多层板式SMA‑压电复合摩擦阻尼器的制作方法

本发明属于土木工程结构减震控制领域，涉及一种多层板式sma-压电复合摩擦阻尼器，它对建筑结构在地震作用下的结构振动反应起到抑制作用。

背景技术：

结构耗能减震技术是在建筑结构的某些部位设置耗能装置，通过耗能装置产生摩擦、弯曲、变形来耗散或吸收地震输入结构中的能量，以减小主体结构地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震控制的目的。常用的耗能减震装置可以分为四种：粘弹性阻尼器、金属阻尼器、液体粘滞阻尼器和摩擦阻尼器。其中摩擦阻尼器构造简单、安装方便、耗能性好，且性能不受温度影响，是建筑结构中常用的一种耗能减震装置。但传统的摩擦阻尼器结构单一，无自复位能力，只能提供恒定的摩擦力，耗能效果不佳，而且当阻尼器的起滑摩擦力较大时，还会出现抱死现象，不能起到耗能减震的功能。压电陶瓷材料由于其独特的压电效应已广泛应用于结构振动控制领域，利用压电智能材料进行变摩擦阻尼器的开发与研制，已成为研究的一个热点。形状记忆合金(shapememoryalloy——缩写为sma)材料作为一种新型材料，具有耐久性、耐腐蚀性和自复位等优点，但单独的sma阻尼器耗能减震能力有限。

技术实现要素：

针对上述阻尼器中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种多层板式sma-压电复合摩擦阻尼器，其结合压电摩擦阻尼器和sma阻尼器，具有耗能能力强、减震效果好、构造简单、自复位和方便工程应用等特点。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多层板式sma-压电复合摩擦阻尼器，包括滑动轴1、第一左连接板2、n组滑动板、n+1组摩擦板、压电陶瓷驱动器5、4n+2组形状记忆合金丝、力传感器8、第一弹簧支座15、第一辅助弹簧16、第二弹簧支座17、第一右连接板20、第三弹簧支座21、第二辅助弹簧22、第四弹簧支座23、第二左连接板24和第二右连接板25，n≥3；

所述滑动轴1固定在所述第一左连接板2上；所述第一弹簧支座15安装固定在所述第一左连接板2上，所述第二弹簧支座17安装固定在所述第二左连接板24上；所述第一辅助弹簧16的一端安装固定在所述第一弹簧支座15上，其另一端安装固定在所述第二弹簧支座17上；所述第三弹簧支座21安装固定在所述第一右连接板20上，所述第四弹簧支座23安装固定在所述第二右连接板24上；所述第二辅助弹簧22的一端安装固定在所述第一右连接板20上，其另一端安装固定在所述第二右连接板24上；所述n组滑动板的每组滑动板3分别插在n+1组摩擦板中的两组摩擦板4之间，在与所述滑动板3接触的摩擦板4表面涂有摩擦材料10；所述滑动板3上有两个细长滑孔13对称于中心线，所述滑动板3的一端为t型结构，另一端设有两个第二钢板端部圆孔11-1；所述滑动板3的t型结构端嵌装在第二左连接板24上，另一端的两个第二钢板端部圆孔11-1固定二组第一形状记忆合金丝7的一端，二组第一形状记忆合金丝7的另一端穿过第二右连接板25通孔中的第一sma丝固定栓26通过第一有拉紧环的螺栓12连接固定在第一右连接板20上，所述第一有拉紧环的螺栓12能够调节第一形状记忆合金丝7的预拉力；所述摩擦板4的一端安装固定在第二右连接板25上，另一端的两个第一钢板端部圆孔11固定二组第二形状记忆合金丝7-1的一端，二组第二形状记忆合金丝7-1的另一端穿过第二左连接板24通孔中的第二sma丝固定栓26-1通过第二有拉紧环的螺栓12-1连接固定在第一左连接板2上，第二有拉紧环的螺栓12-1能够调节第二形状记忆合金丝7-1的预拉力；通过四组预紧螺栓9穿过每组滑动板3的细长滑孔13和每组摩擦板4上的螺栓孔14将滑动板3和摩擦板4紧固在一起；压电陶瓷驱动器5通过预紧螺栓9固定在顶部摩擦板的上部，通过调节压电陶瓷驱动器5的电压来改变预压力，进而改变滑动板3和摩擦板4的初始摩擦力；力传感器8通过预紧螺栓9固定在底部摩擦板的下部，通过调节力传感器8来精确的控制螺栓预紧力和滑动摩擦力；在第一右连接板20的外端连接固定有阻尼器安装连接螺栓孔。

本发明的工作过程：滑动轴1与第一左连接板2连接，第一辅助弹簧16压缩时，使第二左连接板24带动滑动板3滑动；通过第一辅助弹簧16带动与第二左连接板24连接的滑动板3，与摩擦板4进行摩擦耗能，第一、第二形状记忆合金丝7、7-1与摩擦板4同时进行耗能；通过调节压电陶瓷驱动器5的电压，控制电陶瓷驱动器5的伸缩，压电陶瓷驱动器5的横向伸缩挤压摩擦板4，转换成横向的压力，横向压力使滑动板3和摩擦板4产生横向的挤压，通过不同的压力来控制滑动摩擦力的大小。本发明阻尼器的第一、第二形状记忆合金丝7、7-1共分为2n+1组，每组的形状记忆合金丝施加相同的预拉力，随着滑动板3的滑动带动形状记忆合金丝的伸缩，利用其超弹性能实现耗能。每组形状记忆合金丝一端与有拉紧环的螺栓连接，另一端与滑动板3或摩擦板4端部的圆孔11连接，通过有拉紧环的螺栓的拉紧环调节形状记忆合金丝的预拉力。

本发明具有电致变形、响应时间快、驱动力大的特点。在本发明中应用多层摩擦板来实现摩擦耗能，并且与sma组合，耗能效果显著；安装简单，不需要大量的连接件；本发明中滑动板和摩擦板都连接有形状记忆合金丝，可以实现部分自复位效果；通过压电陶瓷驱动器调节摩擦板的接触正压力，能够满足不同强度地震的耗能要求；本发明中预紧力螺栓底部安装有力传感器，可以通过精确调节预紧力螺栓来消除螺栓应力松弛的不利影响。

本发明中，当振动发生时，首先形状记忆合金丝利用自身的相变伪弹性性能进行被动耗能，当振动更强时，形状记忆合金丝与压电陶瓷驱动器开始工作，此时，二者同时耗能，具有较强的减振能力。且形状记忆合金丝在耗能的同时也可起到复位功能。当断电时，压电陶瓷驱动器不能正常工作，而sma丝可以继续被动耗能来达到减振的目的。

相比于现有技术，本发明提供的一种多层板式sma-压电复合摩擦阻尼器具有这样的有益效果：

1、本发明改变传统单层板式摩擦阻尼器为多层板式摩擦阻尼器，将sma阻尼器和压电摩擦阻尼器结合，摩擦耗能效果显著，解决了传统摩擦阻尼器耗能效果低的缺陷；构造简单，加工方便，耗能能力强，不需要大量的连接件，并有自复位效果。

2、本发明将sma阻尼器与压电摩擦阻尼器复合使用，通过辅助弹簧和sma材料的性能使阻尼器具有自复位效果；

3、本发明电陶瓷驱动器和力传感器通过预紧螺栓固定在阻尼器的上部和下部，通过压电陶瓷驱动器改变滑动摩擦力，以精确控制预紧力与滑动摩擦力，能够满足不同耗能的要求。

4、本发明解决了传统摩擦阻尼器在实际应用中构造复杂和施工不方便的问题。本发明可通过人字形支撑，连接到建筑结构中，能够更有效地应用于结构的耗能减震控制中。

附图说明

图1是本发明的实体外观示意图；

图2是阻尼器的顶部俯视示意图；

图3是阻尼器的底部仰视示意图；

图4是阻尼器的右侧面示意图；

图5是阻尼器的a-a剖面结构示意图；

图6是阻尼器中滑动板的主视图；

图7是阻尼器中滑动板的底部仰视示意图；

图8是阻尼器中摩擦板的主视图；

图9是阻尼器中摩擦板的底部仰视示意图；

图10是工程中阻尼器的人字型连接。

图中：1—滑动轴；2—第一左连接板；3—n组滑动板；4—n+1组摩擦板；5—压电陶瓷驱动器；6—阻尼器安装连接螺栓孔；7—第一形状记忆合金丝；7-1—第二形状记忆合金丝；8—力传感器；9—预紧螺栓；10—滑动板与摩擦板之间的摩擦材料；11—第一钢板端部圆孔；11-1—第二钢板端部圆孔；12—第一有拉紧环的螺栓；12-1—第二有拉紧环的螺栓；13—滑动板上的细长滑槽；14—摩擦板上的螺栓孔；15—第一弹簧支座；16—第一辅助弹簧；17—第二弹簧支座；18—第一凸起圆台；19—第二凸起圆台；20—第一右连接板；21—第三弹簧支座；22—第二辅助弹簧；23—第四弹簧支座；24—第二左连接板；25—第二右连接板；26—第一sma丝固定栓；26-1—第二sma丝固定栓；27—框架梁；28—阻尼器；29—框架柱；30—节点板；31—刚性杆件；32—高强度螺栓。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种多层板式sma-压电复合摩擦阻尼器，如图1—4所示，包括滑动轴1、第一左连接板2、3组滑动板、4组摩擦板、压电陶瓷驱动器5、8组形状记忆合金丝、力传感器8、第一弹簧支座15、第一辅助弹簧16、第二弹簧支座17、第一右连接板20、第三弹簧支座21、第二辅助弹簧22、第四弹簧支座23、第二左连接板24和第二右连接板25；

如图4所示，所述滑动轴1焊接固定在所述第一左连接板2上，所述第一左连接板2上设有第一凸起圆台18，所述第一凸起圆台18与第一左连接板2为一体结构，第一左连接板2上设有连接螺栓孔，如图7所示；所述第一弹簧支座15安装固定在所述第一左连接板2上，所述第二弹簧支座17安装固定在所述第二左连接板24上，所述第一辅助弹簧16的一端安装固定在所述第一弹簧支座15上，其另一端安装固定在所述第二弹簧支座17上；所述第三弹簧支座21安装固定在所述第一右连接板20上，所述第四弹簧支座23安装固定在所述第二右连接板24上，所述第二辅助弹簧22的一端安装固定在所述第一右连接板20上，其另一端安装固定在所述第二右连接板24上；所述第一弹簧支座15和第二辅助弹簧22用于滑动板3和摩擦板4的定位和形状记忆合金丝7的自复位；所述第一右连接板20上设有连接螺栓孔，所述第一右连接板20上设有第二凸起圆台19，所述第二凸起圆台19与第一右连接板20为一体结构，如图9所示；所述3组滑动板的每组滑动板3分别插在4组摩擦板中的两组摩擦板4之间，在与所述滑动板3接触的摩擦板4表面涂有摩擦材料10；如图6所示，所述滑动板3上有两个细长滑孔13对称于中心线，在所述滑动板3的一端为t型结构，另一端设有两个第二钢板端部圆孔11-1；所述滑动板3的t型结构端嵌装在第二左连接板24上，另一端的两个第二钢板端部圆孔11-1固定二组第一形状记忆合金丝7的一端，二组第一形状记忆合金丝7的另一端穿过第二右连接板25通孔中的第一sma丝固定栓26通过第一有拉紧环的螺栓连接12固定在第一右连接板上，所述第一有拉紧环的螺栓12能够调节第一形状记忆合金丝7的预拉力；所述摩擦板4的一端安装固定在第二右连接板25上，另一端的两个第一钢板端部圆孔11固定二组第二形状记忆合金丝7-1的一端，二组第二形状记忆合金丝7-1的另一端穿过第二左连接板24通孔中的第二sma丝固定栓26-1通过第二有拉紧环的螺栓12-1连接固定在第一左连接板2上，第二有拉紧环的螺栓12-1能够调节第二形状记忆合金丝7-1的预拉力；随着滑动板3的滑动带动第二形状记忆合金丝7-1的伸缩，利用其超弹性能实现耗能；通过第二有拉紧环的螺栓12-1的拉紧环调节第二形状记忆合金丝7-1的预拉力，来实现阻尼器的自复位功能；本发明通过控制滑动板3与摩擦板4压力的大小，来实时调整滑动摩擦力的大小；

如图1、图4-6和图8所示，通过四组预紧螺栓9穿过每组滑动板3的细长滑孔13和每组摩擦板4上的螺栓孔14将滑动板3和摩擦板4紧固在一起；压电陶瓷驱动器5通过预紧螺栓9固定在顶部摩擦板的上部，通过调节压电陶瓷驱动器5的电压来改变预压力，进而改变滑动板3和摩擦板4的初始摩擦力；力传感器8通过预紧螺栓9固定在底部摩擦板的下部，通过调节力传感器8来精确的控制螺栓预紧力和滑动摩擦力；根据减震性能的要求，通过调节压电陶瓷驱动器5来实时地改变滑动摩擦力；在第一右连接板20的外端连接固定有阻尼器安装连接螺栓孔6。

具体地，当振动发生时，首先第一、第二形状记忆合金丝7、7-1利用自身的相变伪弹性性能进行被动耗能，当振动更强时，第一、第二形状记忆合金丝7、7-1与压电陶瓷驱动器5开始工作，此时，二者同时耗能，具有较强的减振能力。且第一、第二形状记忆合金丝7、7-1在耗能的同时也可起到复位功能。通过力传感器8来改变预压力，进而改变滑动板3与摩擦板4的初始摩擦力。调节外部电压可以改变压电陶瓷驱动器5的出力，从而实时调整本发明的控制力以实现半主动控制。当断电时，压电陶瓷驱动器5不能正常工作，而阻尼器中的第一、第二形状记忆合金丝7、7-1可以继续被动耗能来达到减振的目的。

本发明的工作过程是：

滑动轴1与第一左连接板2连接，通过第一辅助弹簧16带动与第二左连接板24连接的滑动板3，与摩擦板4进行摩擦耗能。通过调节压电陶瓷驱动器5的电压，控制电陶瓷驱动器5的伸缩，压电陶瓷驱动器5的横向伸缩挤压摩擦板，转换成横向的压力，横向压力使滑动板3和摩擦板4产生横向的挤压，通过不同的压力来控制滑动摩擦力的大小。每组形状记忆合金丝一端与有拉紧环的螺栓连接，另一端与滑动板3或摩擦板4端部的钢板端部圆孔连接，随着滑动板3的滑动带动形状记忆合金丝的伸缩，利用其超弹性能实现耗能。通过螺栓的拉紧环调节形状记忆合金丝的预拉力，来实现阻尼器的自复位功能。第一辅助弹簧16通过第二弹簧支座17与滑动板3连接，第二辅助弹簧22通过第四弹簧支座23与摩擦板4连接，用于安装时板的定位和辅助形状记忆合金丝的自复位。本阻尼器通过控制滑动板3与摩擦板4压力的大小，来实时调整滑动摩擦力的大小。

在实际工程结构中，本发明可以按照图10的方式进行连接。在图10中，本发明和钢支撑一起布置在结构中，刚性杆通过大强度螺栓与预埋在框架中的节点板连接。当结构在地震作用下发生侧移振动时,人字形支撑则直接产生与结构位移反向的水平阻尼力，并通过人字支撑将力传至该层下角部。