本发明涉及结构工程领域，特别涉及一种基于可变摩擦力和多阶段耗能的阻尼器。
背景技术：
摩擦阻尼是一类常见稳定高效可重复的的阻尼方式，被广泛用于结构工程领域的振动控制中。摩擦阻尼一般包括具有一定摩擦系数的摩擦面和一定的预压力，外力需要克服静摩擦后便可驱动摩擦面相对滑动。对于常见的摩擦装置而言，一旦设计好，其提供的摩擦力或阻尼是恒定的，即：此类摩擦阻尼在滞回曲线上呈现出矩形。但此类阻尼在工作中会有很多待完善之处。比如摩擦装置一旦静摩擦力克服后此类阻尼器就呈现零刚度滑移状态。
然而，在结构应用中更期待的阻尼装置在加载中应呈现出线性增加趋势，即：阻尼器始终为构件或节点或结构贡献一定的刚度，这也能使得加固的结构更加适用于不同震级下的地震作用，即：使得结构对强弱振均可敏感从而更好的振动控制和耗能。目前，也有一些对于变摩擦阻尼的研究。基本原理均是改变摩擦面之间的正应力来改变摩擦力的大小。具体做法因设计者构造而定。有些研究者基于交叉学科提出在摩擦装置中增加半控制元件，如电磁和压电元件，通过改变电流大小进而调节摩擦力；也有基于传统地机械式运动，在运动过程中直接改变正压力从而实现摩擦力持续增加。而后者通常基于摩擦面为曲面或者斜面摩擦机制实现滑动过程中的正应力线性或者非线性增加。但上述的变摩擦机制也存在一个问题，如线性增加的摩擦装置，确定摩擦板滑动后刚度的主要参数为连接摩擦板高强螺栓所需的碟簧刚度。而碟簧刚度在整个受力过程中为恒定值，所以加载初期(对应中震以下)期待的高刚度碟簧未必适合加载后期(对应中震以上)，尤其当加载后期期待整个体系的刚度通过锐减的方式来延长体系的自振周期进而降低地震响应时。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于可变摩擦力和多阶段耗能的阻尼器及其组装方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于可变摩擦力和多阶段耗能的阻尼器，包括外套筒、活塞内筒、两个摩擦组件、若干竖向sma螺杆和若干水平sma棒。
所述活塞内筒整体为矩形管。所述活塞内筒上下表面分别布置有上方垫块和下方垫块。所述上方垫块和下方垫块相背一侧分别设置有一个摩擦组件，形成上方摩擦组件和下方摩擦组件。所述摩擦组件包括固定摩擦块和竖向可滑动摩擦块。所述固定摩擦块与垫块固定连接。所述固定摩擦块和竖向可滑动摩擦块在接触面处齿合。所述上方垫块、下方垫块和固定摩擦块上设置有供竖向sma螺杆穿过的腰型孔。所述竖向可滑动摩擦块上设置有供竖向sma螺杆穿过的圆孔。所述竖向sma螺杆依次贯穿上方摩擦组件、上方垫块、活塞内筒、下方垫块和下方摩擦组件。所述竖向sma螺杆的上下两端以螺母紧固。所述活塞内筒的侧壁上还设置有导轨滑块ⅰ和导轨滑块ⅱ。所述导轨滑块ⅰ和导轨滑块ⅱ的尺寸与外套筒的内腔尺寸相匹配。
所述外套筒整体为矩形管。所述外套筒短于活塞内筒。所述外套筒的管壁上设置有竖向可滑动摩擦块容置缺口。所述活塞内筒穿入外套筒中。所述固定摩擦块、上方垫块和下方垫块设置在外套筒的内腔中。所述竖向可滑动摩擦块嵌入容置缺口中。所述外套筒的两端开口处为端板ⅰ和端板ⅱ封堵。所述端板ⅰ上设有与活塞内筒形状相匹配的通孔。所述端板ⅰ和端板ⅱ上设置有锚固孔。所述活塞内筒的伸入端顶抵在端板ⅱ上，伸出端从端板ⅰ的通孔伸出外套筒。所述活塞内筒的伸出端焊接有带铰连接板。所述若干水平sma棒设置在活塞内筒和外套筒之间的间隙中。每根水平sma棒的两端穿过端板ⅰ和端板ⅱ的锚固孔并通过锚具与端板ⅰ或端板ⅱ连接。所述导轨滑块ⅰ和导轨滑块ⅱ上设置有供水平sma棒穿过的缺口。
进一步，所述固定摩擦块和竖向可滑动摩擦块的接触面分为中间楔形摩擦面和两端平面摩擦面三部分。所述固定摩擦块和竖向可滑动摩擦块在中间楔形摩擦面处设置有逐一连接的楔形突台或凹槽。所述突台和凹槽齿合。
进一步，所述导轨滑块ⅰ和导轨滑块ⅱ呈十字状。
进一步，所述sma螺杆和水平sma棒采用镍钛记忆合金制得。
进一步，所述外套筒为分段式焊接而成。所述外套筒包括封板段和布置在封板段两端的套管段。所述套管段为矩形管。所述封板段包括两块槽口相对的槽钢。所述两块槽钢包夹出容置缺口。所述外套筒远离带铰连接板的一端外壁上还设置有连接板。
进一步，所述所述固定摩擦块和竖向可滑动摩擦块的接触面摩擦系数＞0.25。
本发明还公开一种上述阻尼器的组装方法，包括以下步骤：
1)工厂标准化生产各个组件，并预先定位各个组件。
2)在活塞内筒预设位置焊接上方垫块、下方垫块、导轨滑块ⅰ和导轨滑块ⅱ。
3)焊接固定摩擦块。采用竖向sma螺杆固定竖向可滑动摩擦块、固定摩擦块、上方垫块、活塞内筒和下方垫块。
4)分段式安装外套筒。将活塞内筒置于套管段内。安装端板ⅰ和端板ⅱ，并初步装配水平sma棒。焊接封板段，将水平sma棒预紧至预设值。
本发明还公开一种自复位消能梁柱节点，包括工字钢梁、框架柱、t型板和阻尼器。
所述工字钢梁下翼缘焊接有固定端板。所述框架柱的翼缘焊接有抗剪连接板和铰接支座板。
所述工字钢梁通过梁端连接垫板、t型板以及阻尼器与框架柱连接。
所述工字钢梁的腹板与抗剪连接板通过抗剪螺栓连接。
所述t型板包括竖板，以及布置在竖板一侧板面上水平板。所述t型板的竖板通过高强螺栓与框架柱的翼缘固定连接。所述t型板的水平板通过高强螺栓与工字钢梁的上翼缘固定连接。
所述阻尼器采用权利要求1～5所述的任意一种基于可变摩擦力和多阶段耗能的阻尼器。所述阻尼器布置在工字钢梁下翼缘下方。所述带铰连接板与铰接支座板通过销子铰接。所述外套筒远离带铰连接板的一端与固定端板焊接。
进一步，所述工字钢梁和框架柱上设置有加劲肋。
本发明还公开一种上述自复位消能梁柱节点的施工方法，包括以下步骤：
1)完成阻尼器装配。
2)通过t型板和抗剪连接板实现梁柱定位装配。
3)将阻尼器的带铰连接板与与铰接支座板铰接，将外套筒与固定端板焊接，完成节点装配。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
a.呈现显著的耗能时序，阻尼器呈现出显著的多耗能阶段特征并具备自复位能力；
b.优化了摩擦装置，通过利用竖向sma螺栓的相变特性实现了二线性的滑动摩擦阻尼，更加适用于结构的抗震需求；
c.各主要部件易于更换，如发生当设计标准改变时或业主对结构需求提高时，可以较为灵活的改变现有的阻尼器以达到更高性能要求；
d.地震后或者卸载后，在水平sma棒的恢复力作用下，阻尼器可以恢复到接近初始状态，大大降低结构因残余变形而造成的修复成本和难度。
附图说明
图1为阻尼器结构示意图；
图2为阻尼器爆炸图；
图3为阻尼器剖视图；
图4为外套筒结构示意图；
图5为活塞内筒装配示意图；
图6为摩擦组件结构示意图；
图7为竖向sma螺杆示意图；
图8为水平sma棒示意图；
图9为端板ⅰ示意图；
图10为端板ⅱ示意图；
图11为自复位消能梁柱节点示意图；
图12为变摩擦机制的摩擦板典型滞回规则；
图13阻尼器的典型滞回规则。
图中：外套筒1、槽钢102、容置缺口104、活塞内筒2、上方垫块3、下方垫块30、摩擦组件4、竖向可滑动摩擦块401、固定摩擦块402、竖向sma螺杆5、水平sma棒6、导轨滑块ⅰ7、导轨滑块ⅱ70、端板ⅰ8、端板ⅱ9、连接板10、带铰连接板11、工字钢梁12、固定端板14、铰接支座板16、框架柱18、抗剪连接板19、t型板21。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1～图3，本实施例公开一种基于可变摩擦力和多阶段耗能的阻尼器，包括外套筒1、活塞内筒2、两个摩擦组件4、竖向sma螺杆5和水平sma棒6。
参见图5，所述活塞内筒2整体为矩形管。所述活塞内筒2上下表面分别布置有上方垫块3和下方垫块30。所述上方垫块3和下方垫块30相互平行间隔布置。活塞内筒2夹设在上方垫块3和下方垫块30之间。所述上方垫块3和下方垫块30相背一侧分别设置有一个摩擦组件4，形成上方摩擦组件和下方摩擦组件。参见图6，所述摩擦组件4包括固定摩擦块402和竖向可滑动摩擦块401。所述固定摩擦块402与垫块3固定连接。所述固定摩擦块402和竖向可滑动摩擦块401在接触面处齿合，共同组成摩擦组件4。所述固定摩擦块402和竖向可滑动摩擦块401的接触面分为中间楔形摩擦面和两端平面摩擦面三部分。所述固定摩擦块402和竖向可滑动摩擦块401在中间楔形摩擦面处设置有逐一连接的楔形突台或凹槽。所述突台和凹槽齿合。所述所述固定摩擦块402和竖向可滑动摩擦块401的接触面摩擦系数＞0.25。
所述上方垫块3、下方垫块30和固定摩擦块402上设置有供竖向sma螺杆5穿过的腰型孔。所述竖向可滑动摩擦块401上设置有供竖向sma螺杆5穿过的圆孔。竖向sma螺杆5的示意图如图7所示。
所述竖向sma螺杆5依次贯穿上方摩擦组件、上方垫块3、活塞内筒2、下方垫块30和下方摩擦组件。所述竖向sma螺杆5的上下两端以螺母紧固。通过螺母施加预紧力，使固定摩擦块402和竖向可滑动摩擦块401之间产生正压力。所述活塞内筒2的侧壁上还设置有导轨滑块ⅰ7和导轨滑块ⅱ70。所述导轨滑块ⅰ7和导轨滑块ⅱ70的尺寸与外套筒1的内腔尺寸相匹配，从而保证活塞内筒2和外套筒1的相对位置和相对运动时的方向。所述导轨滑块ⅰ7和导轨滑块ⅱ70呈十字状。
所述外套筒1整体为矩形管。所述外套筒1短于活塞内筒2。参见图4，所述外套筒1为分段式焊接而成。所述外套筒1包括封板段和布置在封板段两端的套管段。所述套管段为矩形管。所述封板段包括两块槽口相对的槽钢102。所述两块槽钢102包夹出容置缺口104。所述外套筒1远离带铰连接板11的一端外壁上还设置有连接板10。所述活塞内筒2穿入外套筒1中。所述外套筒1、活塞内筒2、导轨滑块ⅰ7和导轨滑块ⅱ70组成活塞结构。所述固定摩擦块402、上方垫块3和下方垫块30设置在外套筒1的内腔中。所述竖向可滑动摩擦块401嵌入容置缺口104中。当活塞筒2受拉或受压时协同固定在垫块3上带滑槽开长圆孔的固定摩擦块402往一侧滑动时，挤压竖向可滑动摩擦块401。竖向可滑动摩擦块401的水平自由度被外套筒1限制，而竖向自由度未被限制，因此可以竖向移动同时使得竖向sma螺栓5受拉伸长，进而导致固定摩擦块402和竖向可滑动摩擦块401的摩擦面正应力增加而使得摩擦力进一步提高。固定摩擦块402和竖向可滑动摩擦块401的变摩擦机制在滑动阶段依然可以为阻尼器提供一定的轴向刚度，且轴向刚度与竖向sma螺栓5的线刚度和固定摩擦块402和竖向可滑动摩擦块401的接触面有关。在实际生产中，可根据实际需求灵活调整。参见图12，通过优化设计固定摩擦块402和竖向可滑动摩擦块401的接触面和竖向sma5的直径，可以实现摩擦装置的滞回曲线在二四象限仅有少量的抗压强度。参见图13，仅较小的弹性恢复力即可使得阻尼器完全复位。
所述外套筒1的两端开口处为端板ⅰ8和端板ⅱ9封堵。所述端板ⅰ8上设有与活塞内筒2形状相匹配的通孔。所述端板ⅰ8和端板ⅱ9上设置有锚固孔。所述活塞内筒2的伸入端顶抵在端板ⅱ9上，伸出端从端板ⅰ8的通孔伸出外套筒1。所述导轨滑块ⅰ7顶抵在端板ⅰ8内侧，所述导轨滑块ⅱ70顶抵在端板ⅱ9内侧。所述活塞内筒2的伸出端焊接有带铰连接板11。所述水平sma棒6设置在活塞内筒2和外套筒1之间的间隙中。每根水平sma棒6的两端穿过端板ⅰ8和端板ⅱ9的锚固孔并通过锚具与端板ⅰ8或端板ⅱ9连接，从而将活塞内筒2和外套筒1预压在一起。所述端板ⅰ8和端板ⅱ9通过水平sma棒6的预紧力与外套筒1分离式接触装配。在阻尼器受压或受拉时可与外套筒一侧分离，使得水平sma棒6伸长储备恢复力。如阻尼器受压时，当克服摩擦组件4的静摩擦和水平sma棒6的预应力后，活塞内筒2右侧接触并挤压端板ⅱ9，使得端板ⅱ9与外套筒1分离，并使水平sma棒6伸长。所述导轨滑块ⅰ7和导轨滑块ⅱ70上设置有供水平sma棒6穿过的缺口。水平sma棒的示意图如图8所示。
值得说明的是，本实施例在刚度方面和耗能方面均具有显著效果。刚度方面：从摩擦机制层面上讲，本实施例优化了摩擦组件4，通过利用竖向sma螺栓5的相变特性实现了二线性的滑动摩擦阻尼。基于二线性摩擦阻尼的摩擦装置更加适用于结构的抗震需求，即：在中小震下，提供较多的抗侧刚度，控制结构侧移，在中大震下，因摩擦阻尼刚度锐减可以延长结构周期降低结构地震反应从而保护结构。在阻尼器层次，水平sma棒6进入相变的时序和竖向sma螺栓5一致，因此阻尼器在克服摩擦板静摩擦后亦呈现出和摩擦板一致的二线性自复位的旗帜型指挥曲线。耗能方面：在正常使用荷载下(如风荷载)阻尼器在摩擦板的静摩擦力和sma棒预紧力作用下仅发生微小的弹性变形，此时阻尼器无耗能，在小到中震下，阻尼器仅利用二线性变摩擦阻尼进行能耗，在中到大震下协同sma螺栓及棒相变混合耗能，进一步优化阻尼器在强震下的耗能特性，以期当该阻尼器用于结构时，所期待的绝大数非线性变形均集中于该阻尼器中，结构的主要构件维持弹性。
实施例2：
本实施例公开一种基础的基于可变摩擦力和多阶段耗能的阻尼器，包括外套筒1、活塞内筒2、两个摩擦组件4、竖向sma螺杆5和水平sma棒6。
所述活塞内筒2整体为矩形管。所述活塞内筒2上下表面分别布置有上方垫块3和下方垫块30。所述上方垫块3和下方垫块30相背一侧分别设置有一个摩擦组件4，形成上方摩擦组件和下方摩擦组件。所述摩擦组件4包括固定摩擦块402和竖向可滑动摩擦块401。所述固定摩擦块402与垫块3固定连接。所述固定摩擦块402和竖向可滑动摩擦块401在接触面处齿合。所述上方垫块3、下方垫块30和固定摩擦块402上设置有供竖向sma螺杆5穿过的腰型孔。所述竖向可滑动摩擦块401上设置有供竖向sma螺杆5穿过的圆孔。所述竖向sma螺杆5依次贯穿上方摩擦组件、上方垫块3、活塞内筒2、下方垫块30和下方摩擦组件。所述竖向sma螺杆5的上下两端以螺母紧固。所述活塞内筒2的侧壁上还设置有导轨滑块ⅰ7和导轨滑块ⅱ70。所述导轨滑块ⅰ7和导轨滑块ⅱ70的尺寸与外套筒1的内腔尺寸相匹配。
所述外套筒1整体为矩形管。所述外套筒1短于活塞内筒2。所述外套筒1的管壁上设置有竖向可滑动摩擦块容置缺口104。所述活塞内筒2穿入外套筒1中。所述外套筒1、活塞内筒2、导轨滑块ⅰ7和导轨滑块ⅱ70组成活塞结构。所述固定摩擦块402、上方垫块3和下方垫块30设置在外套筒1的内腔中。所述竖向可滑动摩擦块401嵌入容置缺口104中。所述外套筒1的两端开口处为端板ⅰ8和端板ⅱ9封堵。参见图9和图10，所述端板ⅰ8上设有与活塞内筒2形状相匹配的通孔。所述端板ⅰ8和端板ⅱ9上设置有锚固孔。所述活塞内筒2的伸入端顶抵在端板ⅱ9上，伸出端从端板ⅰ8的通孔伸出外套筒1。所述导轨滑块ⅰ7顶抵在端板ⅰ8内侧，所述导轨滑块ⅱ70顶抵在端板ⅱ9内侧。所述活塞内筒2的伸出端焊接有带铰连接板11。所述水平sma棒6设置在活塞内筒2和外套筒1之间的间隙中。每根水平sma棒6的两端穿过端板ⅰ8和端板ⅱ9的锚固孔并通过锚具与端板ⅰ8或端板ⅱ9连接，从而将活塞内筒2和外套筒1预压在一起。所述导轨滑块ⅰ7和导轨滑块ⅱ70上设置有供水平sma棒6穿过的缺口。
值得说明的是，sma(shapememoryalloy，形状记忆合金)因应力驱动由奥氏体逐渐相变为马氏体过程中，sma材料进入名义上类比如钢材的“屈服”阶段，实现刚度锐减，但卸载后可以恢复至几乎零残余应变状态。在本实施例中，所述sma螺杆5和水平sma棒6采用镍钛记忆合金制得。
实施例3：
本实施例公开一种实施例1所述基于可变摩擦力和多阶段耗能的阻尼器的组装方法，包括以下步骤：
1)工厂标准化生产各个组件，并预先定位各个组件。
2)在活塞内筒2预设位置焊接上方垫块3、下方垫块30、导轨滑块ⅰ7和导轨滑块ⅱ70。
3)焊接固定摩擦块402。采用竖向sma螺杆5固定竖向可滑动摩擦块401、固定摩擦块402、上方垫块3、活塞内筒2和下方垫块30。
4)分段式安装外套筒1。将活塞内筒2置于套管段内。安装端板ⅰ8和端板ⅱ9，并初步装配水平sma棒6。焊接封板段，将水平sma棒6预紧至预设值。
实施例4：
钢结构节点的性能对结构体系有着至关重要的作用。本实施例针对无粘结的后张拉梁柱节点和基于智能材料sma端板式梁柱节点在转动过程中会形成开口，进而导致框架扩展效应以及造成梁上翼缘端部楼板过早破坏的问题。
参见图11，本实施例公开一种自复位消能梁柱节点，包括工字钢梁12、框架柱18、t型板21和阻尼器。
所述工字钢梁12下翼缘焊接有固定端板14。所述框架柱18的翼缘焊接有抗剪连接板19和铰接支座板16。所述抗剪连接板19上开有若干长槽孔。所述工字钢梁12的腹板上具有若干螺栓孔。所述工字钢梁12和框架柱18上设置有加劲肋。
所述工字钢梁12通过抗剪连接板19、t型板21以及阻尼器与框架柱18连接。
所述工字钢梁12的腹板与抗剪连接板19通过抗剪螺栓连接。
所述t型板21包括竖板，以及布置在竖板一侧板面上水平板。所述t型板21的竖板通过高强螺栓与框架柱18的翼缘固定连接。所述t型板21的水平板通过高强螺栓与工字钢梁12的上翼缘固定连接。
所述阻尼器采用实施例1所述的基于可变摩擦力和多阶段耗能的阻尼器。所述阻尼器布置在工字钢梁12下翼缘下方。所述带铰连接板11与铰接支座板16通过销子铰接。所述外套筒1远离带铰连接板11的一端与固定端板14焊接。
值得说明的是，在本实施例中，抗剪连接板19和t型板21传递节点剪力，而节点的转动刚度和耗能特性主要有阻尼器的轴向刚度以及多阶段的耗能机制提供。梁柱节点在受力过程中，可以实现以下三个阶段：第一阶段，在正常使用荷载下(如风载)，所述节点在阻尼器摩擦板的静摩擦力以及水平sma棒的预张力未克服前，节点类似于传统的刚性节点。第二阶段，在小到中震下，静摩擦力被克服后，节点的刚度由水平的sma棒线刚度和变摩擦机制提供的等效轴向刚度组成，此时节点的转动刚度依然很大，可以有效控制结构侧移，在此阶段下输入体系的能量主要由摩擦板的摩擦机制耗散。第三阶段，在中大震下，水平sma棒和竖向sma螺栓相继进入由应力驱动的奥氏体转变马氏体的过程，此时本实施例阻尼器的轴向刚度显著降低，进而节点刚度也显著降低，这对应于结构在中大震下由于非线性的发展整体结构周期变长，而使得结构的地震响应降低，且此时整个节点进入金属相变和摩擦协同耗能阶段。地震后或者卸载后，在水平sma棒的恢复力作用下，结构在整体和节点层次均可以恢复到接近初始状态，大大降低结构因残余变形而造成的修复成本和难度。梁柱节点在受力过程中，梁柱主要构件均持有弹性工作范围，而阻尼器本身的非线性行为通过摩擦板摩擦和sma相变耗能，这些行为均可以重复使用，因而在预设的性能内，节点和阻尼器均无需任何修复。
实施例5：
本实施例公开一种关于实施例4所述自复位消能梁柱节点的施工方法，包括以下步骤：
1)完成阻尼器装配。
2)通过t型板21和抗剪连接板19实现梁柱定位装配。
3)将阻尼器的带铰连接板11与与铰接支座板16铰接，将外套筒1与固定端板14焊接，完成节点装配。