一种绳索式自复位形状记忆合金隔震减震支座的制作方法与工艺

本发明涉及一种隔震减震支座，特别是一种绳索式自复位形状记忆合金隔震减震支座，属于建筑结构和机械工程技术领域。

背景技术：
近年来，隔震减震支座广泛地应用于各种建筑、机械、航空航天、交通运输、体育器材等重要的标志性结构领域中，对此类高性能支座所选用的材料、设计技术和制造工艺都非常关键。针对隔震减震支座，国内外采用的形式可分为两大类：橡胶支座和滑移隔震支座。其中，天然夹层橡胶支座具有较大的竖向刚度，承受建筑物的重量时竖向变形小，竖向的隔震减震效果很差，而水平刚度较小，且线性性能好，由于天然夹层橡胶支座的阻尼很小，不具备足够的耗能能力，所以在结构使用中一般同其它阻尼器或耗能设备联合使用。而发展前景较好的铅芯隔震橡胶支座尽管具有较理想的竖向刚度，且本身具有一定消耗地震能量的能力，但其安全性、耐久性和长期稳定性有待提高，特别是震后结构复位能力却很差；滑移隔震支座通过相对滑移运动和摩擦耗能而有效限制地震能量向上部传递和向下部反馈，该方法受力可靠，施工难度不大，并可考虑钢件的防锈、损坏更换问题，但其最大的不足是需额外配置复位机构装置，否则震后结构无法复位。由以上可知，作为隔震减震支座的重要参数，其阻尼耗能特性和可恢复变形能力的强弱问题，一直是工程结构抗震领域中的难点，同时工程上现有的一些支座在应用中体现出一些局限性：例如老化和耐久性的问题、长期工作的可靠性、在强地震后的更新和替换问题以及在强地震后无法恢复等等，因此，铅芯隔震橡胶支座或用新材料加固后支座、天然夹层隔震橡胶支座、简单的普通金属支座和滑移支座等传统的隔震减震方法都难以实现多向智能自复位隔震减震的控制。2007年7月11日公告的中国专利“混合型形状记忆合金阻尼器”（专利号：ZL200620200532.0，公告号：CN2921137Y），2008年2月27日公告的中国专利“自复位超弹性形状记忆合金阻尼器’（专利号：ZL200720011605.6，公告号：CN201027352Y），2008年4月23日公告的中国专利“多维超弹性形状记忆合金阻尼器”（专利号：ZL200720011607.5，公告号：CN201050121Y），2010年2月24日公开的中国专利“形状记忆合金自复位形变耗能阻尼器”（专利号：ZL200910011327.8，公开号：CN101654935AY），以及2012年6月20日公开的中国专利“多向六圆台筒形状记忆合金阻尼器”（申请号：201110318312.3，公开号：CN102505768A）等阻尼器所采用的新材料都是形状记忆合金，目前，为了避免这类支座应用中的局限性，解决的方法之一就是寻找新材料进行重新设计，在2010年4月14日公布的中国专利“一种用于制作工程结构减振装置的镍钛基形状记忆合金”(专利号：ZL200910036260，公告号：CN101693964中，技术方案中所采用新材料就是镍钛基形状记忆合金，结构简单，抗震效果显著，但是适用范围较窄，且造价过高；在2013年3月20日公告的中国专利“用于大跨度空间结构（网架）的智能隔震减震镍钛合金支座”(专利号：ZL201210562576，公告号：CN102979181)，该装置所采用材料也是镍钛基形状记忆合金，单只有竖直方向的自复位能力，从而无法做到多向的隔震减震，且用途较为单一，没有广泛的市场。

技术实现要素：
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种绳索式自复位形状记忆合金隔震减震支座，结构简单，在具有竖向方向的自复位能力的同时，具备了横向方向的自复位能力，且两者合理的结合，提高支座多向隔震减震的消能稳定性的同时，做到了多向的隔震减震；且用途广泛，既可以单独作为抗拉压阻尼器使用，又可以单独作为抗剪阻尼器使用。为了实现上述目的，本发明提出一种绳索式自复位形状记忆合金隔震减震支座，包括竖向抗震缸筒、竖向抗震活塞和普通偏置弹簧，竖向抗震缸筒顶部开有圆形通孔，底部焊接有安装法兰，竖向抗震活塞和普通偏置弹簧设置在竖向抗震缸筒中；在上述结构的基础上，结构中增加了横向抗震缸筒、横向抗震滑道、连接杆、横向抗震合金丝绳、竖向抗震合金丝绳和固定立柱；其中，横向抗震滑道为杯盖状，中心位置安装有固定立柱，固定立柱上方焊接有圆形挡板，横向抗震缸筒套在固定立柱外侧，，横向抗震缸筒上方焊接有连接法兰，连接法兰内径小于圆形挡板的直径，同时，横向抗震缸筒与固定立柱通过多根横向抗震合金丝绳连接，横向抗震合金丝绳沿固定立柱外径圆周均匀布置，每根横向抗震合金丝绳的一端通过活动夹头固定在固定立柱上，另一端通过固定夹头连接在缸筒的内筒壁处；连接杆焊接在横向抗震滑道底部，并穿过竖向抗震缸筒上开的圆孔与竖向抗震活塞连接，竖向抗震活塞上下两侧分别通过两组竖向抗震合金丝绳与竖向抗震缸筒的上下两缸盖相连，竖向抗震合金丝绳设置多根，沿着竖向抗震缸筒内壁圆周均布，每一根竖向抗震合金丝绳的一端通过活动夹头固定在竖向抗震活塞的一侧，另一端用固定夹头连接在缸筒缸盖的一侧；普通偏置弹簧一端设置在竖向抗震活塞下端，另一端设置在竖向抗震缸筒内部底面。进一步，横向抗震合金丝绳设置三根，沿固定立柱外径圆周均匀布置。进一步，横向抗震合金丝绳设置五根，沿固定立柱外径圆周均匀布置。进一步，横向抗震合金丝绳设置四根，沿固定立柱外径圆周均匀布置。进一步，横向抗震合金丝绳设置六根，沿固定立柱外径圆周均匀布置。进一步，竖向抗震缸筒内壁、对应竖向抗震活塞安装位置处沿圆周处均匀布置多个凸起的定向光滑滑道。进一步，还包括万向滑轮，万向滑轮设置多个，匀布固定安装在横向抗震缸筒的最下端横截面上。对比现有的隔震减震支座，本发明在支座中同时设计了横向抗震装置和竖向抗震装置，在支座横向震动波通过多根横向抗震合金丝绳由固定立柱传到横向抗震缸筒上，横向抗震缸筒作往复平移运动中，多根横向抗震合金丝绳交替进行拉伸与回缩变化，提供了较大的滞回耗能以及回复力；同时，竖向震动波将通过竖向抗震合金丝绳由竖向抗震缸筒的缸盖传到竖向抗震活塞上，且竖向抗震活塞作往复上下平移运动中，上下对称设置的两组竖向抗震合金丝绳和普通偏置弹簧均交替进行拉伸与回缩变形，使竖向抗震合金丝绳和普通偏置弹簧在发生超弹性和弹性变形的过程中，消耗了大量的震动能量并伴随足够的回复力出现，从而做到了多向的隔震减震，且在原有结构具有竖向方向的自复位能力的同时，具备了横向方向的自复位能力；同时，本专利的隔震减震支座可以使用在建筑结构中，也可以单独作为抗拉压阻尼器使用，又可以单独作为抗剪阻尼器使用，具有广泛的市场前景。附图说明图1为本发明的结构示意图；图2为图1中A-A向截面的结构示意图：图3是横向抗震缸筒的结构示意图；图4是横向抗震滑道的结构示意图；图5是竖向抗震活塞的结构示意图；图6是竖向抗震缸筒的结构示意图；图7为本发明在万能试验机平台上进行单向拉伸试验的试验数据图；图8为本发明在万能试验机平台上进行单向扭转试验的试验数据图；图9为本发明在万能试验机平台上进行拉扭组合试验的试验数据图；图10为镍钛合金丝拉伸试验的应变量和回复力之间的曲线图；图11为普通阻尼器和本发明阻尼器分别安装在某一结构的抗震支撑处对一多向震动波应力响应情况的示意图；图12为普通阻尼器和本发明阻尼器分别安装在某一结构的抗震支撑处对一多向震动波位移响应情况的示意图。图中：1、横向抗震缸筒，2、横向抗震滑道，3、连接杆，4、竖向抗震缸筒，5、竖向抗震活塞，6、普通偏置弹簧，7、横向抗震合金丝绳，8、竖向抗震合金丝绳，9、万向滑轮，10、固定夹头，11、活动夹头，12、定向光滑滑道，13、固定立柱，14、固定法兰，15、挡板。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示，一种绳索式自复位形状记忆合金隔震减震支座，包括竖向抗震缸筒4、竖向抗震活塞5和普通偏置弹簧6，如图6所示，竖向抗震缸筒4顶部开有圆形通孔，底部焊接有固定法兰14，如图5所示，竖向抗震活塞5为一块原板，开有一圈圆形通孔，和普通偏置弹簧6设置在竖向抗震缸筒4中；在上述基础上，包括横向抗震缸筒1、横向抗震滑道2、连接杆3、竖向抗震缸筒4、竖向抗震活塞5、普通偏置弹簧6、横向抗震合金丝绳7、竖向抗震合金丝绳9和固定立柱13；其中，如图4所示，横向抗震滑道2为杯盖状，中心位置安装有固定立柱13，固定立柱13上方焊接有圆形挡板15，横向抗震缸筒1套在固定立柱13外侧，如图3所示，横向抗震缸筒1上方焊接有连接法兰，连接法兰内径小于圆形挡板15的直径，横向抗震缸筒1与固定立柱13通过多根横向抗震合金丝绳7连接，横向抗震合金丝绳7沿固定立柱13外径圆周均匀布置，每根横向抗震合金丝绳7的一端通过活动夹头11固定在固定立柱13上，另一端通过固定夹头10连接在缸筒的内筒壁处；连接杆3焊接在横向抗震滑道2底部，并穿过竖向抗震缸筒4上开的圆孔与竖向抗震活塞5连接，竖向抗震活塞5上下两侧分别通过两组竖向抗震合金丝绳8与竖向抗震缸筒4的上下两缸盖相连，竖向抗震合金丝绳8设置多根，沿着竖向抗震缸筒4内壁圆周均布，每一根竖向抗震合金丝绳8的一端通过活动夹头11固定在活塞的一侧，另一端用固定夹头10连接在缸筒缸盖的一侧；普通偏置弹簧6一端设置在竖向抗震活塞5下端，另一端设置在竖向抗震缸筒4内部底面。作为本发明进一步的改进，横向抗震合金丝绳7设置三根，也可以设计为五根，沿固定立柱13外径圆周均匀布置。上述设计，横向抗震合金丝绳7与固定立柱13的连接点的连线为一个基数边的多边形，从而起到了稳固的作用。同样，横向抗震合金丝绳7设置四根，也可以设计为六根，横向抗震合金丝绳7对称分布，同样起到了稳固的作用。作为本发明进一步的改进，如图2所示，竖向抗震缸筒4内壁、对应竖向抗震活塞5安装位置处沿圆周处均匀布置多个凸起的定向光滑滑道12，限制了竖向抗震活塞5在竖向抗震缸筒4内作定轴转动，使竖向抗震活塞5只能在竖向抗震缸筒4内沿着滑道方向作往复平移运动，增强减震的效果。作为本发明进一步的改进，装置中还包括万向滑轮9，万向滑轮9设置多个，匀布固定安装在横向抗震缸筒1的最下端横截面上，从而确保在工作时，横向抗震缸筒1作往复平移运动更加的顺畅。在工作过程中，收到震动时，支座横向震动波通过多根横向抗震合金丝绳7由固定立柱13传到横向抗震缸筒1上，横向抗震缸筒1作往复平移运动中，多根横向抗震合金丝绳7交替进行拉伸与回缩变化，提供了较大的滞回耗能以及回复力；同时，竖向震动波将通过竖向抗震合金丝绳8由竖向抗震缸筒4的缸盖传到竖向抗震活塞5上，且竖向抗震活塞5作往复上下平移运动中，上下对称设置的两组竖向抗震合金丝绳8和普通偏置弹簧6均交替进行拉伸与回缩变形，使竖向抗震合金丝绳8和普通偏置弹簧6在发生超弹性和弹性变形的过程中，消耗了大量的震动能量并伴随足够的回复力出现，实验1：将上述制作的绳索式自复位形状记忆合金隔震减震支座，安装在万能试验机上，进行三类简单的加载和卸载试验：一是单向拉压试验，试验数据(如图7)；二是单向剪切试验，试验数据(如图8)；三是拉剪组合试验，试验数据(如图9)。图7-图9，给出了本发明支座，在加载和卸载的情况下，外载荷与位移之间的关系曲线。由图7-图9可以看出，由于加载和卸载循环载荷的影响，导致了支座的外力-位移曲线明显地呈现出一典型的滞后闭合曲线(迟滞环)，然而该曲线在加载/卸载过程并没有展现出明显的(应)力平台，其原因是支座中的合金丝仅仅有很少的一部分发生了马氏体相变转变，而大部分材料仍处于弹性变形的状态。尽管如此，合金丝也明显地表现出了良好的消能特性，具有优良的耗能迟滞环和高恢复(或回复)能力，并且迟滞环随外载荷的增加而增大。图10是镍钛合金丝的拉伸试验的应变量和回复力之间的曲线，合金丝经过适量拉伸后回复力可以达到620Mpa以上，当合金丝的应变量达到10﹪左右时，合金丝可产生约680Mpa回复力，由此可见此类支座的自复位能力很强。实验2：将上述制作的绳索式自复位形状记忆合金隔震减震支座，安装在某一结构的抗震支撑处，隔震减震效果很好。如图11示意了普通抗震支座，在某一结构的抗震支撑处，对一多向震动波位移和应力响应的情况，从所得数据看出普通支座的隔震减震效果较差，主要原因有两个：一是普通抗震支座的自恢复能力很差，二是阻尼消能能力弱；图12示意了安装本发明合金隔震减震支座后，支撑处对多向震动波响应的隔震减震情况，可以看到此支座的消能效果很好，且隔震减震的耐久性和稳定性较高，由于横向和竖向合金丝绳的超弹性作用，在很大的变形范围内合金丝绳的变形将在支座震动回复到平衡位置时恢复，此过程同时耗散了工程构件在使用过程中引起的机械能，减震效果良好。经过对比图11可以揭示出，在多向震动波作用下，安装普通支座支撑处的最大位移和应力响应极值分别达到15.0cm和80Mpa，而对于安装本发明支座支撑处的最大位移和应力响应极值分别仅为3.5cm和25Mpa，约是前者的三分之一，同时比较两者的响应曲线可以看到，普通支座支撑处的位移响应曲线，以远离平衡位置(支座位移为零)一定位移的基础上发生波动变化，同时相邻时刻间位移和应力变化较大，而安装本发明支座支撑处的位移响应曲线波动则围绕平衡(支座位移为零)位置发生变化，这说明此支座自动恢复能力强，同时位移和应力波动变化很小，即相邻时刻间位移和应力变化较小，延缓并降低了震动波的危害，这进一步表明，利用镍钛材料的超弹性效应和高阻尼特性以及结构的设计特点，可以较大程度地抑制结构在多向震动波下的响应。综上所述，采用新材料形状记忆合金进行结构重新设计，则可以很容易地使支座的性能得到很大的改善和提高。