专利名称：用于建筑结构的形状记忆合金阻尼器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种形状记忆合金阻尼器，属于建筑结构抗震、减振技术领域。
背景技术：
在建筑结构振动控制领域，使用耗能器减轻结构地震及风激动力反应的被动控制策略由于造价低、安装和维修方便、控制效果好、应用范围广等优点，得到了广泛的重视。然而，耐久性和耐腐蚀性是目前耗能器中普遍存在的问题。如粘弹性阻尼器易老化，粘滞阻尼器的维护，摩擦阻尼器在长期应用下的可靠性，软钢阻尼器的塑性变形无法恢复等问题。这些问题也是妨碍振动控制技术大面积推广的一个主要矛盾。
形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)是一种具有形状记忆、超弹性和阻尼特性的新型功能材料，利用形状记忆合金超弹性效应设计的被动耗能器与其他的金属耗能器相比，具有耐久性和耐腐蚀性能好，使用期限长，允许大变形并且变形可恢复等一系列优点。
国外，在1996年12月Proceedings of the 2ndInternational Workshop onStructural Control论文集中，《Exploiting SMA Bars in Energy Dissipators》一文中利用SMA丝的形状记忆效应制成耗能器，进行桥梁隔震。常温下使SMA构件处于马氏体状态，振动后通过加热SMA构件，利用其产生的恢复力使结构复位。
《地震工程与工程振动》，2003年2月，第23卷第一期《新型SMA耗能器及结构地震反应控制实验研究》一文公开了两种形状记忆合金耗能器，常温下SMA丝处于奥氏体状态，该耗能器构成是将SMA耗能器安装在结构层间使合金丝随结构振动产生拉伸弹塑性变形，消耗结构在地震作用下的振动能量，从而减小结构的振动。
这两种SMA耗能器的不足之处是仅利用了单组形状记忆合金丝材耗能，因而耗能能力受限。
《地震工程与工程振动》，2002年6月第22卷第3期《新型形状记忆合金阻尼器的实验研究》公开的另一种形状记忆合金阻尼器，常温下SMA丝处于奥氏体状态，该阻尼器构成是将两组形状记忆合金丝材相互平行置于金属筒体内，在将SMA丝安装在阻尼器之前，通过预拉伸使两组SMA丝处于相同的应力水平。其结构如图1。这种SMA阻尼器的不足之处是SMA丝内置，不利于对形状记忆合金丝材施加预应力，且丝材不易更换；同时两组丝材的并排放置，使得阻尼器的截面积明显增大，在很多实际工程中会因为体型宽大而受限制，影响实际应用。
发明内容
本实用新型的目的是为了克服现有技术中耗能器耗能能力受限，体型宽大，SMA丝材不易更换等问题，提供一种新型形状记忆合金阻尼器。
本实用新型的技术方案见图2，它包括有形状记忆合金丝，特征在于设置有左右布置的两组形状记忆合金丝1，在每组中至少有两根上下布置的形状记忆合金丝1，每根形状记忆合金丝1的一端侧通过夹紧块6与导向轴10连接，另一端侧绕过小轴11与可调整合金丝拉伸度的拉紧环5连接，导向筒置于上下布置的两根形状记忆合金丝1之间，导向轴10与在导向筒7内移动的导向杆8连接，整个装置的两个端部用法兰盘固定，导向杆8从法兰盘15的开口处伸出，并与其形成动配合。
这种用于建筑结构的形状记忆合金阻尼器，其特征在于所述的整个装置的两个端部的通用固定件可采用法兰盘固定，其中两端部形状记忆合金丝1各自的拉紧环5上的调节螺栓12、分别与法兰盘14及开有口的法兰盘15连接，并通过螺母13固定，导向螺钉9用于将调节螺栓12固定在法兰盘14和15上。法兰盘14与外连接装置16连接；导向杆8的伸出端与外连接装置16连接，外连接装置16与建筑物结构构件相连接。
以上技术方案的形状记忆合金阻尼器装置的两端通过连接装置16可连接在建筑结构产生相对位移的位置，如框架结构的层间或建筑梁柱节点处。其工作过程为设置在建筑物两个部件之间的阻尼器的外连接装置16两端发生移动时，导向杆8带动导向轴10在导向筒7内左右移动，通过夹紧块6连接，使一组SMA丝被拉伸，另一组收缩，SMA丝的拉应力也相应地增大或减小。由于SMA丝金相组织是奥氏体状态，在工作温度下具有超弹性性能，当加卸载的时候，同时受力的两组SMA丝提供稳定的阻尼力。阻尼器形成的阻尼作用，减小了建筑物两个部件之间产生的移动，实现建筑结构抗震、减振的目的。
这种用于建筑结构的形状记忆合金阻尼器中，通常采用奥氏体状态丝制作的形状记忆合金丝1，但也可以在奥氏体状态丝的位置上加上两组马氏体状态丝，按照两组奥氏体状态丝制作的形状记忆合金丝1的固定方式和位置设置。其原理为结构振动结束后，通过对马氏体状态丝的加热，使原有马氏体状态丝达到奥氏体状态，可带动结构恢复一部分位移，以实现对结构的智能控制。
本实用新型耗能能力强、能够对丝材精确施加预应力、截面积小、构造简单、工程应用面广泛。又由于形状记忆合金丝1外置在导向筒外，使得形状记忆合金丝的更换非常简单易行。
图1、现有技术的一种SMA阻尼器的结构图；图2、本实用新型的用于建筑结构的形状记忆合金阻尼器剖面图；图3、现有技术的两种耗能器向结构提供的控制力滞回模型图；图4、本实用新型SMA阻尼器向结构提供的控制力滞回模型图；图5、本实用新型SMA阻尼器性能试验所得位移——回复力曲线；图6、本实用新型SMA阻尼器在框架结构中应用示例简图1；图7、本实用新型SMA阻尼器在框架结构中应用示例简图2；图8、本实用新型SMA阻尼器在斜拉网架中的应用示例简图3。
图中1、形状记忆合金 2、内筒 3、外筒4、夹头 5、拉紧环 6、夹紧块7、导向筒 8、导向杆 9、导向螺钉 10、导向轴 11、小轴 12、调节螺栓 13、固定螺母 14、法兰盘 15、法兰盘16、外连接装置 17、SMA阻尼器 18、框架梁 19、框架柱 20、斜拉索 21、网架。
具体实施方式
本实用新型的实施根据图2，采用现有加工和装配技术制作。但在将SMA丝安装到阻尼器上之后，通过调节拉紧环5的螺栓12对SMA丝进行预拉伸，可精确调节所需预拉伸值。为了充分发挥SMA的超弹性性能，推荐拉伸至丝材最大拉应变的半值，即丝材处于超弹性平台的中点。导向螺钉9用于在对形状记忆合金丝1施加预应力时防止固定形状记忆合金丝1的拉紧环5发生扭转。
在该阻尼器中，选用的形状记忆合金丝直径按公知技术设定，本实施例中选择参数如下直径为1.00mm的NiTi合金丝，化学成分为Ti-51at％Ni，按常规工艺技术进行记忆合金材料的处理。材料在母相状态下的相变温度如表1中所示。考虑到记忆合金材料制成阻尼器后在土木工程结构中的工作温度，选定材料的特征温度Af＝-5℃。这样就可以保证材料在绝大多数情况下保持奥氏体状态，充分发挥其超弹性性能。阻尼器实际长度为500mm，记忆合金丝设计最大拉应变为6％，设计最大位移±4.5mm，预拉伸应变为3％。
表1NiTi记忆合金材料特征温度
按照阻尼器的工作原理进行理论分析所得阻尼器控制力滞回模型图如图4示。将本实施例的形状记忆合金阻尼器进行阻尼器伪动力性能试验测试，阻尼器在加卸载频率0.02Hz下的性能试验位移——回复力曲线如图5示。比较图4和图5可见，试验曲线与理论模型非常接近。
由于阻尼器的位移——回复力曲线所包络的面积大小反映了阻尼器所能耗散的能量的大小，面积越大，耗散的能量越大。比较图3和图4可见图4曲线的包络面积明显大于图3曲线，说明由两组SMA丝共同作用的本实用新型的阻尼器提供的阻尼力优于仅靠单组SMA丝作用的阻尼器。
本实用新型形状记忆合金阻尼器，在建筑结构中的安装示例简图如图6-图8所示，也可用于建筑结构中的其它类似位置。
权利要求1.一种用于建筑结构的形状记忆合金阻尼器，包括有奥氏体形状记忆合金丝，本实用新型的特征在于设置有左右布置的两组形状记忆合金丝(1)，在每组中至少有两根上下布置的形状记忆合金丝，每根形状记忆合金丝的一端侧通过夹紧块(6)与导向轴(10)连接，另一端侧绕过小轴(11)与可调整合金丝拉伸度的拉紧环(5)连接，导向筒置于上下布置的两根形状记忆合金丝之间，导向轴(10)与在导向筒(7)内移动的导向杆(8)连接，整个装置的两个端部用通用固定件固定，导向杆从其中的一个固定件的开口处伸出，并与其形成动配合。
2.根据权利要求1所述的一种用于建筑结构的形状记忆合金阻尼器，其特征在于所述的整个装置的两个端部的通用固定件可采用法兰盘固定，其中两端部形状记忆合金丝(1)各自的拉紧环(5)上的调节螺栓(12)、分别与法兰盘(14)及开有口的法兰盘(15)连接，并通过螺母(13)固定，导向杆(8)与法兰盘(15)形成动配合。
3.根据权利要求1所述的一种用于建筑结构的形状记忆合金阻尼器，其特征在于按照两组奥氏体状态丝制作的形状记忆合金丝(1)的固定方式和设置位置，加上两组马氏体状态丝制作的形状记忆合金丝。
专利摘要一种用于建筑结构的形状记忆合金阻尼器。其特征在于设置有上下布置的左右两组形状记忆合金丝，每根合金丝的一端侧通过夹紧块与导向轴连接，另一端侧与可调整合金丝应变值的拉紧环连接，导向筒置于上下布置的两根合金丝之间，导向轴与在导向筒内移动的导向杆连接，整个装置的两个端部用法兰盘固定，导向杆从其中的一个法兰盘的开口处伸出，并与其形成动配合。阻尼器通过外连接装置与建筑物结构构件相连接。当阻尼器发生移动时，连接在导向轴上的夹紧块带动两组记忆合金丝一组拉伸，一组收缩，提供了稳定的阻尼力来耗散结构振动能量，从而减小了建筑物两个部件之间产生的相对位移，达到了对建筑结构抗震、减振的目的。
文档编号E04B1/98GK2615225SQ0324679
公开日2004年5月12日 申请日期2003年4月25日 优先权日2003年4月25日
发明者薛素铎, 董军辉, 卞晓芳 申请人:北京工业大学