一种基于力学超材料的自复位阻尼器

本发明涉及一种基于力学超材料的自复位阻尼器，属于土木工程结构消能减震。

背景技术：

1、传统的抗震理念允许结构通过塑性损伤来满足变形和耗能要求，这会使得结构在震后存在较大的残余变形，功能丧失且难以修复，造成严重的经济损失。为了保障结构在地震作用下的安全，可以采用消能减震思想，利用被动控制技术，将阻尼器装配在结构中耗散地震能量，减少重要结构遭受的不可恢复的损伤。

2、被动消能装置分为两大类：速率相关装置和速率无关装置。与速率相关的装置其力的大小取决于阻尼器上位移的变化率，以粘弹性阻尼器为例，这类阻尼器的缺点包括变形能力有限、粘弹性成分的特性会因频率和温度而改变，以及与密封件磨损相关的维护成本。与速率无关的装置其力的大小并不取决于阻尼器上位移的变化率，而是取决于位移的大小。以金属阻尼器和摩擦阻尼器为例，这类阻尼器的缺点包括在地震后会损坏，需要更换，不具有重复使用性，而且对于摩擦阻尼器，滑动界面可能会随时间发生变化。

3、超材料是一类人工构建的，由周期性单元组成，具有独特性质的复合结构。本发明提出一种基于力学超材料的自复位阻尼器，可在耗散地震能量的同时消除残余变形，避免重要构件发生塑性破坏，可以有效提高结构的抗震韧性。该发明的所有构件均在弹性范围内响应，不发生塑性变形。本发明阻尼器是由弹性范围内的可恢复变形和大位移的滞后行为而消能，其具有长期可靠性和对环境条件变化(如温度变化)的稳定性。

技术实现思路

1、为了提高结构抗震韧性，使结构在有效耗散地震能量的同时消除残余变形，避免主要构件产生塑性损伤，同时为了避免传统被动消能装置存在的缺点，本发明提出了一种基于力学超材料的自复位阻尼器。

2、一种基于力学超材料的自复位阻尼器，该阻尼器由力学超材料和带轨套箱组合而成。所述力学超材料由多个超材料单元周期性排列连接而成，其中所述超材料单元包括柔性单元(1)，上连接单元(2)，侧刚性单元(3)，下连接单元(4)和支撑单元(5)，其特征在于：所述柔性单元(1)上下对称布置，所述侧刚性单元(3)用于固定柔性单元(1)，所述支撑单元(5)布置在所述上下对称布置的柔性单元(1)的对称轴位置，侧刚性单元(3)和支撑单元(5)共同作用，充当柔性单元(1)的边界条件，用于限制超材料单元受力后的横向扩张，所述上连接单元(2)和下连接单元(4)分别在上下柔性单元(1)上，用于连接其它超材料单元。

3、进一步的，所述阻尼器由带轨套箱(6)和力学超材料(7)组合而成，所述带轨套箱的两侧带有中间镂空挡板，用于避免力学超材料受力过程中脱离套箱，同时带轨套箱进一步加强了所述柔性单元(1)的边界条件。

4、进一步的，所述力学超材料由多个超材料单元周期性排列连接而成，所述超材料单元包括柔性单元(1)，上连接单元(2)，侧刚性单元(3)，下连接单元(4)和支撑单元(5)。

5、进一步的，所述柔性单元(1)可为单倾斜直梁单元、单弯曲梁单元、单壳单元以及各种单链杆构造单元或多倾斜直梁单元、多弯曲梁单元、多壳单元以及各种多链杆构造单元。

6、进一步的，所述力学超材料由线切割技术一体成型或3d打印技术整体成型。

7、进一步的，所述的力学超材料可根据负载强度需要灵活定制，所述超材料单元的类型和强度亦可根据实际需要灵活选择。

8、所述套箱内侧带有滑轨，滑轨数量根据实际灵活设置，力学超材料侧壁开槽与套箱中的滑轨相连，既可加强力学超材料的受力过程中的边界约束，同时又可保证力学超材料仅在力的方向上发生作用，避免力学超材料在荷载作用过程中发生扭转。

9、进一步的，在地震工程、风工程及其他振动工程应用领域的被动消能系统中应用。

10、进一步的，在地震工程领域的应用中，所述柔性单元(1)的基材优先选用弹簧钢或碳纤维增强复合材料，弹簧钢和碳纤维增强复合材料均具有优异的力学性能，具有长期可靠性和对环境条件变化的稳定性，有利于长期使用。

11、与现有技术相比，本发明的优点如下：

12、本发明基于力学超材料的自复位阻尼器，利用柔性单元屈曲失稳耗能特性，通过调节柔性单元的几何参数，可实现自复位功能。

13、本发明基于力学超材料的自复位阻尼器，可通过增加或减少柔性单元数目，可自由调节阻尼器承载能力和耗能能力。

14、本发明基于力学超材料的自复位阻尼器，在加载和卸载过程中，所有构件均处于弹性变化范围，不发生塑性变形，其兼具耗能和复位特性，可重复使用。

15、本发明基于力学超材料的自复位阻尼器，在地震工程领域应用时，柔性单元的基材优先选用弹簧钢或碳纤维增强复合材料，弹簧钢和碳纤维增强复合材料均具有优异的力学性能，通过对柔性单元的几何参数设计，在地震工程领域，可实现多级或多阶段消能减震，实现小震、中震、大震的全面防护。

16、本发明基于力学超材料的自复位阻尼器，将带有滑轨的套箱与力学超材料组合使用，力学超材料侧壁开槽与套箱中的滑轨相连，既可加强力学超材料的受力过程中的边界约束，同时可保证力学超材料仅在力的方向上作用，避免发生扭转，另外带轨套箱的两侧带有中间镂空挡板，用于避免力学超材料受力过程中脱离套箱。

17、本发明基于力学超材料的自复位阻尼器是由弹性范围内的可恢复变形和大位移的滞后行为而消能，其具有长期可靠性和对环境条件变化(如温度变化)的稳定性。

1.一种基于力学超材料的自复位阻尼器，其特征在于，该阻尼器由力学超材料和带轨套箱组合而成；所述力学超材料由多个超材料单元周期性排列连接而成；所述力学超材料置于带轨套箱内部；

2.根据权利要求1所述的一种基于力学超材料的自复位阻尼器，其特征在于：所述带轨套箱（6）的两侧带有中间镂空挡板，用于避免力学超材料受力过程中脱离带轨套箱，同时带轨套箱加强所述柔性单元（1）的边界条件，充分发挥力学超材料的强度和耗能性能。

3.根据权利要求1所述的一种基于力学超材料的自复位阻尼器，其特征在于：所述柔性单元（1）为单倾斜直梁单元、单弯曲梁单元、单壳单元以及各种单链杆构造单元或多倾斜直梁单元、多弯曲梁单元、多壳单元以及各种多链杆构造单元。

4.根据权利要求1所述的一种基于力学超材料的自复位阻尼器，其特征在于，所述力学超材料由线切割技术一体成型或3d打印整体成型。

5.根据权利要求1所述的一种基于力学超材料的自复位阻尼器，其特征在于，所述的力学超材料根据负载强度需要灵活定制，所述超材料单元的类型和强度或根据实际灵活选择。

6.根据权利要求1所述的一种基于力学超材料的自复位阻尼器,其特征在于，所述套箱（6）内侧带有滑轨，滑轨数量根据实际具体灵活设置，力学超材料侧壁开槽与套箱中的滑轨相连，既可加强力学超材料的受力过程中的边界约束，同时又可保证力学超材料仅在力的方向上发生作用，避免力学超材料在荷载作用过程中发生扭转。

7.根据权利要求1所述的一种基于力学超材料的自复位阻尼器，其特征在于，在地震工程、风工程及其他振动工程应用领域的被动消能系统中应用。

8.根据权利要求7所述的基于力学超材料的自复位阻尼器，其特征在于，在地震工程领域的应用中，所述柔性单元（1）选用弹簧钢和碳纤维增强复合材料，弹簧钢和碳纤维增强复合材料。

9.根据权利要求1所述的基于力学超材料的自复位阻尼器，其特征在于，将带轨套箱与力学超材料组合使用，力学超材料侧壁开槽与带轨套箱中的滑轨相连，加强力学超材料的受力过程中的边界约束，同时保证力学超材料仅在力的方向上作用，避免发生扭转；带轨套箱的两侧带有中间镂空挡板，用于避免力学超材料受力过程中脱离带轨套箱。