压电 ‑SMA 复合变摩擦智能阻尼器 技术领域 本发明涉及土木工程结构减振控制领域， 具体为一种适用于建筑物减震抗震以及 风致振动控制等结构工程领域， 特别适用于隔震工程的， 对工程结构在地震或风致振动作 用下的结构反映起抑制作用的， 并且能实现半主动控制的摩擦阻尼器。
背景技术
地震、 强风的作用给土木工程结构的安全性和舒适性构成了严重的威胁， 如何有 效地减轻工程结构在地震和强风等动力载荷下的响应， 提高结构的抗震抗风能力是土木工 程学科中亟待解决的问题之一。
20 世纪 50 年代， 日本 Kobori 提出了结构变刚度减震概念 ； 1972 年， 美国 Yao 结 合现代控制理论， 提出了土木工程结构振动控制的概念， 开创了结构振动的主动控制研究 的新里程。 由于直接将能量转化为控制力的主动控制在土木工程中的应用遇到了很大的困 难——需要很大的能量转变为控制力， 因此人们不得不转向为半主动控制。在半主动控制 装置中， 磁流变阻尼器已发展成为主流的控制装备， 并且改变了近三四十年来结构振动控 制理论及方法研究多、 应用少的局面。但这种装置很难适应土木工程庞大而复杂的结构系 统的抗震和抗风要求， 故推动其它半主动阻尼器的发展和实际工程应用是二十一世纪土木 工程结构振动控制领域的当务之急。
结构隔震技术是一种发展较快的地震防护技术， 隔震的概念早在 20 世纪初就有 人提出 , 但直到 20 世纪 20 年代才开始在工程上尝试应用。近年来 , 现代隔震技术在土木 工程领域得到了较大规模的应用。在美国 , 第一幢采用基础隔震技术的 4 层结构于 1984 年初开始建造 , 并于 1985 年中期完成。在日本 , 目前采用基础隔震技术的结构己经超过 1000 幢 , 并且近来每年还有一系列基础隔震设计方案出炉。 结构隔震技术以其优良的减震 效果、 安全性、 耐久性、 经济性、 适用性 , 得到地震工程界的认可。目前 , 隔震技术已经较为 成熟 , 成为很重要的一种结构控制技术采用隔震技术建造的建筑和桥梁经受了多次实际 地震的考验 , 为我们提供了大量成功的经验。
混合控制隔震系统则是发挥被动控制和主动控制半主动控制的综合优势 , 将叠 层橡胶支座与电、 磁流变阻尼器等半主动控制装置或称智能阻尼器或主动控制装置混合在 一起使用 , 既使隔震系统上部结构的地震加速度反应和层间变形很小 , 又使隔震层不会发 生大位移， 且由于该隔震系统的主动作动器需要的能量小 , 适应性强 , 控制效果好 , 被认 为是有发展潜力的新一代隔震系统。但现有的智能隔震体系主要有下列缺陷 ： （1） 半主动控制系统的研究问题。尽管半主动控制系统目前已有少数工程实例 , 但迄 今为止仍以理论和试验研究为主。与机械工程和航空领域的被控对象而言 , 建筑结构普遍 存在体积大、 质量大和控制力需求大等特点 , 如果实际控制系统出力不足 , 就不能满足土 木工程抗震的需要。若控制系统出力满足需要 , 前述变阻尼控制装置和 MR 阻尼器存在的 然而目前绝大多数半主动控制装置的出力远远不能 问题就有可能在一定程度上得以克服。 满足实际建筑结构振动控制的需求。磁流变液阻尼器是近年发展起来的一种优秀的智能控制装置。 由于它具有结构简 单、 出力大、 调节容易和控制效果好的特点， 因此它是目前真正能够有效地应用于土木工程 结构振动智能控制的主要装置。但是， 国际上对它的研究从 20 世纪 90 年代初到现在已有 十多年的时间， 其理论成果从研究走向应用的极少， 在全世界也仅有极少的几例。 这是为什 么呢？最根本的原因有三个 ： 1) 磁流变液的稳定性和响应时间指标达不到工程应用的要 求， 这使得磁流变液阻尼器的性能不能完全满足土木工程结构实际应用的需要 ； 2) 在磁流 变液阻尼器对结构振动的半主动控制策略上存在缺陷， 以致被认为磁流变液阻尼器的半主 动控制的效果不如被动开控制 (passive-on) 的效果， 失去磁流变液阻尼器对结构振动智 能控制的意义 ； 3) 在工程应用上， 研究者常用磁流变液阻尼器去解决常规被动阻尼器也能 解决的结构振动控制问题， 体现不出磁流变液阻尼器智能控制的优势。 由于以上三个原因， 使得磁流变液阻尼器及其对土木工程结构振动的智能控制方法失去了它与常规被动控制 方法比较的技术优势， 因此， 土木工程界不看好它， 在工程实践中的应用就很少了。
摩擦阻尼器具有构造简单、 安装方便、 耗能能力好等许多优点， 因此成为工程中常 用的一种耗能减振装置。但此类装置摩擦力是固定不变的， 在工程应用中有诸多限制。压 电陶瓷驱动器有电致变形、 响应时间快、 驱动力大的特点用于调节摩擦板间的接触压力 （正 压力） ， 可显著提高摩擦阻尼器的耗能减振能力， 因此国内外学者在此基础上研制出了了用 于半主动控制的各种压电摩擦阻尼器。 但压电变摩擦阻尼器比磁流变阻尼器提供的可调阻 尼力更小， 目前基本没有工程实际应用。 形状记忆合金 (ShapeMemoryAlloy, 简称 SMA) 是一种全新的功能材料， 具有形状 记忆、 相变超弹性和高阻尼的特性 , 具有相变超弹性的 SMA 材料的刚度和阻尼都会随着材料 的变形或温度的变化， 即相变的进行而改变。由形状记忆合金制作的器件和系统已经广泛地 应用于航空航天、 仪器仪表、 自动控制、 能源、 机器人和医学等领域。 形状记忆合金在土木工程 结构振动控制领域的研究始于上世纪 90 年代。土木工程领域研制开发的 SMA 装置主要有两 类 : 一类是 SMA 驱动器 , 另一类是 SMA 被动阻尼器。前者利用 SMA 的形状记忆效应 , 后者利 用 SMA 的超弹性特性。利用形状记忆合金超弹性效应设计的耗能器与其它的金属耗能器相 比 , 具有耐久性和耐腐蚀性能好 , 使用周期长 , 允许大变形且变形可恢复等一系列优点。
综上所述， 国内外学者研究了不同类型和构造的耗能减振器， 归纳起来主要有 ： 1、 黏滞阻尼器， 2、 黏弹性阻尼器， 3、 摩擦耗能阻尼器， 4、 软钢阻尼器， 5、 铅阻尼器， 6、 形状记忆 合金阻尼器， 7、 磁或电流变阻尼器， 8、 压电变摩擦阻尼器等。 但上述阻尼器都采用单一的耗 能机制或单一的耗能元件和材料耗能， 所提供的阻尼力 （屈服力） 和初始刚度有限。
为满足实际工程需要， 耗能器 （阻尼器） 必须做得足够大才能满足要求， 一般建筑 结构用耗能器的阻尼力以 500kN 以上为宜， 阻尼力太小， 所需的阻尼器的数量就多， 布置起 来会非常麻烦， 施工顺序和周期增加， 还影响建筑物使用空间。特别对半主动控制的阻尼 器， 数量太多还会导致控制系统复杂， 降低整个控制系统的可靠性。 而且现有阻尼器大部分 是单向的， 水平方向需沿 x、 y 双向布置阻尼器， 为实现竖向隔震， 还需在竖向布置阻尼器， 这些都导致隔震层阻尼器布置的复杂和困难。
（2） 隔震结构的竖向隔震问题。研究者主张利用橡胶隔震垫的竖向刚度和阻尼来 减小隔震结构的竖向地震反应。其中 ,Asano 等人研究了橡胶垫隔震层在 Kobe 地震下对结 构竖向和摇摆振动的隔震作用。 Lew 和 Hudson 等人在分析了一些实际结构的实测竖向地震
反应记录之后指出 , 较大烈度的竖向地震并不会对隔震结构造成危害。应该看到 , 他们的 研究虽有价值 , 但并不全面。首先 , 橡胶隔震垫主要是根据水平隔震的要求而设计的 , 它 的竖向刚度和阻尼对竖向隔震并不是最优的 ； 其次 , 隔震结构的竖向地震反应虽不会对隔 震层造成危害 , 但它有可能使上部结构柱产生较大的轴向地震力 , 从而导致结构柱总的轴 压比超过允许值。 发明内容 为了克服现有的压电变摩擦阻尼器耗能能力低， 过大的预压力导致阻尼器启动困 难， 静摩擦系数比动摩擦系数大， 而且不稳定 ； 摩擦阻尼器有残余位移的不足， 本发明旨在 提供一种由形状记忆合金和叠层压电陶瓷堆复合而成的能实现半主动控制的压电 -SMA 复 合变摩擦智能阻尼器， 它利用 SMA 的自复位能力解决了摩擦阻尼器残余位移的问题， 且由 于 SMA 丝的存在对竖向震动产生阻尼， 也能给放在隔震层的阻尼器提供竖向抗拔承载力， 是一种构造简单， 适合于工程应用的半主动耗能阻尼器。
为了实现上述目的， 本发明所采用的技术方案是 ： 所述压电 -SMA 复合变摩擦智能 阻尼器， 包括上盖板和下连接固定板， 其结构特点是， 在上盖板和下连接固定板之间设有与 隔震层上部结构刚性连接的驱动器水平定位板， 在该驱动器水平定位板上竖向布置有多个 SMA 丝调节阀， 在上盖板和下连接固定板之间设有多根 SMA 丝， 每根 SMA 丝的两端分别固定 在该上盖板和下连接固定板上， 且每根 SMA 丝对应穿过一个用于固定 SMA 丝并对 SMA 丝施 加预拉力的 SMA 丝调节阀 ； 所述上盖板和下连接固定板之间还设有垂直装在该驱动器水平 定位板中心位置叠层压电驱动器， 该叠层压电驱动器可随所述驱动器水平定位板平动或扭 转且相对于所述驱动器水平定位板可在竖向自由滑动。 。
进一步地， 为了保护 SMA 丝和叠层压电驱动器， 在 SMA 丝外侧设有固定在驱动器水 平定位板上的环形叠层橡胶垫， 该环形叠层橡胶垫两端分别与上盖板和下连接固定板固定 连接， 且将 SMA 丝和叠层压电驱动器环绕在环形叠层橡胶垫内侧。
进一步地， 所述上盖板的下端和下连接固定板的上端设有摩擦板， 水平震动时， 叠 层压电驱动器相对摩擦板滑动。
所述叠层压电驱动器布置在驱动器水平定位板的方式为平动型或扭转型， 叠层压 电驱动器的具体数量依照结构动力计算的结果来确定。
所述 SMA 丝调节阀为 SMA 丝施加的预应变为 3% 左右。
将上述阻尼器通过螺栓固定在预埋钢板上， 然后可以埋于隔震层内。
藉由上述结构， 当地震发生时， 驱动器水平定位板相对于上盖板和下连接固定板 移动， 通过调整叠层压电驱动器的电压， 在一个由结构振动半主动控制算法决定的电场作 用下， 在完全约束条件下叠层压电驱动器会在摩擦板上产生一个与电场强度成正比的正压 力， 由于摩擦系数是一个定值， 故叠层压电驱动器与摩擦板间的摩擦力会随正压力变化而变 化， 即随电压的变化而变化， 通过单片机嵌入半主动控制算法后， 可以实现对摩擦阻尼力的智 能控制。同时， SMA 丝经预拉伸后， 发生拉伸变形， 利用其超弹性耗能， 在特大地震发生时， 给 SMA 丝通电， 可大大增加本发明所述阻尼器的阻尼力和自复位能力， 以应对余震的发生。
当地震结束后， 由于 SMA 丝的超弹性恢复力， 会使本发明所述阻尼器的驱动器水 平定位板自动恢复到竖向振动平衡位置。
当发生竖向地震时， SMA 丝发生拉伸变形， 利用其超弹性耗能， 同时还能提供抗拔 承载力。其中 SMA 丝向上振动时， 位于驱动器水平定位板下侧的 SMA 丝拉伸， 利用 SMA 丝的 超弹性耗能， 提供竖向阻尼， 驱动器水平定位板由隔震层上部结构的刚臂带动， 向上振动 ； SMA 丝向下振动时， 位于驱动器水平定位板上侧的 SMA 丝拉伸， 利用 SMA 丝的超弹性耗能， 提 供竖向阻尼， 驱动器水平定位板只能约束压电驱动器的水平方向， 并与之同时移动， 竖向则 可上下自由滑动， 驱动器水平定位板由隔震层上部结构的刚臂带动， 向下振动。
当断电时， 叠层压电驱动器不能正常工作， 导致 SMA 丝拉伸长度会变大， 它的超弹 性耗能能力会相应增强， 可以继续保证结构在地震情况下的安全。
本发明第一次系统提出并通过所发明的装置实现了用两种智能材料——形状记 忆合金和叠层压电堆研制复合摩擦智能阻尼器的思想。SMA 具有独特的形状记忆和超弹性 效应 , 叠层压电陶瓷驱动器在电场作用下能够在瞬间 ( 微秒级 ) 改变摩擦阻尼器的正压 力。针对以往国内外学者设计的压电摩擦阻尼器的不足， 尤其是压电摩擦阻尼器提供的可 调控阻尼力偏小， 预压力太大时， 摩擦阻尼器起动困难， 本发明提出半主动控制的复合阻尼 器思想， 利用了叠层压电堆和形状记忆合金的优势， 研制复合的、 能实现半主动控制的阻尼 器。叠层压电堆可以根据设计需要烧结成不同的形状， 只需要两根提供电压的导线就可以 形成一个可变的电场来实现半主动控制， 而磁流变阻尼器需要一个电磁线圈形成可变的磁 场才能实现， 因此磁流变阻尼器和其它智能材料组合， 形成复合阻尼器的难度要比叠层压 电堆要大得多。因此利用叠层压电堆和 SMA 来设计复合智能阻尼器是最容易实现的， 其结 构更加简单、 体积小巧、 设计更加灵活。 由 SMA 丝和压电摩擦阻尼器协同工作的新型智能阻尼器 , 小震时 , 藉由奥氏体 SMA 丝的超弹性耗能 , 叠层压电堆加以负向电压， 摩擦阻尼器出力比被动状态下 （无控时） 还小 , 保证了隔震层很容易起滑 ； 大震时 , 马氏体 SMA 丝升温 , 利用形状记忆特性提供回 复力 , 叠层压电堆施加正电压 , 提供可控的摩擦强阻尼力。 在同一种耗能机制下， 利用多种 耗能元件协同工作、 共同耗能 ； 这种阻尼器还具有多道耗能减震防线， 符合建筑结构抗震设 计的多道设防原则， 同时使半主动控制阻尼器的正安全载荷 （Fale-Safe） 能力得到提高， 在 断电的情况下， 仍然能够被动耗能减振 （被动控制状态下为摩擦和 SMA 丝利用超弹性耗能） 。
由于隔震用叠层橡胶支座一般为圆形， 它能够保证在平面内的各个方向的隔震效 果， 本发明公开的压电摩擦阻尼器能在上部结构相对与基础的任意方向的水平振动都能带 动阻尼器的运动而耗散能量， 所以本发明所述的上盖板和下连接固定板均为保证在水平方 向能提供万向阻尼的圆形。
本发明实质为一种竖向被动隔震阻尼器和水平方向半主动控制的 SMA- 压电摩擦 复合阻尼器， 提出了 SMA 与压电变摩擦阻尼器组合而成的智能复合隔震系统的基础上 , 在 建立了智能复合隔震系统对建筑结构 “水平剪扭 - 竖向” 地震反应控制方程的前提下 , 分 别提出了智能复合隔震系统对建筑结构水平地震反应的模糊半主动控制策略和对建筑结 构竖向地震反应的被动控制方法。
具体而言， 利用 SMA 丝， 能非常简单地提供水平各向和竖向阻尼力， 同时也给阻尼 器提供一定的竖向抗拔承载能力， 为在高层建筑结构中使用隔震技术提供技术基础 （提供 竖向隔震阻尼力和竖向抗拔力） 。
本发明解决了摩擦阻尼器的自复位问题， SMA 是一种广泛应用的智能材料， 不仅耗
能能力良好， 而且卸载后可以自动恢复到初始状态， 本发明利用其解决了摩擦阻尼器的自 复位问题。
与现有技术相比， 本发明的有益效果是 ： 1) 与现有的磁流变与形状记忆合金的组合相比， 叠层压电驱动器和 SMA 丝都是可加 工性很好的固体材料， 两者的组合构造简单、 安装拆卸方便， 故震后可修复能力好 ； 2) 具有自复位能力 ； 3) 断电情况下具有较大的被动阻尼， 同时初始刚度小， 又能保证较好的隔震效果 ； 4) 可在水平方向提供万向的可调节智能阻尼 ； 5) SMA 丝能够提供竖向抗拔承载力， 竖向振动时， 能提供竖向阻尼 ； 和水平方向提供 的万向阻尼的联合作用下， 能大大简化隔震层阻尼器布置的复杂性。
6) 与现有的压电变摩擦阻尼器相比， 阻尼力增大， 耗能能力增强， 可靠度提高， 可 改变目前压电阻尼器由于阻尼力太小而没有工程实际应用的现状。 附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图 1 是本发明固定在预埋钢板上的示意图 ； 图 2 是本发明一种实施例的俯视图 ； 图 3 是本发明一种实施例的静态侧视图 ； 图 4 是图 3 水平方向振动工作原理图 ； 图 5 是图 3 竖直向上振动工作原理图 ； 图 6 是图 3 竖直向下振动工作原理图 ； 图 7 是本发明所述平动型智能阻尼器叠层压电块布置图 ； 图 8 是本发明所述扭转型智能阻尼器叠层压电块布置图 ； 图 9 是本发明所述驱动器水平定位板构造图 ； 图 10 是本发明在基础隔震中的安装示意图 ； 图 11 是本发明在高层建筑框架中的布置示意图。
在图中 1- 上盖板 ； 2- 下连接固定板 ； 3- 驱动器水平定位板 ； 4-SMA 丝调节阀 ； 5-SMA 丝固定螺栓 ； 6- 叠层压电驱动器 ； 7- 竖向振动平衡位置 ；8- 摩擦板 ； 9- 螺栓 ； 10-SMA 丝 ； 11- 复合摩擦阻尼器 ； 12- 预埋钢板 ； 13- 环形叠层橡胶垫。 具体实施方式
实施例 1 一种压电 -SMA 复合变摩擦智能阻尼器， 如图 2、 3 和 9 所示， 包括圆形的上盖板 1 和利 用大直径高强度的螺栓 9 与上盖板 1 固定在一起的圆形的下连接固定板 2， 该上盖板 1 的下 端和下连接固定板 2 的上端设有摩擦板 8， 该摩擦板 8 可选用直径为 600mm 的货车刹车片， 在上盖板 1 和下连接固定板 2 之间设与隔震层上部结构固定连接的驱动器水平定位板 3， 在该驱动器水平定位板 3 上竖向布置有 12 个 SMA 丝调节阀 4， 在上盖板 1 和下连接固定板 2 之间设有 12 根 SMA 丝 10， 每根 SMA 丝 10 的两端分别通过 SMA 丝固定螺栓 5 固定在该上盖 板 1 和下连接固定板 2 上， 且每根 SMA 丝 10 对应穿过一个用于固定 SMA 丝 10 并对 SMA 丝 10 施加预拉力的 SMA 丝调节阀 4， 该 SMA 丝调节阀 4 为 SMA 丝 10 施加的预应变为 3%。
所述 SMA 丝 10 外侧设有固定在驱动器水平定位板 3 上的环形叠层橡胶垫 13， 该环 形叠层橡胶垫 13 两端分别与上盖板 1 和下连接固定板 2 固定连接， 且将 SMA 丝 10 和叠层 压电驱动器 6 环绕在环形叠层橡胶垫 13 内侧。
所述上盖板 1 和下连接固定板 2 之间还设有垂直装在该驱动器水平定位板 3 中心 位置叠层压电驱动器 6， 该叠层压电驱动器 6 可随所述驱动器水平定位板 3 平动或扭转且相 对于所述驱动器水平定位板 3 可在竖向自由滑动。如图 8 所示， 该叠层压电驱动器 6 布置 在驱动器水平定位板 3 的方式为扭转型， 即叠层压电驱动器 6 在水平地震时相对于驱动器 水平定位板 3 发生扭转。所述叠层压电驱动器 6 优选为现有的叠层压电陶瓷驱动器。
所述上盖板 1、 下连接固定板 2 和驱动器水平定位板 3 优选为钢板。
如图 1、 10 和 11 所示， 将上述复合摩擦阻尼器 11 通过螺栓固定在预埋钢板 12 上， 然后可以埋于隔震层内。 当地震发生时， 如图 4 所示， 驱动器水平定位板 6 相对于上盖板 1 和下连接固定 板 2 移动， 通过调整叠层压电驱动器的 6 电压， 在电场作用下， 在完全约束条件下叠层压电 驱动器 6 会在摩擦板 8 上产生一个与电场强度成正比的正压力， 由于摩擦系数是一个定值， 故叠层压电驱动器 6 与摩擦板 8 间的摩擦力会随正压力变化而变化， 即随电压的变化而变 化， 通过单片机嵌入半主动控制算法后， 可以实现对摩擦阻尼力的智能控制， 本发明中叠层 压电驱动器 6 可提供 0-8KN 的可调节的摩擦阻尼力。同时， SMA 丝 10 经预拉伸后， 发生拉 伸变形， 利用其超弹性耗能， 在特大地震发生时， 给 SMA 丝 10 通电， 可大大增加本发明所述 阻尼器 11 的阻尼力和自复位能力， 以应对余震的发生。
水平震动时， 叠层压电驱动器 6 相对摩擦板 8 滑动， 相对摩擦板 8 滑动的最大行程 为 155mm。
如图 5 和 6 所示， 当地震结束后， 由于 SMA 丝 10 的超弹性恢复力， 会使本发明所述 阻尼器 11 的驱动器水平定位板 3 自动恢复到竖向振动平衡位置 7。
当发生竖向地震时， 驱动器水平定位板 3 随着隔震层上部结构上下振动， 从而使 SMA 丝 10 发生拉伸变形， 利用 SMA 丝 10 超弹性耗能， 同时还能提供抗拔承载力。
当断电时， 叠层压电驱动器 6 不能正常工作， 导致 SMA 丝 10 拉伸长度会变大， 它的 超弹性耗能能力会相应增强， 可以继续保证结构在地震情况下的安全。
实施例 2 一种压电 -SMA 复合变摩擦智能阻尼器， 在上盖板 1 和下连接固定板 2 之间还设有 4 个 固定在驱动器水平定位板 3 中心位置的叠层压电驱动器 6， 如图 7 所示， 该叠层压电驱动器 6 布置在驱动器水平定位板 3 的方式为平动型， 即叠层压电驱动器 6 在水平地震时随驱动器 水平定位板 3 平动。其中一个布置在驱动器水平定位板 3 的中心， 其余三个均匀布置在该 位于驱动器水平定位板 3 中心的叠层压电驱动器 6 的周向。所述叠层压电驱动器 6 优选为 现有的叠层压电陶瓷驱动器。
其余结构与实施例 1 相同， 不再赘述。