专利名称：水平多向隔震、竖向抗拔形状记忆合金－橡胶复合支座的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种具有水平多向隔震、竖向抗拔能力的形状记忆合金-橡胶复合支座，属于建筑结构减震控制领域。
2.背景技术在建筑结构的减震控制领域，通过使用橡胶隔震支座消减结构地震响应是一种较为成熟的被动控制技术。目前在工程隔震领域应用最为广泛的隔震器是普通橡胶支座和铅芯橡胶支座。普通橡胶支座虽然克服了橡胶块竖向刚度小、水平荷载作用下稳定性差等缺点，但由于橡胶本身阻尼小耗能不足，会造成由于隔震层变形较大所导致的支座失稳，所以它必须与其它阻尼器一起配合使用才能取得较好的减震效果。铅芯橡胶支座这种支座形式主要利用铅剪切挤压塑变机制耗能，耗能能力较强，可以提供较大的阻尼力，具有较好的减震效果。但是铅芯塑性变形后无法恢复自身原有形状，从而大为降低了该型橡胶支座的自恢复能力。上述不足已经成为妨碍建筑隔震进一步推广的主要矛盾。因此，研制性能更为优越的新型支座成为现阶段各国隔震技术的发展重点。
形状记忆合金(Shape Memory Alloy，缩写为SMA)是一种新型功能材料和智能材料。与普通材料相比，它具有独特的形状记忆效应、超弹性效应等特性。利用形状记忆合金超弹性效应设计的耗能装置具有耐久性和耐腐蚀性能好，使用期限长，允许大变形并且变形可恢复等优点。基于上述优异的性能，专家学者已开始将形状记忆合金用于建筑、桥梁新型隔震支座的研制。
《天津大学学报》，2002年11月，第35卷《应用形状记忆合金的高层建筑结构智能隔震》(本文发明内容和附图说明中简称其为文献1)提出了一种形状记忆合金丝复合普通叠层橡胶隔震垫混合隔震装置。该装置采用普通矩形橡胶支座在四面分别对称布置两对交叉的形状记忆合金拉索，它们分别处于常温马氏体状态和常温奥氏体状态。形状记忆合金拉索两端分别固定于橡胶支座的外联接钢板上，此外，拉索上还装有温控装置。将此种形状记忆合金复合普通叠层橡胶支座安装于建筑结构的基底，若遭遇强烈的地震作用，利用奥氏体状态形状记忆合金拉索的超弹性变形、马氏体状态形状记忆合金拉索的弹塑性变形以及橡胶的剪切滞回变形耗散地震动能量，减少隔震层的变形。在振动结束后，若支座存在残余变形，可以升高马氏体状态形状记忆合金拉索的温度，利用其形状记忆效应使结构复位。振动过程中试图改变马氏体状态形状记忆合金拉索的温度调整支座的水平刚度和阻尼，以适应地震作用的随机特性。这种混合隔震装置不足之处是形状记忆合金拉索未施加预拉伸，振动过程中支座侧面布置的两对拉索中的一对将因受压屈曲而丧失耗能作用，同时不能改善支座的竖向抗拔性能；由于拉索的两端固定在橡胶支座的四侧，形状记忆合金的超弹性变形小因而耗能较少且只能对水平面两个正交方向的地震动起一定的耗能作用，但对其它水平方向的地震动耗能能力不足，不足以保证任意水平方向地震作用下支座均能对上部建筑产生较好的隔震效果；升降温时形状记忆合金的反应速度较慢，需时较长，滞后效应明显，因此上述利用形状记忆效应进行建筑结构实时控制的半主动控制策略难以在工程中实施。
《世界地震工程》2003年12月，第19卷第4期《SMA-橡胶复合支座的设计与隔震性能》(本文发明内容和附图说明中简称其为文献2)从被动隔震的角度提出了一种形状记忆合金-橡胶复合支座。它由上下两块联结钢板、两组交叉的形状记忆合金丝及叠层橡胶垫组成。两组形状记忆合金丝均处于常温奥氏体状态。形状记忆合金丝经预拉伸后与粘结于橡胶垫两端的钢板连接。在地震作用下，叠层橡胶垫发挥其隔震功能，而当上下两层钢板产生相对水平位移时，两组交叉的形状记忆合金丝共同工作，通过它们在超弹性变形下的滞回耗能能力消耗地震能量。由于形状记忆合金丝的作用，能够克服普通橡胶支座隔震层位移过大、铅芯橡胶支座铅芯震后出现残余变形等不足。然而，上述支座中形状记忆合金丝对称固定于橡胶垫的两侧，地震作用下形状记忆合金丝的超弹性伸缩变形很小，造成超弹性阻尼滞回耗能能力不足；该支座只能针对平行于形状记忆合金丝所在平面的水平地震激励充分发挥超弹性阻尼耗能作用以达到较理想的隔震效果，对其它水平方向的地震激励的耗能作用很弱，因此对水平地震作用输入方向的适应性较差。
3.
发明内容
本实用新型的目的是为了克服现有技术中普通橡胶支座、铅芯橡胶支座和形状记忆合金-橡胶复合支座的不足，提出了一种具有水平多向隔震、竖向抗拔能力的形状记忆合金-橡胶复合支座。
本实用新型技术方案见图3，它包括有上联接钢板7、下联接钢板8、粘接于上联接钢板7和下联接钢板8之间的叠层橡胶垫3、叠层橡胶垫3四周呈交叉状对称布置的形状记忆合金丝6，特征在于在上联结钢板7下方的四周按照公知技术连接带有光滑孔的定位块10，用于形状记忆合金丝6的安装和预拉伸的调节阀9与定位块10按照公知技术相连接；调节阀9包括用于穿过形状记忆合金丝6的拉环13，穿过定位块10光滑孔的螺杆14，装在螺杆14上的螺母15，调整螺母15使调节阀9在定位块10中沿水平方向平动实现形状记忆合金丝6的预拉伸；在下联结钢板8上方的四周与定位块10对应位置按照公知技术设用于固定形状记忆合金丝6带孔的压板11。
上述在上联接钢板7下方的四周焊接或铆接带孔的定位块10，按照公知技术，上联接钢板7为圆形或矩形，定位块10均布在四个方向上，上联接钢板7为矩形时定位块10分布在四角上。
上述在下联接钢板8上定位块10对应的位置按照公知技术设用于固定形状记忆合金丝6的压板11，下联接钢板8打孔后通过螺丝12与压板11连接，形状记忆合金丝6放置在压板11和下联接钢板8之间，旋紧螺丝12可固定形状记忆合金丝6。
基于以上技术方案的形状记忆合金-橡胶复合支座的上下联接钢板开有圆孔，依靠螺栓与建筑物其他部分相连接，它一般安装于建筑物基底与地基之间或建筑物屋盖与下部支承结构之间。其工作过程为在任意水平输入方向的强震作用下，设置在建筑物两个部分之间的形状记忆合金-橡胶复合支座上下联接钢板发生水平相对运动，经过预拉伸的形状记忆合金丝在它们带动下发生伸缩变形并同时在调节阀的拉环中滑动。由于形状记忆合金丝金相组织是奥氏体状态，在工作温度下具有超弹性性能，当加卸载的时候，两组同时受力的形状记忆合金丝能够提供超弹性阻尼，在橡胶剪切滞回的配合下，消耗地震动能量。由于形状记忆合金-橡胶复合支座上下联接钢板发生任意水平方向的相对运动时，叠层橡胶垫的四侧布置的形状记忆合金丝均可在调节阀的拉环中滑动，故本实用新型在形状记忆合金超弹性范围内有更大的伸缩变形，这样就使得本实用新型具有适当的柔性和较强的耗能能力，从而既可以有效隔离由任一水平方向输入的地震作用来消减上部建筑结构地震加速度响应，又可以将建筑物隔震层的相对位移控制在合适的范围内。此外，多维地震作用下支座可能出现竖向受拉状态，按照本实用新型技术方案在普通橡胶支座中布置形状记忆合金丝后，使得本实用新型在实现水平多向隔震的同时亦具有较好的竖向抗拔能力，更为可靠地确保了在强地震多维地面运动综合作用下支座的整体性。
综上所述，与现有技术相比，本实用新型采用了实现形状记忆合金丝预拉伸的调节阀，其上拉环的中空部分使得形状记忆合金丝可以自由滑动，形状记忆合金丝在超弹性范围内有更大的伸缩变形，从而充分地利用了形状记忆合金的超弹性效应，对任意水平方向输入的地震动均有良好的隔离作用，因此耗能能力更强，更好地实现了隔震性能和衰减性能的统一；文献1和文献2中均未提供安装形状记忆合金丝的构造措施，文献2中也没有给出实施形状记忆合金丝预拉伸的构造措施，而本实用新型针对形状记忆合金丝的安装和预拉伸提供了明确的构造措施，便于人员操作；本实用新型具有较好的竖向抗拔能力，确保了强地震多维地面运动综合作用下自身的整体性。
图1、文献1提供的形状记忆合金-橡胶复合支座模型图；图2、文献2提供的形状记忆合金-橡胶复合支座模型图；图3、本实用新型形状记忆合金-橡胶复合支座三维图；图4(a)、本实用新型形状记忆合金-橡胶复合支座中下联接钢板一角处的压板和形状记忆合金丝俯视图；图4(b)、本实用新型形状记忆合金-橡胶复合支座中下联接钢板上与图4(a)所示位置在同一条对角线上的另一块压板和形状记忆合金丝俯视图；图5、本实用新型形状记忆合金-橡胶复合支座中调节阀模型图；图6、本实用新型形状记忆合金-橡胶复合支座性能试验所得回复力-位移曲线；图中1、奥氏体状态形状记忆合金拉索，2、马氏体状态形状记忆合金拉索，3、叠层橡胶垫，4、外联接钢板，5、联接钢板，6、形状记忆合金丝，7、上联接钢板，8、下联接钢板，9、调节阀，10、定位块，11、压板，12、螺丝，13、拉环，14、螺杆，15、螺母。
具体实施方式
本实用新型的实施根据图3，采用现有加工和装配技术制作。使用前，将一组形状记忆合金丝6穿过上联接钢板7任意一个对角线方向上两个调节阀9的拉环13中，用这两个调节阀9斜下方下联结钢板8对角线方向的两块压板11将这组形状记忆合金丝6夹紧，再将调节阀9插入定位块10中，另一组形状记忆合金丝采用相同的方法安装，即两组形状记忆合金丝在支座四侧呈交叉状。由于丝材仅能够承受拉力，为避免形状记忆合金丝6在振动过程中发生受压屈曲，因此形状记忆合金丝6安装完毕后还须对其进行预拉伸，保证形状记忆合金丝6在工作过程中总是处于受拉状态。为此，在调节阀上的螺杆14装有螺母15，调整螺母15使调节阀9在定位块10中水平方向内平动即可实现形状记忆合金丝6的预拉伸。为了充分发挥形状记忆合金的超弹性性能，推荐拉伸至形状记忆合金丝材最大拉应变的半值，即丝材预拉应变处于超弹性平台的中点。
在本实用新型中，选用的形状记忆合金丝直径按公知技术设定，本实施例中的各参数如下直径为1.0mm的NiTi合金丝，化学成分为Ti-51at％Ni，按照常规工艺技术进行记忆合金材料的处理。材料在母相状态下的相变温度如表1所示。考虑到形状记忆合金材料在土木工程结构中的工作温度，选定材料的特征温度Af＝-5℃，这样就可以保证材料在绝大多数情况下处于奥氏体状态，充分发挥其超弹性性能，在其它环境温度下，可挑选相应工作温度的形状记忆合金丝材以保证材料处于奥氏体状态。性能试验中形状记忆合金-橡胶复合支座的尺寸为橡胶垫直径150mm，高度46mm；上下联接钢板300×300×10mm；调节阀总长63mm，螺杆直径14mm，拉环内径10mm；压板30×30×2mm；螺丝直径5mm。形状记忆合金丝设计最大拉应变为6％，预拉伸应变为3％。
对形状记忆合金-橡胶复合支座进行伪静力性能试验测试，试验装置包括千斤顶、作动器和位移计，得到具有相同尺寸及相同橡胶材料的形状记忆合金-橡胶复合支座和普通橡胶支座在竖向恒载4吨、水平加载频率0.5Hz条件下的回复力-位移滞回曲线对比图如图6所示。
由于支座的位移-回复力曲线所包络的面积大小反映了其所能耗散的能量的大小，面积越大，耗散的能量越多。比较图6中形状记忆合金-橡胶复合支座滞回曲线的包络面积明显大于普通橡胶支座滞回曲线的包络面积，说明本实用新型的耗能能力优于基于现有技术的普通橡胶支座。
表1NiTi记忆合金材料特征温度
权利要求1.水平多向隔震、竖向抗拔形状记忆合金-橡胶复合支座，它包括有上联接钢板(7)、下联接钢板(8)、粘接于上联接钢板(7)和下联接钢板(8)之间的叠层橡胶垫(3)、叠层橡胶垫(3)四周呈交叉状对称布置的形状记忆合金丝(6)，特征在于在上联结钢板(7)下方的四周按照公知技术连接带有光滑孔的定位块(10)，用于形状记忆合金丝(6)的安装和预拉伸的调节阀(9)与定位块(10)按照公知技术相连接；调节阀(9)包括用于穿过形状记忆合金丝(6)的拉环(13)，穿过定位块(10)光滑孔的螺杆(14)，装在螺杆(14)上的螺母(15)，调整螺母(15)使调节阀(9)在定位块(10)中沿水平方向平动实现形状记忆合金丝(6)的预拉伸；在下联结钢板(8)上方的四周与定位块(10)对应位置按照公知技术设用于固定形状记忆合金丝(6)带孔的压板(11)。
2.根据权利要求1所述的水平多向隔震、竖向抗拔形状记忆合金-橡胶复合支座，其中在在上联接钢板(7)下方的四周焊接或铆接带孔的定位块(10)，按照公知技术，上联接钢板(7)为圆形或矩形，定位块(10)均布在四个方向上，上联接钢板(7)为矩形时定位块(10)分布在四角上。
3.根据权利要求1所述的水平多向隔震、竖向抗拔形状记忆合金-橡胶复合支座，其中在下联接钢板(8)上定位块(10)对应的位置按照公知技术设用于固定形状记忆合金丝(6)的压板(11)，下联接钢板(8)打孔后通过螺丝(12)与压板(11)连接，形状记忆合金丝(6)放置在压板(11)和下联接钢板(8)之间，旋紧螺丝(12)可固定形状记忆合金丝(6)。
专利摘要水平多向隔震、竖向抗拔形状记忆合金－橡胶复合支座，属减震领域。它包括上联接钢板(7)、下联接钢板(8)、粘接于(7)和(8)之间的叠层橡胶垫(3)、(3)四周呈交叉状对称布置的形状记忆合金丝(6)，特征在于在(7)下方的四周连接带光滑孔的定位块(10)，用于形状记忆合金丝(6)的安装和预拉伸的调节阀(9)与(10)连接；调节阀(9)包括用于穿过(6)的拉环(13)，穿过(10)孔的螺杆(14)，装在螺杆(14)的螺母(15)，调整(15)使(9)在定位块(10)孔中在水平方向上平动，实现(6)的预拉伸；在(8)上与定位块(10)对应位置设用于固定(6)的压板(11)。本实用新型具水平多向隔震、竖向抗拔能力。
文档编号E04B1/98GK2716377SQ20042005045
公开日2005年8月10日 申请日期2004年4月30日 优先权日2004年4月30日
发明者薛素铎, 李彬双, 庄鹏 申请人:北京工业大学