一種圓盤形狀記憶合金阻尼器的制作方法

本發明涉及古建筑木結構及現代木結構減震控制、防災減災領域，具體來說就是一種圓盤形狀記憶合金阻尼器，符合傳統木結構古建筑及現代木結構抗震減災需求。

背景技術：

中國古建筑木結構歷史悠久，遍布全國各地，蘊含著寶貴的傳統營造技藝和建筑文化。現存的古建筑有北京故宮、山西應縣木塔、承德避暑山莊、薊縣獨樂寺等。古建筑木結構梁柱連接方式主要為榫卯連接，即梁端做成榫頭形式，柱端做成卯口形式。榫卯連接具有剛柔并濟的作用，為典型的半剛性連接。在諸如地震、風荷載作用下，榫卯節點發生擠壓變形，榫頭松動甚至拔出，其受彎、剪、扭等基本承載能力減弱。現代木結構連接方式大多采用鋼連接件連接或部分采用榫卯節點連接，但連接較弱，其抗彎剛度較小，屬于半剛性連接。上述木結構的節點構造方式造成了木構架整體抗側剛度不足，在地震、橫風等動力荷載作用下，整體結構容易產生較強的動力響應和較大的層間側移，從而導致結構遭受嚴重破壞甚至倒塌。因此，對榫卯節點進行加固以降低木構架的整體動力響應和限制層間側移是木結構修繕加固的重點。

現行常見的木結構榫卯節點加固方式有很多，比如L型鐵箍加固、U型扁鋼加固、節點處附加支撐加固、纖維復合增強材料加固等。但是，這些常用的加固方式在大幅度提高了節點剛度的同時，也大幅度地提高了結構整體剛度，而且上述加固方式不具備耗能能力或者僅能提供較小的耗能能力。因此，地震作用下結構的動力響應大幅度提高，使結構潛伏著巨大的安全隱患。此外，震后木構架存在著較大的殘余變形，難以自動恢復到初始狀態，仍需要二次糾偏加固。

隨著科技的發展，阻尼器越來越廣泛地應用在結構的加固中。目前，開發應用較多的是基于粘彈性材料、粘滯流體、軟鋼等材料的阻尼器，但該類材料制作的阻尼器仍然存在著許多缺點，如粘彈性材料的易老化，粘滯阻尼器的再維護成本高，軟鋼阻尼器的塑性殘余變形大等。此外，采用摩擦阻尼器進行加固也是一種常見的類型，其具有良好可靠的耗能能力，且耗能性能受荷載大小、加載頻率和加載循環次數的影響較小，但摩擦阻尼器摩擦耗能后存在較大的殘余變形，不能自復位。因此，有必要開發一種新型的阻尼器，該阻尼器既要具有良好的耗能能力，又要具有變形后自動恢復到初始狀態的能力，如此便可以消除地震后更換阻尼器及二次加固帶來的巨額成本，并具有良好的工程應用前景。

形狀記憶合金正是開發上述目標阻尼器的理想材料，形狀記憶合金是一種具有多種特殊力學性能的新型功能材料，具有顯著的形狀記憶效應、相變超彈性和高阻尼特性。較其他材料相比，形狀記憶合金的抗疲勞性能很好，變形可恢復應變很大(6％～8％)。因此，基于形狀記憶合金制成的阻尼器，較其他類型的阻尼器相比，具有變形可自動回復的特點，又具有較高的阻尼耗能能力，是減輕建筑結構在地震作用下損傷，減小地震后修復結構本身或修復、更換阻尼器費用的有效方案。

技術實現要素：

為解決現有技術中存在的上述缺陷，本發明給出的是一種圓盤形狀記憶合金阻尼器，其目的是克服以上背景技術存在的缺陷與不足，采用節點加固的方法，限制層間側移，顯著提高結構在地震作用下的耗能及自復位能力，從而解決因地震、風振或者機械振動產生的動力響應而導致的建筑物傾斜、倒塌等問題，并避免建筑物震后的二次糾偏加固。

本發明是通過下述技術方案來實現的。

一種圓盤形狀記憶合金阻尼器，包括木柱和連接木柱的木梁，在木柱和木梁相連的轉角處連接有基座，基座內設有能夠沿其轉動的轉動圓盤，基座通過豎向連接鋼板和木柱卡箍固定在木柱內側；轉動圓盤通過L型固定鋼板連接其中心圓軸分別連接豎向連接鋼板和木梁，轉動圓盤通過剛性系桿連接其偏心圓軸與木梁底面連接，所述基座與轉動圓盤間的空隙處設有超彈性形狀記憶合金絲，通過剛性系桿的上下往復運動帶動轉動圓盤的往復轉動，使得超彈性形狀記憶合金絲發生反復拉伸及復位，承受木柱和木梁的內力。

進一步，所述剛性系桿為沿轉動圓盤兩側對稱布置的雙臂桿，其一端與轉動圓盤右側偏心圓軸鉸接，另一端與固定在木梁底部的水平連接鋼板鉸接。

進一步，所述水平連接鋼板通過木梁卡箍固定在木梁底面，通過水平連接鋼板使剛性系桿沿轉動圓盤豎直設置。

進一步，所述豎向連接鋼板通過木柱卡箍固定在木柱內側，一側與基座焊接固定，上端與木柱和木梁相連的對角節點之間的間隙為10～30mm。

進一步，所述基座與豎向連接鋼板焊接一側開有供木柱卡箍通過的方形通孔。

進一步，所述基座為在頂邊削去一角的五邊形開孔板，頂邊為傾斜邊，開孔半徑為R，轉動圓盤通過基座中的中心圓軸連接在開孔中。

進一步，所述轉動圓盤半徑小于基座通孔半徑50～100mm。

進一步，所述基座孔壁上均布至少2個基座夾具，轉動圓盤圓周面上均布與基座孔壁上同等數量的圓盤夾具，超彈性形狀記憶合金絲通過交替設置的基座夾具和圓盤夾具固定在基座和轉動圓盤上。

進一步，所述超彈性形狀記憶合金絲位于基座孔壁與轉動圓盤外側圓周面之間，并且等距依次穿過基座孔壁和轉動圓盤圓周面上的夾具，形成閉合線圈。

進一步，所述木柱卡箍和木梁卡箍均由一個框型板連接一個矩形板構成，連接端通過螺栓連接或卡槽形式連接，即在框型板的端部設凸起狀的銷釘，矩形板對應端設有卡槽進行對接。

本發明的效果和優點：本發明利用形狀記憶合金的自復位、變形后無殘余等特點，加固后的木結構榫卯節點，其抗剪承載能力、抗彎承載能力明顯提高，耗能能力也顯著提高，震后可恢復，無殘余變形。節點加固后的抗震性能提高，使得整個結構抗震性能得到優化。

本發明具有良好的耐久性、抗腐蝕性能和抗疲勞性能。

采用卡箍將阻尼器與木結構連接，不使用木釘或木螺絲，對原有結構不產生任何損壞，達到了修舊如舊及保持結構原狀的修繕加固原則。

附圖說明

圖1為圓盤形狀記憶合金阻尼器示意圖；

圖2為圓盤形狀記憶合金阻尼器后視圖；

圖3為圓盤形狀記憶合金阻尼核心部件裝置示意圖；

圖4(a)-(b)分別為基座及其附屬部分的正視圖圖4(a)A-A剖視圖；

圖5(a)-(b)分別為轉動圓盤及其附屬件正視圖和圖5(a)B-B剖視圖；

圖6(a)-(b)分別為剛性系桿的正視圖和圖6(a)C-C剖視圖；

圖7(a)-(c)分別為卡箍的正視圖、左視圖和俯視圖。

圖中：1、木柱；2、木梁；3、基座；4、轉動圓盤；5、剛性系桿；6、豎向連接鋼板；7、水平連接鋼板；8、木柱卡箍；9、木梁卡箍；10、基座夾具；11、圓盤夾具；12、超彈性形狀記憶合金絲；13、L型固定鋼板；14、中心圓軸；15、偏心圓軸。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對發明作進一步的詳細說明，但并不作為對發明做任何限制的依據。

如圖1、圖2所示，一種圓盤形狀記憶合金阻尼器，包括木柱1和連接木柱1的木梁2，在木柱1和木梁2相連的轉角處連接有基座3，基座3內設有能夠沿其轉動的轉動圓盤4，基座3通過豎向連接鋼板6和木柱卡箍8固定在木柱1內側；轉動圓盤4通過L型固定鋼板13連接其中心圓軸14分別與豎向連接鋼板6和木梁2連接，轉動圓盤4通過剛性系桿5連接其偏心圓軸15與木梁2底面連接；基座3與轉動圓盤4間的空隙處設有超彈性形狀記憶合金絲12，通過剛性系桿5的上下往復運動帶動轉動圓盤4的往復轉動，使得超彈性形狀記憶合金絲12反復拉伸及復位，承受木柱1和木梁2的內力。

其中，剛性系桿5為沿轉動圓盤兩側對稱布置的雙臂桿，其一端與轉動圓盤的偏心圓軸15鉸接，另一端與固定在木梁2底部的水平連接鋼板7鉸接。水平連接鋼板7通過木梁卡箍9固定在木梁2底面，其位置通過使剛性系桿5保持豎直來確定，通過水平連接鋼板7使剛性系桿5沿轉動圓盤4豎直設置。

豎向連接鋼板6通過木柱卡箍8固定在木柱1內側，其一側與基座3焊接固定，上端與木柱1和木梁2相連的對角節點之間的間隙為10～30mm。

如圖3、圖4(a)-(b)所示，基座3與豎向連接鋼板6焊接一側開有供木柱卡箍8通過的方形通孔。基座3為在頂邊削去一角的五邊形開孔板，頂邊為傾斜邊，基座3頂邊從左到右傾斜，使得與木梁2底部留有一段距離，目的是保證木梁2可以發生微轉動。基座3開孔半徑為R，轉動圓盤4通孔圓心軸處有一半徑為r的中心圓軸14，r約為R的八分之一。中心圓軸14兩端通過螺栓與L型固定鋼板13固定。L型固定鋼板13呈前后對稱布置，一端與基座3焊接固定，另一端與圓軸14通過螺栓固定。如圖5(a)-(b)所示，轉動圓盤4中間開通孔，通孔半徑比轉動圓盤4中心圓軸14半徑略大，轉動圓盤4半徑小于基座3開孔半徑50～100mm。

基座3孔壁上均布至少2個基座夾具10(本發明以3個為例)，轉動圓盤4圓周面上均布有與基座3孔壁上同等數量的圓盤夾具11，固定超彈性形狀記憶合金絲12通過交替設置的基座夾具10和圓盤夾具11固定在基座和轉動圓盤上。

如圖3所示，超彈性形狀記憶合金絲12位于基座3孔壁與轉動圓盤4外側圓周面之間，并且等距依次穿過基座3孔壁和轉動圓盤4圓周面上的夾具，形成閉合線圈。

如圖6(a)-(b)所示，剛性系桿兩端部設有螺釘孔。

如圖7(a)-(c)所示，木柱卡箍8和木梁卡箍9均由一個框型板連接一個矩形板構成，連接端通過螺栓連接或卡槽形式連接，即在框型板的端部設凸起狀的銷釘，矩形板對應端設有卡槽進行對接。

分別在小震和大震作用下，對木結構榫卯節點進行工程分析，根據所要到達的性能要求確定阻尼器的尺寸和參數。

采用本發明阻尼器，小震時，節點轉動很小，加固后的節點剛度增大，由形狀記憶合金直接承受內力；大震時，節點發生較大轉動，帶動剛性系桿上下移動，從而帶動轉動圓盤繞基座中心的固定圓軸往復轉動，此時，形狀記憶合金發生反復拉伸及復位，耗散大量地震能量，阻尼器開始發揮耗能作用。

本發明并不局限于上述實施例，在本發明公開的技術方案的基礎上，本領域的技術人員根據所公開的技術內容，不需要創造性的勞動就可以對其中的一些技術特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發明的保護范圍內。