[发明专利]压电-SMA复合变摩擦智能阻尼器

说明书

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阻尼器存在的问题就有可能在一定程度上得以克服。然而目前绝大多数半主动控制装置的出力远远不能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。