一种自复位形状记忆合金阻尼器及其装配方法与流程

本发明涉及土木工程中的结构振动控制领域，具体是指一种具有完全自复位能力和良好耗能能力的阻尼器及其装配方法。

背景技术：

地震给人类社会带来了各种程度不同的危害，在地震作用下，建筑物会受到不同程度的损伤。为了有效减小震害带来的损失，结构振动控制技术得到了充分的重视与发展，通过在建筑物的特定部位设置耗能减震设备（如阻尼器），来改变结构的动力特性或地震作用，最终达到减小结构振动反应的目的。目前，很多学者提出了自复位形状记忆合金阻尼器，这类阻尼器多为拉压型装置，并利用形状记忆合金丝的超弹性来耗能和复位。但是，利用形状记忆合金丝来提供复位力容易受外界环境影响，并且成本较高。

技术实现要素：

为改善阻尼器的自复位特性并简化阻尼器构造，本发明提供一种利用弹簧提供恢复力并利用带齿圆盘固定丝材的自复位形状记忆合金阻尼器及其装配方法，该阻尼器构造更简单，形状记忆合金丝组的工作环境温度变化幅值更小，力学性能更加稳定，同时，具有自动恢复变形能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种自复位形状记忆合金阻尼器，包括内杆、外筒、滑动挡板、预压弹簧、连接元件、若干均匀分布的形状记忆合金丝、一个带齿圆盘、两个端锚，所述外筒的筒壁为双层结构形成密封的空心夹层并填充有水；所述内杆包括中心杆、通过螺纹分别连接中心杆两端的中部组件、通过螺纹分别连接于两个中部组件另一端的端部组件；两个端锚对称地固定在外筒的内孔两端，带齿圆盘固定在内杆中心杆中部，所述内杆沿轴线居中地设置于外筒内且穿过带齿圆盘、端锚的中心孔，所述预压弹簧和滑动挡板对称地设置在端锚与带齿圆盘之间的内杆上，所述的形状记忆合金丝均匀地拉紧绕过带齿圆盘的凸齿并固定于带齿圆盘和两个端锚之间，所述的连接元件呈空心凸字形，通过螺纹与外筒的端部相连接。

进一步地，所述带齿圆盘中心设有中心孔，边缘沿周向均匀设置有若干凸齿，所述中心孔内设置有与所述内杆的中心杆的外螺纹相配合的内螺纹。

进一步地，所述凸齿的宽度沿远离齿圆盘中心孔的径向方向逐渐增大，用于卡住左右两侧地形状记忆合金丝组，并防止丝组在圆环的法向移动而脱离；所述凸齿每一边均经过打磨圆滑处理，以防止割断形状记忆合金丝。

进一步地，所述端锚包括相嵌套的端锚锚环和端锚锚塞，所述端锚锚环的一端沿周向设置有若干螺钉孔，另一端沿周向设置有若干用于穿过形状记忆合金丝的预留丝孔，且每两个预留丝孔的位置与凸齿的两侧相对应；所述端锚锚环中心依次设置有锥形孔及中心通孔；所述端锚锚塞呈中空的圆锥台形，其锥底端设置有环形凸缘，所述环形凸缘上沿周向设置有若干螺钉孔和预留丝孔。

进一步地，所述锥形孔的内壁与端锚锚环端面的夹角为81^o~87^o，所述端锚锚塞的圆锥面与端锚锚塞端面的夹角为93^o~99^o

进一步地，所述端锚锚环的外周壁沿周向均匀设置有若干螺钉孔，所述外筒两端的外周壁上沿周向设置有若干螺钉孔。

进一步地，所述的预留丝孔的直径为1~3mm，所述形状记忆合金丝的直径为0.2~2.0mm。

进一步地，所述外筒由中空的双层钢管制成，双层钢管的夹层中设置有支撑肋，并填充水，利用水的比热大的特性，当环境温度变化时，水储存或释放热量，从而降低阻尼器中形状记忆合金丝的工作温度变化幅值，保证阻尼器的更为稳定的力学性能。本方案结构简单易加工，同时支撑肋还有助于提高外筒的稳定性。

一种如所述自复位形状记忆合金阻尼器的装配方法，包括步骤：

步骤1、将内杆的中心杆穿入带齿圆盘的中心孔并通过螺纹固定，将内杆的两中部组件通过螺纹与内杆的中心杆连接，通过两中部组件的挤压力把带齿圆盘夹紧，使得带齿圆盘与内杆连接为一个整体；

步骤2、将预压弹簧与滑动挡板套进内杆中，预压弹簧的一端与滑动挡板接触，另一端与带齿圆盘接触，通过滑动挡对预压弹簧施加预压力，随后将内杆的两端部组件通过螺纹分别与两个中间组件连接，两端部组件支撑滑动挡板，从而锁定预压弹簧中已施加的预压力；

步骤3、将形状记忆合金丝分别从左右两侧绕过带齿圆盘的凸齿，将与内杆相连的所有元件均放入外筒中，随后将伸出外筒的形状记忆合金丝穿过端锚锚环的预留丝孔，并利用螺钉将外筒与端锚锚环固定在一起；

步骤4、将形状记忆合金丝的外端穿过端锚锚塞的预留丝孔，并将其张拉至目标预应变，最后利用螺钉使端锚锚环与端锚锚塞产生夹力，实现对张拉后的形状记忆合金丝的固定；

步骤5、完成上述装配之后，往所述外筒的空心夹层中注入水，并做好密封措施；

步骤6、在外筒端部安装上连接元件，用于与建筑结构的连接；

进一步地，步骤4中所述目标预应变为2~4%。

相比现有技术，本发明具有如下优点与效果：

(1)结构简单，易于实现。如形状记忆合金丝在阻尼器中部直接绕过凸齿圆盘；内杆各组件通过螺纹连接，锚具各组件以及端锚与外筒之间通过螺钉连接，连接可靠并易于实现。

(2)阻尼器具有优良的自复位特性：弹簧的力学性能稳定，利用弹簧提供给阻尼器的恢复力可靠，从而使阻尼器具有优良的自复位特性。

(3)外筒的夹层中注入有水，形状记忆合金丝组的工作环境温度变化幅值更小，因而记忆合金的超弹性能更稳定，阻尼器的力学性能更稳定。

附图说明

图1是本发明实施例的自复位形状记忆合金阻尼器的整体构造示意图。

图2是本发明实施例的内杆的构造图。

图3是本发明实施例的带齿圆盘的侧视示意图。

图4是本发明实施例的带齿圆盘主视图。

图5是本发明实施例的端锚构造示意图。

图6是端锚的锚环主视图。

图7是图6中c-c向剖视示意图。

图8为图7中的l处放大示意图。

图9是端锚的锚塞主视图。

图10是图9中b-b向剖视示意图。

图11是本发明实施例的连接元件主视图。

图12是本发明实施例的连接元件剖视图。

图13是带齿圆盘与形状记忆合金丝组和中心杆的连接过程示意图。

图14是带齿圆盘与预压弹簧等的连接过程示意图。

图15是端锚与外筒的连接过程示意图。

图16是端锚与形状记忆合金丝组的连接过程示意图。

图17是连接元件与外筒的连接过程示意图。

图中：1-内杆；11-中心杆；12-中部组件；13-第一端部组件；14-第二端部组件；2-滑动挡板；3-预压弹簧；4-形状记忆合金丝；5-带齿圆盘；51-凸齿；6-外筒；61-空心夹层；7-端锚；71-端锚锚塞；72-端锚锚环；8-预留丝孔；9-连接元件。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步地详细说明：

实施例一

如图1和图2所示，种自复位形状记忆合金阻尼器，包括内杆1、外筒6、滑动挡板2、预压弹簧3、若干均匀分布的形状记忆合金丝4、一个带齿圆盘5、两个端锚7，保温材料层，所述外筒6的筒壁为双层结构形成密封的空心夹层61并填充有水，利用水的比热大的特性，当环境温度变化时，水储存或释放热量，从而降低阻尼器中形状记忆合金丝的工作温度变化幅值，保证阻尼器的更为稳定的力学性能；本实施例的外筒由中空的双层钢管制成，另外，双层钢管的夹层中设置有支撑肋，结构简单易加工，同时支撑肋还有助于提高外筒的稳定性；所述内杆1包括中心杆11、通过螺纹分别连接中心杆11两端的中部组件12、通过螺纹分别连接于两个中部组件12另一端的端部组件；两个端锚7对称地固定在外筒6的内孔两端，带齿圆盘5固定在内杆中心杆11中部，所述内杆1沿轴线居中地设置于外筒6内且穿过带齿圆盘5、端锚7的中心孔，所述预压弹簧3和滑动挡板2对称地设置在端锚7与带齿圆盘5之间的内杆1上，所述的形状记忆合金丝4均匀地拉紧绕过带齿圆盘5的凸齿并固定于带齿圆盘5和两个端锚7之间，所述的连接元件9呈空心凸字形，通过螺纹与外筒6的端部相连接(见图11、图12)。

如图3和图4所示，所述带齿圆盘中心设有中心孔，边缘沿周向均匀设置有4个凸齿51，所述中心孔内设置有与所述内杆1的中心杆11的外螺纹相配合的内螺纹。所述凸齿51的宽度沿远离齿圆盘5中心孔的径向方向逐渐增大，用于卡住左右两侧地形状记忆合金丝组，并防止丝组在圆环的法向移动而脱离；所述凸齿51每一边均经过打磨圆滑处理，以防止割断形状记忆合金丝。

如图5至图10所示，所述端锚7包括相嵌套的端锚锚环71和端锚锚塞72，所述端锚锚环71的一端沿周向设置有若干螺钉孔，另一端沿周向设置有8个用于穿过形状记忆合金丝4的直径为2mm的预留丝孔8，且每两个预留丝孔8的位置与凸齿51的两侧相对应；所述端锚锚环71中心依次设置有锥形孔及中心通孔；所述端锚锚塞72呈中空的圆锥台形，其锥底端设置有环形凸缘，所述环形凸缘上沿周向设置有若干螺钉孔和直径为2mm的预留丝孔8。

所述锥形孔的内壁与端锚锚环71端面的夹角为84.29^o，所述端锚锚塞72的圆锥面与端锚锚塞72端面的夹角为95.71^o

所述端锚锚环71的外周壁沿周向均匀设置有若干螺钉孔，所述外筒6两端的外周壁上沿周向设置有若干螺钉孔。

本实施例中，自复位形状记忆合金阻尼器的长度为1m和冲程为8.4mm，外筒6的长度和外径分别为800mm与70mm；形状记忆合金丝4的根数4跟（每侧），直径与长度分别为1mm与280mm，预应变为3.5%；弹簧刚度为20n/mm，预压力为600n；内杆1的长度为1m，端锚7与带齿圆盘5的总长分别为60mm与30mm。

本实施例提供的自复位形状记忆合金阻尼器的工作原理大致如下：

当有一定的外力作用于自复位形状记忆合金阻尼器时，内杆1与外筒6会产生相对运动。内杆1会带动带齿圆盘5一起运动，同时外筒6会带动端锚7一起运动。对于两组预拉的形状记忆合金丝4，当内杆1相对于外筒6向右运动时，在内杆1左侧的丝组会伸长，导致丝组的拉应力增大；在内杆1右侧的丝组会缩短，导致丝组的拉应力减小，反之亦然。因此，在两组丝之间会出现应力差，并且与此应力差平衡的内力会在此相对运动中做功耗能。对于两个预压弹簧3，当内杆1相对于外筒6向右运动时，由于内杆1带动左侧的滑动挡板2，在内杆1左侧的预压弹簧3向右做刚体平动，并维持原长；由于右侧的滑动挡板2相对外筒6是静止的，在内杆1右侧的预压弹簧3会被压缩，反之亦然。因此，在此过程中被压缩的弹簧会产生一个弹性恢复力，使内杆复位。所以，此阻尼器就具备的完全自复位能力和良好的耗能能力，同时，在保温材料层和空心夹层61内的水的作用下，阻尼器整体的温度能控制在合适范围内，使阻尼器的工作性能更稳定。

实施例二

如图13至图17所示，一种如所述自复位形状记忆合金阻尼器的装配方法，包括步骤：

s1、将内杆1的中心杆11穿入带齿圆盘5的中心孔并通过螺纹固定，将内杆1的两中部组件12通过螺纹与内杆1的中心杆11连接，通过两中部组件12的挤压力把带齿圆盘5夹紧，使得带齿圆盘5与内杆1连接为一个整体(见图13)；

s2、将预压弹簧3与滑动挡板2套进内杆1中，预压弹簧3的一端与滑动挡板2接触，另一端与带齿圆盘55接触，通过滑动挡2对预压弹簧3施加预压力，随后将内杆1的两端部组件通过螺纹分别与两个中间组件12连接，两端部组件支撑滑动挡板2，从而锁定预压弹簧3中已施加的预压力(见图14)；

s3、将形状记忆合金丝4分别从左右两侧绕过带齿圆盘5的凸齿51，将与内杆1相连的所有元件均放入外筒6中，随后将伸出外筒6的形状记忆合金丝4穿过端锚锚环71的预留丝孔8，并利用螺钉将外筒6与端锚锚环71固定在一起(见图15)；

s4、将形状记忆合金丝4的外端穿过端锚锚塞72的预留丝孔8，并将其张拉至预应变为2~4%，最后利用螺钉使端锚锚环71与端锚锚塞72产生夹力，实现对张拉后的形状记忆合金丝4的固定(见图16)；

s5、完成上述装配之后，往所述外筒6的空心夹层61中注入1700ml水，并做好密封措施，由于水的比热容大，能很好的减缓外界温度变化对阻尼器工作性能的影响，其原理为：注入水之前，外界输入的热量由阻尼器各元件（主要成分为钢）吸收；注入水之后，外界输入的热量由水与各元件共同吸收。由于水的比热容较大，当外界温度变化时，能有效地降低阻尼器内部形状记忆合金的工作温度变化幅值，从而改善阻尼器的工作性能；

s6、在外筒6端部安装上连接元件9，用于与建筑结构的连接(见图17)；

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。