一种可恢复双稳态抗冲击附加结构

本发明属于建筑防护，具体涉及一种可恢复双稳态抗冲击附加结构。

背景技术：

1、近年来，化工厂、运输车爆燃爆炸事故、恐怖主义炸弹袭击事件、重大交通事故频发，建筑物的冲击防护问题不容忽略。对于普通民用建筑急需一种轻质高效的抗冲击防护体系。目前，民用建筑行业尚未对普通建筑可能发生的冲击进行设计，其原因在于冲击事件发生几率小，一旦发生产生的破坏和影响大，难以控制。在建筑设计中考虑冲击荷载不经济，也会增加梁、柱、板等构件尺寸，影响建筑外观。而传统利用结构自身抗冲击的防护，抗冲击效率低，冲击造成的损伤会影响结构的性能。

2、专利申请cn112593752b公开了一种变形适应型抗冲击墙体。该变形适应型抗冲击墙体包括：负刚度板、变形适应夹层和背板；所述变形适应夹层设置在所述负刚度板和所述背板之间；所述变形适应夹层包括：第一刚度层和第二刚度层；所述第一刚度层的刚度小于第二刚度层的刚度；所述第一刚度层的外侧与所述负刚度板连接，所述第二刚度层的外侧与所述背板连接，所述第一刚度层的内侧与所述第二刚度层的内侧连接；所述第一刚度层与所述第二刚度层的连接面为预设的弧形；所述背板包括：两层或多层钢板，每两层钢板之间设置有多个空格。该发明通过负刚度板、变形适应夹层和背板之间的相互协调，使得冲击能量被层层削弱、破碎；所以，使用上述的变形适应型抗冲击墙体，可以有效地提高墙体的抗爆抗冲击性能。但是其抗冲击结构耗能主体过于集中，且除钢板外，其他结构整体单层对能量冲击吸收耗散能力较为受限，结构修复能力还有所欠缺。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可恢复双稳态抗冲击附加结构，采用双稳态抗冲击单元，实现在冲击前阶段主要以结构及材料弹性吸能为主，后面的弹性阶段吸能更多，同时吸能效率大于放能效率，其优势在于，结构在弹性阶段吸收的能量大于传统实体结构，在额定能量下，能够实现无损耗能，并在吸收冲击能量后可以恢复原状；具有优异的抗冲击效率。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种可恢复双稳态抗冲击附加结构，包括建筑墙体5外侧设置的高阻尼支座6及冲击面板8，所述高阻尼支座6与冲击面板8之间成多排多列且多层布置有若干双稳态抗冲击单元1。

4、所述双稳态抗冲击单元1包括两层相对称设置的刚性支撑架3，两层相对称设置的刚性支撑架3之间设置有相对设置的两个双稳态耗能曲面2，双稳态耗能曲面2外缘通过支撑边缘12连接形成一个空腔16。

5、所述刚性支撑架3呈带对角线的正方形，对角线交点处突出于平面，所述双稳态耗能曲面呈外凸的变截面圆盘形，两层刚性支撑架3的突出处分别与双稳态耗能曲面2突出的圆心处相适配连接。

6、所述双稳态耗能曲面2半径为r，变截面的结构参数包括两个高度参数h1、h2，三个厚度参数d1、d2、d3，优化参数包括：

7、α＝4h2/r、β＝h1/h2、γ＝d1/h2、ε1＝d2/d1、ε2＝d3/d1

8、其中，α为矢跨比，β为形状参数，γ为刚度参数，ε1、ε2为厚度参数，通过上述的参数优化使得结构具有双稳态效应。

9、所述最内层的双稳态抗冲击单元1靠近高阻尼支座6的圆形双稳态耗能曲面2突出的圆心处直接与高阻尼支座6中间的凸台15相适配连接。

10、所述双稳态抗冲击单元1在x轴向成排，在y轴向成列，且相邻的刚性支撑架3之间分别通过刚性连接层7相连接，相邻的双稳态抗冲击单元1的支撑边缘12之间分别通过柔性连接层4相连接；双稳态抗冲击单元1在z轴向上多层紧密叠加连接。

11、所述柔性连接层4包括支撑边缘12上设置的空气释放孔13，相邻的空气释放孔13之间连通有排气管11，排气管11上设置有排气口14；空气释放孔13外口处设有止气阀9，止气阀9外侧设有压力簧片10。

12、所述双稳态耗能曲面2采用高弹模高韧性材料，包括钢材、纤维复合材料、高韧性塑料；所述纤维复合材料包括玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维复合材料；所述高韧性塑料包括acr-丙烯酸酯类树脂、mbs-甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物、cpe-氯化聚乙烯、abs。

13、所述高阻尼支座6由包括橡胶的高阻尼材料制作。

14、所述冲击面板8采用包括钢材、碳纤维的高强度的材料制成。

15、相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

16、1、双稳态抗冲击单元1接收到抗冲击面板分散的能量后，与冲击面板连接8的刚性支撑架3将冲击力集中在双稳态耗能曲面2中心，确保双稳态耗能曲面2可以发生双稳态变形；双稳态抗冲击单元1结构前阶段主要以弹性吸能为主，弹性阶段吸能更多，同时吸能效率大于放能效率。

17、2、双稳态耗能曲面2在刚性支撑架3的荷载下会发生双稳态变形，该变形的特征为：变形过程中材料可以保持弹性状态，变形过程中存在负刚度现象，变形过程中存在两个或多个稳定状态，双稳态耗能曲面2会在荷载作用下发生失稳，从开始的稳定状态w1到达另一个稳定状态w2，这个过程是吸收能量的，并且能量会保持在w2；在后续冲击扰动下稳定状态w2才会被打破回到稳定状态w1，这个过程是向外放能的；结构的放能过程与吸能过程并不对称，并且存在延迟效应，整体结构呈吸能快耗能慢的冲击响应，能够将冲击能量转变为应变能存储在结构内，阻止了冲击能量的继续传递。

18、3、双稳态耗能曲面2的变截面的结构优化参数包括：

19、α＝4h2/r、β＝h1/h2、γ＝d1/h2、ε1＝d2/d1、ε2＝d3/d1

20、其中，α为矢跨比，β为形状参数，γ为刚度参数，ε1、ε2为厚度参数；经优化算法(现有的遗传算法)证明双稳态耗能曲面2的变截面的结构具有最优的抗冲击效率。

21、4、当冲击作用于墙面时，冲击能量首先与冲击面板8接触，由于冲击面板8的高强高刚度特点，可以有效防止高应变率下的剪切破坏；冲击面板8背部连接有整齐排列的双稳态抗冲击单元1，冲击面板8会将冲击能量分散传递给双稳态抗冲击单元1，将局部的冲击能量传递到整体。

22、5、刚性支撑架3之间通过刚性连接层7连接，刚性连接层7的连接刚度较大，大刚度的连接可以减缓刚性支撑架3在冲击过程中的翻转和倾斜；高阻尼支座6采用柔性材料，能够进一步缓冲传递来的冲击荷载，保护承重主结构。

技术特征：

1.一种可恢复双稳态抗冲击附加结构，包括建筑墙体(5)外侧设置的高阻尼支座(6)及冲击面板(8)，其特征在于：所述高阻尼支座(6)与冲击面板(8)之间成多排多列且多层布置有若干双稳态抗冲击单元(1)。

2.根据权利要求1所述的一种可恢复双稳态抗冲击附加结构，其特征在于：所述双稳态抗冲击单元(1)包括两层相对称设置的刚性支撑架(3)，两层相对称设置的刚性支撑架(3)之间设置有相对设置的两个双稳态耗能曲面(2)，双稳态耗能曲面(2)外缘通过支撑边缘(12)连接形成一个空腔(16)。

3.根据权利要求2所述的一种可恢复双稳态抗冲击附加结构，其特征在于：所述刚性支撑架(3)呈带对角线的正方形，对角线交点处突出于平面，所述双稳态耗能曲面呈外凸的变截面圆盘形，两层刚性支撑架(3)的突出处分别与双稳态耗能曲面(2)突出的圆心处相适配连接。

4.根据权利要求2或3所述的一种可恢复双稳态抗冲击附加结构，其特征在于：所述双稳态耗能曲面(2)半径为r，变截面的结构参数包括两个高度参数h1、h2，三个厚度参数d1、d2、d3，优化参数包括：

5.根据权利要求1所述的一种可恢复双稳态抗冲击附加结构，其特征在于：最内层的所述双稳态抗冲击单元(1)靠近高阻尼支座(6)的圆形双稳态耗能曲面(2)突出的圆心处直接与高阻尼支座(6)中间的凸台(15)相适配连接。

6.根据权利要求1或2所述的一种可恢复双稳态抗冲击附加结构，其特征在于：所述双稳态抗冲击单元(1)在x轴向成排，在y轴向成列，且相邻的刚性支撑架(3)之间分别通过刚性连接层(7)相连接，相邻的双稳态抗冲击单元(1)的支撑边缘(12)之间分别通过柔性连接层(4)相连接；双稳态抗冲击单元(1)在z轴向上多层紧密叠加连接。

7.根据权利要求6所述的一种可恢复双稳态抗冲击附加结构，其特征在于：所述柔性连接层(4)包括支撑边缘(12)上设置的空气释放孔(13)，相邻的空气释放孔(13)之间连通有排气管(11)，排气管(11)上设置有排气口(14)；空气释放孔(13)外口处设有止气阀(9)，止气阀(9)外侧设有压力簧片(10)。

8.根据权利要求1或5所述的一种可恢复双稳态抗冲击附加结构，其特征在于：所述高阻尼支座(6)由包括橡胶的高阻尼材料制作。

9.根据权利要求2所述的一种可恢复双稳态抗冲击附加结构，其特征在于：所述双稳态耗能曲面2采用高弹模高韧性材料，包括钢材、纤维复合材料、高韧性塑料；所述纤维复合材料包括玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维复合材料；所述高韧性塑料包括acr-丙烯酸酯类树脂、mbs-甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物、cpe-氯化聚乙烯、abs。

10.根据权利要求1所述的一种可恢复双稳态抗冲击附加结构，其特征在于：所述冲击面板(8)采用包括钢材、碳纤维的高强度的材料制成。

技术总结
一种可恢复双稳态抗冲击附加结构，包括建筑墙体外侧设置的高阻尼支座及冲击面板，所述高阻尼支座与冲击面板之间成多排多列且多层布置有若干双稳态抗冲击单元；本发明的双稳态抗冲击单元实现了在冲击前阶段主要以结构及材料弹性吸能为主，后面的弹性阶段吸能更多，同时吸能效率大于放能效率，其优势在于，结构在弹性阶段吸收的能量大于传统实体结构，在额定能量下，能够实现无损耗能，并在吸收冲击能量后可以恢复原状；具有优异的抗冲击效率。

技术研发人员：马建勋,李文枭
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15