一種高耗能大變形緩沖裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種土木工程裝置，具體涉及一種高耗能大變形緩沖裝置，為結(jié) 構(gòu)體在減震、防沖擊時使用，屬于防災(zāi)減災(zāi)工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工程結(jié)構(gòu)體受到地震荷載或沖擊荷載時，為了防止結(jié)構(gòu)體的損壞對人民生命和 財產(chǎn)造成損失，需采取一定的防護措施。一般工程手段除了采取增強結(jié)構(gòu)體本身強度、優(yōu)化 結(jié)構(gòu)設(shè)計的措施外，采用緩沖減震措施能夠較好的減輕工程結(jié)構(gòu)體的損壞。目前在土木工 程與防災(zāi)工程中，有很多方法措施對結(jié)構(gòu)體進行隔震和緩沖，如建筑物的基礎(chǔ)隔震裝置以 及各種工程阻尼裝置，土木工程阻尼裝置的原理更是多種多樣，有摩擦阻力式、塑性變形阻 力式、粘性阻力式等。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)方案中，如一種大變形大噸位復(fù)合粘彈性阻尼器，是由常用的大變形粘 彈性阻尼器和鉛擠壓阻尼器相結(jié)合而構(gòu)成，中間是大變形粘彈性阻尼器，四周對稱布置多 個鉛擠壓阻尼器，各阻尼器的上部分分別于上鋼板連接，各阻尼器的下部分分別于下鋼板 連接，使所有阻尼器連接成一個整體。這種發(fā)明特點是克服了粘彈性阻尼器和金屬阻尼器 的缺點，粘彈性阻尼器的變形相對較小，而金屬阻尼器的滯變性，具有耗能大、變形大的特 點。但其結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，實際制造較為繁瑣，尤其是多層粘彈性阻尼器的制造較為繁 瑣，且可靠性較差；且鉛擠壓阻尼器的阻尼力在往復(fù)荷載的多次擠壓摩擦下會發(fā)生衰減， 在高應(yīng)力往復(fù)摩擦下產(chǎn)生的溫度容易使鉛因熔點低而易液化，從而使得阻尼力逐漸減小甚 至失效；且鉛有毒，鉛碎肩可能會污染地下水源。
[0004] 此外，流體阻尼器是本領(lǐng)域研宄和應(yīng)用較廣的一種工程阻尼裝置。流體阻尼器具 有很多種，不僅僅用在土木工程中，在機械、交通等領(lǐng)域也有廣泛使用。流體阻尼器的原理 是利用流體的粘滯性和流體的液壓力作為阻尼力。具有阻尼力均勻，緩和，且變形范圍較 大的優(yōu)點，在應(yīng)對機械震動和沖擊時優(yōu)勢突出；流體阻尼器的阻尼力一般來自粘性流體對 運動活塞的粘滯力和液壓力，通過增加缸體流體流動速率以及接觸表面的粗糙度能夠增加 粘性流體對活塞的粘滯力，而液壓力通常通過液壓閥和液壓泵來控制液體作用在活塞上的 力。但大多數(shù)流體的粘滯性都相對很小，在土木工程中高達上千、萬噸的荷載作用下，流體 阻尼器所能提供的阻尼力是可以忽略的；且由于結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，生產(chǎn)難度、使用難度都很 高，在如缸體的密封性、液壓控制機構(gòu)、泵體安裝等會有較大的難度和局限性。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 本實用新型針對現(xiàn)有阻尼裝置的性能的局限性和復(fù)雜度較高的缺陷，提供了一種 利用金屬塑性變形產(chǎn)生阻尼力的高耗能大變形緩沖裝置，主要構(gòu)成包括：外殼1、形狀記憶 合金圈2、滑槽3、梭形爪4、損耗層5和活動桿6 ;裝置兩端有鉸接孔，用以和其他結(jié)構(gòu)連接， 整體呈桿柱狀；形狀記憶合金圈由截面為長方形的形狀記憶合金帶圍繞而成；外殼內(nèi)部有 與滑槽數(shù)量相對應(yīng)數(shù)量的隔斷將滑槽和梭形爪均勻間隔開，每個隔斷有空隙，形狀記憶合 金帶與所述空隙等寬，空隙對形狀記憶合金圈具有約束限位作用，使其能夠向徑向內(nèi)部運 動，并承受在軸向的作用力，形狀記憶合金帶從這些空隙貼著表面A 7穿過并繞一圈，形狀 記憶合金圈與表面B 8之間有預(yù)留空間，該預(yù)留空間的厚度與損耗層厚度加形狀記憶合金 圈的最大徑縮距離之和相匹配；在隔斷外，由外向內(nèi)依次安放形狀記憶合金圈、滑槽、梭形 爪、損耗層和活動桿；滑槽內(nèi)表面呈弧形凹面，在滑槽外表面上有一與形狀記憶合金圈內(nèi)表 面相匹配的凹槽，凹槽底面的弧面的軸線方向與滑槽內(nèi)表面弧形凹面的軸線方向正交，形 狀記憶合金圈貼著表面A、覆蓋在滑槽外表面的凹槽上，將滑槽箍住；梭形爪4為梭形，外表 面呈圓弧形，與滑槽3的內(nèi)表面的曲率相吻合，使得滑槽通過圓弧形滑面對梭形爪有向徑 向內(nèi)的擠壓力和運動方向相反的推力，梭形爪另一表面具有齒狀凸起，兩端齒狀凸起方向 均朝向中心，該齒狀凸起對損耗層5的擠壓力可使得裝置的起動力達到工程設(shè)計需要值； 損耗層在活動桿的相應(yīng)預(yù)留位置處緊緊貼附；活動桿、損耗層與外殼表面C之間有間隙，可 允許活動桿帶著損耗層在外殼內(nèi)部的軸向自由滑動。
[0006] 根據(jù)工程優(yōu)化設(shè)計：
[0007] 通?；蹟?shù)量為5~9個為宜；滑槽的長度Lh是其內(nèi)弧面的弦長L1JA I. 1~1. 2 倍，寬度Bh是其內(nèi)弧面寬度B hl的1. 2~1. 4倍，厚度H h是內(nèi)表面弧面高度H hl的1. 5倍；滑 槽外表面中部凹槽的長度Lh2為滑槽長度L h的0. 4~0. 8倍，與形狀記憶合金帶的寬度L hj 相匹配，凹槽底面呈弧形，其半徑Rhl與形狀記憶合金圈的內(nèi)表面半徑Rhj相匹配；梭形爪的 圓心角為60°~120° ;梭形爪的長度Ls是滑槽長度Lh的1. 2倍。
[0008] 對于形狀記憶合金圈的選材，除了應(yīng)選擇較大變形范圍，較強恢復(fù)應(yīng)力的材料之 外，對于其相變溫度，也應(yīng)該有所選取，如在建筑物基礎(chǔ)抗震中，由于振動持續(xù)時間可能為 幾十秒到數(shù)百秒，因此應(yīng)該選擇相變溫度相對較高的形狀記憶合金，一般可取相變溫度在 300°C到500°C之間的材料；對于支擋結(jié)構(gòu)，由于受到?jīng)_擊大，單次時間短，因此選擇相變溫 度在70°C到120°C的材料。
[0009] 本實用新型所述的外殼和活動桿均可采用類似鋼材等工程領(lǐng)域常用的承載材料； 形狀記憶合金圈為大變形形狀記憶合金，如鎳鈦合金等；滑槽和梭形爪采用硬質(zhì)合金；損 耗層為具有較低屈服點、高延展性、熔點高的物質(zhì)，如鋁、銅、鋅等，優(yōu)選銅。
[0010] 本實用新型的高耗能大變形緩沖裝置，在裝置的兩端通過鉸接與工程結(jié)構(gòu)物相連 接，其工作過程及原理如下：
[0011] (1)由于裝置通過鉸接連接，所以其受力為軸向力，變形也是軸向的伸長或縮短， 活動桿與損耗層一體，并可以在裝置外殼內(nèi)部的軸向滑移。
[0012] (2)活動桿與損耗層在軸向滑移時，由于梭形爪緊緊壓在損耗層的表面，其齒狀凸 起陷入損耗層中，使得損耗層在滑移時發(fā)生塑性變形，活動桿與損耗層在滑移時受到運動 阻力，從而產(chǎn)生阻尼力。
[0013] (3)梭形爪為梭形，外表面呈圓弧形，與滑槽的內(nèi)表面弧度相吻合，活動桿與損耗 層運動時對梭形爪有軸向滑移力和徑向擴展力，使得梭形爪有向活動桿同向的運動趨勢， 而由于滑槽對梭形爪的約束，通過圓弧形滑面對梭形爪有向徑向內(nèi)的擠壓力和運動方向相 反的推力；因此梭形爪會緊緊作用在損耗層上，無論裝置內(nèi)部活動桿相對外殼的運動方向 是拉伸還是壓縮。
[0014] (4)滑槽整體呈長方體，形狀記憶合金圈通過滑槽外表面上的凹槽將滑槽卡住，以 使滑槽可受到形狀記憶合金圈徑向的作用，同時，滑槽外形與外殼內(nèi)部的形狀相匹配，在外 殼和形狀記憶合金圈對滑槽的約束下，只允許滑槽在徑向方向有一定的滑移。如此設(shè)計是 為了 ：當損耗層在經(jīng)歷一定的運動后，其表面會磨損掉一定的厚度，損耗層與滑槽之間的距 離會增大，雖然梭形爪在活動桿的運動中仍會咬緊損耗層，但是在運動方向發(fā)生改變時會 有一段運動距離是不受滑槽對其擠壓力的，因此滑槽在形狀記憶合金圈的箍力的作用下能 夠在徑向發(fā)生一定的移動，使得梭形爪緊緊擠壓在活動桿表面的損耗層中，從而降低了金 屬阻尼裝置的阻尼力的滯變性。
[0015] (5) -定數(shù)量的滑槽與梭形爪呈現(xiàn)圓周陣列，且滑槽外部有形狀記憶合金圈緊緊 箍住滑槽，將滑槽、梭形爪都緊緊擠壓在損耗層上。安裝在裝置中的形狀記憶合金圈具有以 下特點：形狀記憶合金在變相溫度Ms下（此時為材料分析構(gòu)型為馬氏體）受到安裝前的外 力張拉產(chǎn)生一定變形，使得直徑擴大到設(shè)計值，在其溫度升高到變相溫度時，形狀記憶合金 的分子構(gòu)型由馬氏體向奧氏體發(fā)生不可逆的轉(zhuǎn)變，同時形狀記憶合金在變相溫度下產(chǎn)生的 塑性變形逐漸恢復(fù)，記憶合金圈的直徑逐漸縮短。記憶合金具有力學(xué)性能優(yōu)良、形狀恢復(fù)力 高、質(zhì)量較輕等優(yōu)點，因此，裝置中形狀記憶合金圈選用變相溫度高于環(huán)境溫度的記憶合金 材料制成，在裝置的安裝制作時，形狀記憶合金圈在其變相溫度Ms下張拉到可恢復(fù)變形的 最大周長范圍內(nèi)，且直徑尺寸和外殼內(nèi)部預(yù)留直徑尺寸相匹配，當安裝在工程結(jié)構(gòu)中的裝 置受到動荷載達到設(shè)計大小時，活動桿和損耗層整體發(fā)生相對外殼的運動，損耗層會因梭 形爪之間摩擦產(chǎn)生大量的熱量，熱量傳遞至形狀記憶合金圈中