢復(fù)。并且傳統(tǒng)的鉛阻尼器不適應(yīng)于不同大小的拉伸及扭轉(zhuǎn)阻尼力的調(diào)節(jié)。

目前已研制開發(fā)的阻尼器大多僅僅應(yīng)用于單一方向的振動(dòng)控制，而荷載響方向通常是隨機(jī)的，研究多向控制的阻尼器具有工程實(shí)際意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決結(jié)構(gòu)受強(qiáng)荷載作用可能會(huì)產(chǎn)生大變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞等問題，本實(shí)用新型提供了多向自復(fù)位形狀記憶合金鉛阻尼器，進(jìn)行減振耗能。由于阻尼器在安裝處的受力可能是扭轉(zhuǎn)或是拉壓，所以依據(jù)外荷載輸入的多向性，本實(shí)用新型的特點(diǎn)為在阻尼器的徑向和環(huán)向上皆可工作減振耗能。多向自復(fù)位形狀記憶合金鉛阻尼器，其模型為(如圖1)，阻尼器從功能上分類主要由兩部分裝置組成。第一部分是利用鉛剪切耗能裝置，第二部分是對(duì)阻尼器內(nèi)部各部分的自復(fù)位裝置。本實(shí)用新型具有多向可調(diào)節(jié)阻尼力的功能，并且多向阻尼器相比傳統(tǒng)單向阻尼，不僅是功能上的疊加，更拓展其適用范圍。

多向自復(fù)位形狀記憶合金鉛阻尼器，包括連接桿1、第一內(nèi)筒-左蓋板2、SMA彈簧夾具3、外筒-固定螺栓4、SMA彈簧5；第三內(nèi)筒6、外筒7、固定板8、預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)環(huán)板9、SMA絲10、拉桿11、右側(cè)拉環(huán)12、左側(cè)拉環(huán)13、連接筒14、外筒-左蓋板15、內(nèi)筒-固定螺栓16、預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)板17、左拉板18、第一鉛塊19、第二鉛塊20、第一內(nèi)筒21、第二內(nèi)筒22、右拉板23、第一內(nèi)筒-右擋板24、SMA絲夾具25、外筒-右蓋板26；

第一內(nèi)筒21與第二內(nèi)筒22間安裝第一鉛塊19、第二內(nèi)筒22和第三內(nèi)筒6間安裝第二鉛塊20，構(gòu)成雙層剪切型-鉛阻尼器；

外筒7兩端分別為外筒-左蓋板15和外筒-右蓋板26，左側(cè)拉環(huán)13、連接桿1、連接筒14依次焊接，并固定于外筒-左蓋板15的中心處；拉桿11右端焊接拉環(huán)12，拉桿11左端依次焊接第一內(nèi)筒-右擋板24和第一內(nèi)筒21，第一內(nèi)筒21左端焊有第一內(nèi)筒-左蓋板2；第一內(nèi)筒21的中間段，即第一內(nèi)筒-左蓋板2和第一內(nèi)筒-右擋板24間外表面開槽；將第一鉛塊19的下半部分嵌入于第一內(nèi)筒21外表面的槽中，第一鉛塊19的上半部分嵌入于第二內(nèi)筒22內(nèi)壁開的槽中；在第二內(nèi)筒22外表面開槽，將第二鉛塊20的下半部分嵌入于第二內(nèi)筒22外表面的槽中，將第二鉛塊20的上半部分嵌入于第三內(nèi)筒6內(nèi)壁開的槽中；

自復(fù)位裝置由SMA彈簧5和SMA絲10組成，SMA彈簧5負(fù)責(zé)第二內(nèi)筒22向左拉伸及扭轉(zhuǎn)時(shí)自復(fù)位，SMA絲10負(fù)責(zé)拉桿11的扭轉(zhuǎn)及拉壓時(shí)自復(fù)位。四組SMA彈簧5安裝于第三內(nèi)筒6和外筒7間形成的中部空腔內(nèi)，SMA彈簧5左端依次穿過固定板8、左拉板18和預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)板17，右端依次穿過固定板8和右拉板23，并通過SMA彈簧夾具3旋緊拉固；三排共9根SMA絲10以環(huán)向夾角45度依次穿過拉桿11和外筒7開設(shè)的孔中，并通過預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)環(huán)板9和SMA絲夾具25配合固定；SMA絲10橫向安裝于外筒7；通過調(diào)節(jié)SMA彈簧夾具3、SMA絲夾具25分別改變SMA彈簧5、SMA絲10的初始應(yīng)力變形，進(jìn)而調(diào)阻尼力。SMA材料由于其超彈性具有較強(qiáng)的自復(fù)位能力，且其本身具有的抗疲勞，較高的拉伸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度等特性，在高消能后能夠使阻尼器能夠恢復(fù)初始狀態(tài)。

在第二內(nèi)筒22左側(cè)焊接左拉板18，在第三內(nèi)筒6左右兩側(cè)分別焊接環(huán)形固定板8；左側(cè)固定板8上設(shè)有四個(gè)通孔，通孔型為以環(huán)向40度的環(huán)形孔；右側(cè)固定板8及右拉板23開小圓孔；預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)板17通過固定螺栓16固定在左拉板18上；固定板8通過外筒-固定螺栓4固定在外筒7上。

本實(shí)用新型的有益效果是穩(wěn)定性強(qiáng)，較強(qiáng)的自恢復(fù)特性，且具有耐久性和抗疲勞的特性。能有效提高結(jié)構(gòu)的抗振性能，并且雙層剪切鉛塊布置使其具有小變形且高阻尼力的特點(diǎn)，以上優(yōu)點(diǎn)使其具有應(yīng)用于市場(chǎng)后廣闊的前景。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型圖1的a-a截面剖面圖。

圖3是本實(shí)用新型圖1的b-b截面剖面圖。

圖4是本實(shí)用新型圖1的c-c截面剖面圖。

圖5是本實(shí)用新型圖1的d-d截面剖面圖。

圖6是本實(shí)用新型推拉桿平面圖。

圖7是本實(shí)用新型推拉桿1-1截面剖面圖。

圖8是本實(shí)用新型推拉桿2-2截面剖面圖。

圖9是本實(shí)用新型推拉桿3-3截面剖面圖。

圖10是本實(shí)用新型預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)板平面圖。

圖11是本實(shí)用新型預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)板剖面圖。

圖12是本實(shí)用新型固定板平面圖。

圖13是本實(shí)用新型固定板剖面圖。

圖中：1連接桿；2第一內(nèi)筒-左蓋板；3SMA彈簧夾具；4外筒-固定螺栓；5SMA彈簧；6第三內(nèi)筒；7外筒；8固定板；9預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)環(huán)板；10SMA絲；11拉桿；12右側(cè)拉環(huán)；13左側(cè)拉環(huán)；14連接筒；15外筒-左蓋板；16內(nèi)筒-固定螺栓；17預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)板；18左拉板；19第一鉛塊；20第二鉛塊；21第一內(nèi)筒；22第二內(nèi)筒；23右拉板；24第一內(nèi)筒-右擋板；25SMA絲夾具；26外筒-右蓋板。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，詳盡說明本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式。

多向自復(fù)位形狀記憶合金鉛阻尼器主要包括：連接桿1、第一內(nèi)筒-左蓋板2、SMA彈簧夾具3、外筒-固定螺栓4、SMA彈簧5；第三內(nèi)筒6、外筒7、固定板8、預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)環(huán)板9、SMA絲10、拉桿11、右側(cè)拉環(huán)12、左側(cè)拉環(huán)13、連接筒14、外筒-左蓋板15、內(nèi)筒-固定螺栓16、預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)板17、左拉板18、第一鉛塊19、第二鉛塊20、第一內(nèi)筒21、第二內(nèi)筒22、右拉板23、第一內(nèi)筒-右擋板24、SMA絲夾具25、外筒-右蓋板26；左側(cè)拉環(huán)13、右側(cè)拉環(huán)12在中軸線上以互成90度角布置，目的除了使阻尼器與結(jié)構(gòu)連接牢固外，同時(shí)考慮到兩側(cè)受到拉伸和扭轉(zhuǎn)兩個(gè)方向的力矩，使阻尼效果更好。

本阻尼器適用于多向受力情況，分別從環(huán)向扭轉(zhuǎn)時(shí)及徑向拉壓時(shí)闡述其耗能減振機(jī)理。首先，當(dāng)拉桿11向左拉伸帶動(dòng)第一內(nèi)筒21左移，第一內(nèi)筒-左蓋板2推動(dòng)左拉板18向左移動(dòng)，從而帶動(dòng)焊接在其右側(cè)的第二內(nèi)筒22左移。第二內(nèi)筒22往左移動(dòng)與第三內(nèi)筒6發(fā)生相對(duì)位移，由于第三內(nèi)筒6固定于外筒7上，剪切位于第二內(nèi)筒22與第三內(nèi)筒6之間的第二鉛塊20；同時(shí)SMA彈簧5左端隨左拉板18向左拉伸。當(dāng)拉桿11向右拉伸帶動(dòng)第一內(nèi)筒21右移時(shí)，由于第二內(nèi)筒22受到左拉板18限制，使第一內(nèi)筒21與第二內(nèi)筒22發(fā)生相對(duì)位移，剪切位于第一內(nèi)筒21與第二內(nèi)筒22之間的第一鉛塊19；與此同時(shí)，第一內(nèi)筒-右擋板24將推動(dòng)右拉板23向右移動(dòng)，從來向右拉伸SMA彈簧5。由于拉桿11左移使其與外筒7發(fā)生相對(duì)位移，拉伸SMA絲10。在整個(gè)過程中SMA絲10、SMA彈簧5拉伸耗能，第二鉛塊20、第一鉛塊19受剪切屈服后產(chǎn)生塑性變形耗能。使用工作后，由于SMA絲、SMA彈簧的較強(qiáng)的超彈性，使得整個(gè)裝置在移動(dòng)過后恢復(fù)到原來的位置。

當(dāng)右側(cè)拉桿11與左側(cè)連接桿1發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于左拉板18、右拉板23連接于處于預(yù)拉伸狀態(tài)的SMA彈簧5的兩端，且左拉板18焊接于第二內(nèi)筒22的左端，限制了第二內(nèi)筒22自由轉(zhuǎn)動(dòng)。首先，拉桿11轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)焊接于其左端的第一內(nèi)筒21發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)角，從而沿環(huán)向剪切嵌入于第一內(nèi)筒21和第二內(nèi)筒22間第一鉛塊19；隨著承受高扭轉(zhuǎn)力的增大，位于左拉板18與右拉板23之間的SMA彈簧5被拉伸扭轉(zhuǎn)，第二內(nèi)筒22發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)與固定于外筒7上的第三內(nèi)筒6發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)角，從而沿環(huán)向剪切嵌入于第二內(nèi)筒22和第三內(nèi)筒6間第二鉛塊20。在扭轉(zhuǎn)的整個(gè)過程中，左拉板18帶動(dòng)左端SMA彈簧5繞固定板8上環(huán)形孔沿環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)，與右端發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)角，此過程中彈簧將受到拉伸及扭轉(zhuǎn)力的作用。而扭轉(zhuǎn)后，由于SMA彈簧本身就有的超彈性，將帶動(dòng)左拉板18與第二內(nèi)筒22自恢復(fù)到初始位置。在整個(gè)扭轉(zhuǎn)的過程中，拉桿11扭轉(zhuǎn)使其與外筒7沿環(huán)向發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)角，從而拉伸固定于預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)環(huán)板9上依次穿過外筒7、拉桿11的預(yù)應(yīng)力SMA絲10。扭轉(zhuǎn)后，由于SMA絲材料具有超彈性，使拉桿11自恢復(fù)到初始位置。在整個(gè)過程中SMA絲10、SMA彈簧5拉伸扭轉(zhuǎn)耗能，第二鉛塊20、第一鉛塊19沿環(huán)向受剪切屈服后產(chǎn)生塑性變形耗能。預(yù)應(yīng)力SMA絲及SMA彈簧不僅具有良好的高耗能特性，且分別負(fù)責(zé)兩套內(nèi)筒裝置的自復(fù)位，從而確保整個(gè)裝置在使用后能準(zhǔn)確復(fù)位。

本實(shí)用新型主要特點(diǎn)為，由于采用剪切型金屬鉛及SMA材料來消能減震高耗能使其具有穩(wěn)定性強(qiáng)，耐久性好、阻尼力可調(diào)節(jié)。裝置采用雙層鉛塊使得可調(diào)節(jié)的阻尼力提升。