形狀記憶合金阻尼器消能減震結(jié)構(gòu)體系研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制是已經(jīng)被實(shí)際工程證明了的能夠改善結(jié)構(gòu)抗震性能、減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的積極有效方法。其中，被動(dòng)消能減震因其構(gòu)造簡單、造價(jià)低廉、易于維護(hù)且無需外部能源支持等優(yōu)點(diǎn)，成為目前發(fā)展較為成熟且工程中得到廣泛應(yīng)用的振動(dòng)控制技術(shù)。然而，目前開發(fā)的耗能器存在著一些缺點(diǎn)，如材料的老化和耐久性、殘余變形以及大震過后的更新替換等問題。近年來，智能材料和控制裝置的研究和發(fā)展為土木工程結(jié)構(gòu)減震控制開辟了新的天地，為新一代高性能被動(dòng)耗能器的研制和開發(fā)提供了基

2、礎(chǔ)。 形狀記憶合金(Shape Memory Alloys，簡稱SMA)是一種新型的智能材料，因其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)、超彈性、高阻尼和耐腐蝕特性，成為土木工程結(jié)構(gòu)消能減震的理想材料。本文在超彈性SMA絲的力學(xué)性能、超彈性SMA的本構(gòu)模型、新型SMA阻尼器的研制開發(fā)及性能測(cè)試、SMA阻尼器消能減震結(jié)構(gòu)體系的參數(shù)優(yōu)化及非線性分析、SMA阻尼器進(jìn)行結(jié)構(gòu)震動(dòng)控制的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等方面進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，主要內(nèi)容包括： (1)試驗(yàn)研

3、究了三種直徑超彈性NiTiSMA絲的力學(xué)特性，考察了循環(huán)加載次數(shù)、加載速率、應(yīng)變幅值和環(huán)境溫度對(duì)其力學(xué)性能(相變應(yīng)力、每循環(huán)耗散能量、割線剛度、等效阻尼比和殘余應(yīng)變等)的影響，揭示了加卸載過程中因潛熱引起的SMA絲溫度的變化規(guī)律，為SMA阻尼器設(shè)計(jì)中材料的選擇提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。 (2)提出了超彈性SMA的改進(jìn)本構(gòu)模型。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)Graesser & Cozzarelli模型不能描述馬氏體硬化效應(yīng)和應(yīng)變率相關(guān)特性的缺點(diǎn)，提

4、出了改進(jìn)的Graesser & Cozzarelli模型，給出了模型參數(shù)選取原則和方法，并通過數(shù)值仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證模型了的適用性。 (3)開發(fā)研制了新型筒式自復(fù)位SMA阻尼器(TRSMAD)。采用超彈性SMA絲提出了一種筒式自復(fù)位SMA阻尼器，試驗(yàn)研究了SMA絲初始應(yīng)變、位移幅值和加載頻率對(duì)阻尼器力學(xué)性能的影響，建立了阻尼器一維理論模型，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。 (4)開發(fā)研制了新型復(fù)合型SMA摩擦阻

5、尼器(HSMAFD)。采用超彈性SMA絲自復(fù)位裝置和摩擦耗能裝置，提出了一種復(fù)合型SMA摩擦阻尼器，該阻尼器有效利用摩擦裝置的高耗能和SMA的自復(fù)位功能，具有更強(qiáng)的耗能能力；試驗(yàn)測(cè)試了SMA絲初始應(yīng)變、摩擦力、位移幅值及加載頻率對(duì)阻尼器力學(xué)性能的影響，建立了阻尼器的理論模型，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。 (5)研究了SMA阻尼器結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的參數(shù)優(yōu)化及非線性分析問題。采用能量平衡分析方法對(duì)SMA消能減震結(jié)構(gòu)體系阻尼器的參數(shù)進(jìn)行

6、了優(yōu)化，給出了阻尼器參數(shù)的建議取值范圍。建立了安裝SMA阻尼器的對(duì)稱結(jié)構(gòu)和偏心結(jié)構(gòu)在地震作用下的運(yùn)動(dòng)方程，并基于MATLAB語言編寫了SMA阻尼器消能減震結(jié)構(gòu)體系的彈塑性時(shí)程分析程序。最后，分別以多層對(duì)稱框架結(jié)構(gòu)和偏心框架結(jié)構(gòu)為算例，對(duì)SMA阻尼器消能減震結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的反應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析，驗(yàn)證了SMA阻尼器的減震效果。 (6)進(jìn)行了對(duì)稱結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，以驗(yàn)證SMA阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)平移震動(dòng)反應(yīng)的控制效果。設(shè)計(jì)了一個(gè)三層對(duì)稱鋼

7、框架模型，分別將兩種新型阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)底層的質(zhì)心位置，對(duì)無控條件下和安裝阻尼器的有控條件下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，并通過能量分析方法對(duì)SMA阻尼器消能減震體系的能量分配進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，SMA阻尼器可以有效抑制結(jié)構(gòu)的平動(dòng)反應(yīng)。 (7)進(jìn)行了偏心結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，以驗(yàn)證SMA阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)平-扭耦聯(lián)震動(dòng)反應(yīng)的控制效果。設(shè)計(jì)了一個(gè)三層單向偏心的鋼框架模型，分別將兩種新型阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)底層的一側(cè)，并通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分別對(duì)無控