一种高耗能大变形缓冲装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种土木工程装置，具体涉及一种高耗能大变形缓冲装置，为结构体 在减震、防冲击时使用，属于防灾减灾工程领域。
【背景技术】
[0002] 在工程结构体受到地震荷载或冲击荷载时，为了防止结构体的损坏对人民生命和 财产造成损失，需采取一定的防护措施。一般工程手段除了采取增强结构体本身强度、优化 结构设计的措施外，采用缓冲减震措施能够较好的减轻工程结构体的损坏。目前在土木工 程与防灾工程中，有很多方法措施对结构体进行隔震和缓冲，如建筑物的基础隔震装置以 及各种工程阻尼装置，土木工程阻尼装置的原理更是多种多样，有摩擦阻力式、塑性变形阻 力式、粘性阻力式等。
[0003] 现有技术方案中，如一种大变形大吨位复合粘弹性阻尼器，是由常用的大变形粘 弹性阻尼器和铅挤压阻尼器相结合而构成，中间是大变形粘弹性阻尼器，四周对称布置多 个铅挤压阻尼器，各阻尼器的上部分分别于上钢板连接，各阻尼器的下部分分别于下钢板 连接，使所有阻尼器连接成一个整体。这种发明特点是克服了粘弹性阻尼器和金属阻尼器 的缺点，粘弹性阻尼器的变形相对较小，而金属阻尼器的滞变性，具有耗能大、变形大的特 点。但其结构相对较为复杂，实际制造较为繁琐，尤其是多层粘弹性阻尼器的制造较为繁 琐，且可靠性较差；且铅挤压阻尼器的阻尼力在往复荷载的多次挤压摩擦下会发生衰减，在 高应力往复摩擦下产生的温度容易使铅因熔点低而易液化，从而使得阻尼力逐渐减小甚至 失效；且铅有毒，铅碎肩可能会污染地下水源。
[0004] 此外，流体阻尼器是本领域研宄和应用较广的一种工程阻尼装置。流体阻尼器具 有很多种，不仅仅用在土木工程中，在机械、交通等领域也有广泛使用。流体阻尼器的原理 是利用流体的粘滞性和流体的液压力作为阻尼力。具有阻尼力均匀，缓和，且变形范围较 大的优点，在应对机械震动和冲击时优势突出；流体阻尼器的阻尼力一般来自粘性流体对 运动活塞的粘滞力和液压力，通过增加缸体流体流动速率以及接触表面的粗糙度能够增加 粘性流体对活塞的粘滞力，而液压力通常通过液压阀和液压泵来控制液体作用在活塞上的 力。但大多数流体的粘滞性都相对很小，在土木工程中高达上千、万吨的荷载作用下，流体 阻尼器所能提供的阻尼力是可以忽略的；且由于结构相对复杂，生产难度、使用难度都很 高，在如缸体的密封性、液压控制机构、泵体安装等会有较大的难度和局限性。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有阻尼装置的性能的局限性和复杂度较高的缺陷，提供了一种利用 金属塑性变形产生阻尼力的高耗能大变形缓冲装置，主要构成包括：外壳1、形状记忆合金 圈2、滑槽3、梭形爪4、损耗层5和活动杆6 ;装置两端有铰接孔，用以和其他结构连接，整体 呈杆柱状；形状记忆合金圈由截面为长方形的形状记忆合金带围绕而成；外壳内部有与滑 槽数量相对应数量的隔断将滑槽和梭形爪均匀间隔开，每个隔断有空隙，形状记忆合金带 与所述空隙等宽，空隙对形状记忆合金圈具有约束限位作用，使其能够向径向内部运动，并 承受在轴向的作用力，形状记忆合金带从这些空隙贴着表面A7穿过并绕一圈，形状记忆 合金圈与表面B8之间有预留空间，该预留空间的厚度与损耗层厚度加形状记忆合金圈的 最大径缩距离之和相匹配；在隔断外，由外向内依次安放形状记忆合金圈、滑槽、梭形爪、损 耗层和活动杆；滑槽内表面呈弧形凹面，在滑槽外表面上有一与形状记忆合金圈内表面相 匹配的凹槽，凹槽底面的弧面的轴线方向与滑槽内表面弧形凹面的轴线方向正交，形状记 忆合金圈贴着表面A、覆盖在滑槽外表面的凹槽上，将滑槽箍住；梭形爪4为梭形，外表面呈 圆弧形，与滑槽3的内表面的曲率相吻合，使得滑槽通过圆弧形滑面对梭形爪有向径向内 的挤压力和运动方向相反的推力，梭形爪另一表面具有齿状凸起，两端齿状凸起方向均朝 向中心，该齿状凸起对损耗层5的挤压力可使得装置的起动力达到工程设计需要值；损耗 层在活动杆的相应预留位置处紧紧贴附；活动杆、损耗层与外壳表面C之间有间隙，可允许 活动杆带着损耗层在外壳内部的轴向自由滑动。
[0006] 根据工程优化设计：
[0007] 通常滑槽数量为5~9个为宜；滑槽的长度Lh是其内弧面的弦长1^的1. 1~1. 2 倍，宽度Bh是其内弧面宽度Bhl的1. 2~1. 4倍，厚度Hh是内表面弧面高度Hhl的1. 5倍；滑 槽外表面中部凹槽的长度Lh2为滑槽长度Lh的0. 4~0. 8倍，与形状记忆合金带的宽度Lhj 相匹配，凹槽底面呈弧形，其半径Rhl与形状记忆合金圈的内表面半径Rhj相匹配；梭形爪的 圆心角为60°~120° ;梭形爪的长度Ls是滑槽长度Lh的1. 2倍。
[0008] 对于形状记忆合金圈的选材，除了应选择较大变形范围，较强恢复应力的材料之 外，对于其相变温度，也应该有所选取，如在建筑物基础抗震中，由于振动持续时间可能为 几十秒到数百秒，因此应该选择相变温度相对较高的形状记忆合金，一般可取相变温度在 300°C到500°C之间的材料；对于支挡结构，由于受到冲击大，单次时间短，因此选择相变温 度在70 °C到120 °C的材料。
[0009] 本发明所述的外壳和活动杆均可采用类似钢材等工程领域常用的承载材料；形状 记忆合金圈为大变形形状记忆合金，如镍钛合金等；滑槽和梭形爪采用硬质合金；损耗层 为具有较低屈服点、高延展性、熔点高的物质，如铝、铜、锌等，优选铜。
[0010] 本发明的高耗能大变形缓冲装置，在装置的两端通过铰接与工程结构物相连接， 其工作过程及原理如下：
[0011] (1)由于装置通过铰接连接，所以其受力为轴向力，变形也是轴向的伸长或缩短， 活动杆与损耗层一体，并可以在装置外壳内部的轴向滑移。
[0012] (2)活动杆与损耗层在轴向滑移时，由于梭形爪紧紧压在损耗层的表面，其齿状凸 起陷入损耗层中，使得损耗层在滑移时发生塑性变形，活动杆与损耗层在滑移时受到运动 阻力，从而产生阻尼力。
[0013] (3)梭形爪为梭形，外表面呈圆弧形，与滑槽的内表面弧度相吻合，活动杆与损耗 层运动时对梭形爪有轴向滑移力和径向扩展力，使得梭形爪有向活动杆同向的运动趋势， 而由于滑槽对梭形爪的约束，通过圆弧形滑面对梭形爪有向径向内的挤压力和运动方向相 反的推力；因此梭形爪会紧紧作用在损耗层上，无论装置内部活动杆相对外壳的运动方向 是拉伸还是压缩。
[0014] (4)滑槽整体呈长方体，形状记忆合金圈通过滑槽外表面上的凹槽将滑槽卡住，以 使滑槽可受到形状记忆合金圈径向的作用，同时，滑槽外形与外壳内部的形状相匹配，在外 壳和形状记忆合金圈对滑槽的约束下，只允许滑槽在径向方向有一定的滑移。如此设计是 为了 ：当损耗层在经历一定的运动后，其表面会磨损掉一定的厚度，损耗层与滑槽之间的距 离会增大，虽然梭形爪在活动杆的运动中仍会咬紧损耗层，但是在运动方向发生改变时会 有一段运动距离是不受滑槽对其挤压力的，因此滑槽在形状记忆合金圈的箍力的作用下能 够在径向发生一定的移动，使得梭形爪紧紧挤压在活动杆表面的损耗层中，从而降低了金 属阻尼装置的阻尼力的滞变性。
[0015] (5)-定数量的滑槽与梭形爪呈现圆周阵列，且滑槽外部有形状记忆合金圈紧紧 箍住滑槽，将滑槽、梭形爪都紧紧挤压在损耗层上。安装在装置中的形状记忆合金圈具有以 下特点：形状记忆合金在变相温度Ms下（此时为材料分析构型为马氏体）受到安装前的外 力张拉产生一定变形，使得直径扩大到设计值，在其温度升高到变相温度时，形状记忆合金 的分子构型由马氏体向奥氏体发生不可逆的转变，同时形状记忆合金在变相温度下产生的 塑性变形逐渐恢复，记忆合金圈的直径逐渐缩短。记忆合金具有力学性能优良、形状恢复力 高、质量较轻等优点，因此，装置中形状记忆合金圈选用变相温度高于环境温度的记忆合金 材料制成，在装置的安装制作时，形状记忆合金圈在其变相温度Ms下张拉到可恢复变形的 最大周长范围内，且直径尺寸和外壳内部预留直径尺寸相匹配，当安装在工程结构中的装 置受到动荷载达到设计大小时，活动杆和损耗层整体发生相对外壳的运动，损耗层会因梭 形爪之间摩擦产生大量的热量，热量传递至形状记忆合金圈中时，使之温度上升，当达到形 状记忆合金圈的变相温度时，形状记忆合金圈的马氏体逐渐向奥氏体转变，随着马氏体含 量的减少和奥氏体含量的增加，形状记忆合金圈的周长缩短，直径缩小，推压滑