新型耗能增強型形狀記憶合金阻尼器減震性能研究

1、<p>　　新型耗能增強型形狀記憶合金阻尼器減震性能研究</p><p>　　摘要：首先通過形狀記憶合金的材性試驗研究了其超彈性變形性能，并將其等效擬合為多線性模型，得到其計算參數(shù).然后，提出了一種新型耗能增強型SMA阻尼器，說明了其構(gòu)造，闡述了其工作原理和設(shè)計要點，推導(dǎo)了阻尼器的恢復(fù)力模型.最后通過有限元程序?qū)υO(shè)置該阻尼器的多層鋼框架、對角設(shè)置SMA拉索的多層鋼框架、普通鋼框架進(jìn)行了地震時程分析，對比

2、研究了該阻尼器的消能減震能力.結(jié)果表明該阻尼器的滯回環(huán)非常飽滿，耗能能力強，大震下對結(jié)構(gòu)的位移和層間位移角控制效果顯著. </p><p>　　關(guān)鍵詞：SMA阻尼器；減震性能；滯回耗能；動力時程分析 </p><p>　　中圖分類號：TU 352.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A </p><p>　　形狀記憶合金（shape memory alloys，簡稱SMA）是一種機敏材

3、料，主要有兩個特性：形狀記憶性能和超彈性性能＼[1＼].利用SMA的形狀記憶性能可制作成驅(qū)動元件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)主動控制，利用SMA的超彈性性能和高阻尼特性可制成各種構(gòu)造形式的SMA阻尼器，進(jìn)行結(jié)構(gòu)被動控制.相比較其他類型的阻尼器，SMA阻尼器的一個突出優(yōu)點是阻尼器耗能后殘余變形很小. </p><p>　　目前開發(fā)的SMA阻尼器種類較多，大多數(shù)阻尼器是用SMA絲（SMA束或SMA絞線）制成.Tamai等＼[2＼]把S

4、MA絲設(shè)置在框架的對角進(jìn)行振動控制，并研究了其耗能性能；Corbi＼[3＼]提出了把SMA拉索設(shè)置在剪切框架的底部對角進(jìn)行隔震，研究表明能有效地減小結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，增大結(jié)構(gòu)的自復(fù)位能力；丁陽等＼[4＼]通過數(shù)值模擬的方法研究了高層鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)SMA對角拉索控制效果；韓玉林等＼[5＼]通過試驗研究了把SMA拉索設(shè)置在框架對角的控制效果，研究表明設(shè)置了SMA拉索的框架振動反應(yīng)衰減較快. </p><p>　　利用S

5、MA制成各種構(gòu)造形式的阻尼器也很多，Li Hui等＼[6＼]利用SMA 超彈性特性開發(fā)了2種新型的SMA 阻尼器——拉伸型SMA 阻尼器和剪刀型SMA 阻尼器，其中剪刀型SMA阻尼器通過改變剪刀的力臂可以達(dá)到位移放大的效果；Dolce 等＼[7＼]設(shè)計了一種具有自復(fù)位能力的阻尼器；Zhang等＼[8＼]采用超彈性SMA鉸線設(shè)計了一種可以重復(fù)使用的遲滯阻尼器（RHD）；Zuo等＼[9＼]提出了一種SMA復(fù)合摩擦阻尼器；薛素鐸等＼[10-1

6、2＼]設(shè)計了幾種不同類型的SMA阻尼器；Song 等＼[13＼]比較詳細(xì)地總結(jié)了SMA阻尼器在土木工程中的若干應(yīng)用；李宏男等＼[14-15＼]也開發(fā)了幾種SMA阻尼器；禹奇才等＼[16＼]提出了一種放大位移型SMA阻尼器；倪立峰等＼[17＼]也提出了SMA阻尼器；凌育洪等＼[18＼]也研發(fā)了一種新型SMA 阻尼器.總之，目前開發(fā)的SMA阻尼器種類較多，但大多數(shù)不具備放大SMA位移反應(yīng)的功能.為此，本文研究思路是首先通過材性試驗研究了SM

7、A絲滯回性能并確定了計算所需的SMA參數(shù)，提出一種SMA阻尼器，闡述了其設(shè)計要點，推導(dǎo)了恢復(fù)力模型，最后通過算例對</p><p>　　湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2013年 </p><p>　　第2期陳云等：新型耗能增強型形狀記憶合金阻尼器減震性能研究 </p><p>　　1SMA的力學(xué)性能 </p><p>　　鑒于隨后要對SMA阻尼器

8、在有限元程序里進(jìn)行模擬計算，需要預(yù)先確定SMA的輸入?yún)?shù)，特對SMA進(jìn)行力學(xué)性能試驗. </p><p>　　試驗選用的SMA為Ti50.8%Ni的SMA絲.SMA絲的最大可回復(fù)應(yīng)變?yōu)?%，最大回復(fù)應(yīng)力為600 MPa.試件有效長度為150 mm，直徑為1.0 mm.拉伸試驗裝置為微機控制電子萬能試驗機，采用50 mm標(biāo)距的引伸儀測量位移. </p><p>　　試驗時首先在室溫下進(jìn)行拉伸

9、、卸載循環(huán)試驗，使材料的超彈性性能穩(wěn)定，然后開始加載、卸載，繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線.將試驗所得SMA的應(yīng)力應(yīng)變曲線等效擬合后得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示，SMA的彈性模量為58 000 N/mm2，泊松比取0.3，在程序里SMA的超彈性性能曲線被簡化成多段線性直線，其擬合參數(shù)取值如表1所示 </p><p>　　阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)中所耗散能量的大小既與阻尼器自身的性能有關(guān)，也與阻尼器安裝位置處結(jié)構(gòu)的相對變形大小有關(guān).因此

10、，在阻尼器已經(jīng)確定的前提下，如何在結(jié)構(gòu)相對變形合理的情況下增大阻尼器的位移行程就是一個有意義的問題.本文所開發(fā)的SMA阻尼器可以放大SMA絲的變形，在同樣結(jié)構(gòu)變形的條件下，該阻尼器可以耗散更多的能量. </p><p>　　其依據(jù)是杠桿原理和平行四邊形形狀可以改變的性質(zhì).阻尼器主要由4根鋼桿和兩組SMA絲（束或絞線）組成，4根鋼桿分成兩組，每組兩根鋼桿之間通過銷栓組成一個剪刀撐， SMA絲固定在剪刀撐較長一端的端

11、部，兩個剪刀撐較短一側(cè)的端頭之間通過銷栓連接在一起組成一個平行四邊形.阻尼器通過兩根斜撐與結(jié)構(gòu)的對角位置鉸接在一起.其構(gòu)造示意圖如圖2所示 </p><p>　　在Pasadena波作用下，SMA阻尼器控制結(jié)構(gòu)的層位移和層間位移角也能得到較好地控制，最大分別達(dá)到22.02%和20.96%，而對角拉索的控制效果最大僅為3.00%和2.99%，控制效果較差. </p><p>　　在Taft波

12、作用下，除了3層的層間位移角控制效果較好外，SMA阻尼器控制結(jié)構(gòu)和對角拉索控制結(jié)構(gòu)的層位移和層間位移角大多數(shù)時候稍大于無控結(jié)構(gòu)，最大不超過10%，原因可能是SMA阻尼器控制結(jié)構(gòu)和對角拉索控制結(jié)構(gòu)的基本周期接近Taft波的卓越周期導(dǎo)致的，但從隨后的SMA拉索滯回耗能曲線可知，SMA阻尼器仍然發(fā)揮了較好的耗能作用. </p><p>　　對于SMA阻尼器控制結(jié)構(gòu)，底層平均層間位移角為1/85，最大層間位移角為1/76

13、，無控結(jié)構(gòu)和對角拉索控制結(jié)構(gòu)底層最大層間位移角分別達(dá)到1/60和1/62. </p><p>　　其次，比較圖中兩個結(jié)構(gòu)SMA拉索的滯回環(huán)可以明顯看出，SMA阻尼器控制結(jié)構(gòu)中SMA拉索的滯回環(huán)非常飽滿，而對角拉索控制結(jié)構(gòu)的SMA滯回環(huán)窄了很多.在3條波的分別作用下，前者的應(yīng)變范圍平均達(dá)到1.5%～7.5%，后者的應(yīng)變范圍僅為3.2%～5.8%，前者應(yīng)變幅度平均增大了2倍左右；比較應(yīng)力的變化范圍，前者的應(yīng)力變化范圍

14、平均為127 ～528 N/mm2，后者的應(yīng)力變化范圍為181～423 N/mm2，應(yīng)力幅度平均增大了1.66倍左右，進(jìn)一步表明SMA阻尼器具有顯著增強耗能的作用. 　　有限元分析得到的SMA拉索的滯回環(huán)與實測的SMA應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀基本一致，表明有限元程序里SMA的本構(gòu)模型能較好地模擬SMA的超彈性性能. </p><p><b>　　4結(jié)論 </b></p><p

15、>　　本文首先通過材性試驗研究了SMA絲材的超彈性變形性能和參數(shù)取值，然后提出了一種耗能增強型SMA阻尼器，闡述了其構(gòu)造和工作原理，推導(dǎo)了其恢復(fù)力模型，最后通過對比研究進(jìn)行了地震時程分析，得出以下初步結(jié)論： </p><p>　　1）SMA材性試驗表明，SMA的滯回環(huán)較飽滿，超彈性變形性能較好.在實際應(yīng)用時可將其等效為多線性模型，分析表明與程序中的超彈性本構(gòu)吻合較好. </p><p&g

16、t;　　2）地震時程分析表明，該SMA阻尼器對結(jié)構(gòu)的層位移和層間位移角具有顯著控制效果，最大控制效果分別達(dá)到了34.1%和33.97%，而對角SMA拉索對結(jié)構(gòu)層位移和層間位移角控制效果一般；SMA阻尼器和對角SMA拉索相同，對結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)控制效果一般，設(shè)置SMA阻尼器和對角SMA拉索后結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受的層間剪力略有減小. </p><p>　　3）SMA阻尼器中SMA拉索滯回環(huán)非常飽滿，通過其位移放大作用，SMA拉

17、索的耗能能力能夠充分發(fā)揮，相反對角SMA拉索滯回環(huán)較窄，導(dǎo)致SMA拉索的耗能能力未能得到充分發(fā)揮. </p><p>　　4）從經(jīng)濟價值上考量，制約SMA大規(guī)模應(yīng)用的一個障礙是SMA的價格較貴，因此必須充分利用其價值，對角SMA拉索和本文的SMA阻尼器使用了同樣重量的SMA絲，但控制效果卻遠(yuǎn)勝前者，因此其經(jīng)濟價值較大，有助于SMA在結(jié)構(gòu)振動控制中的推廣應(yīng)用. </p><p><b&

18、gt;　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]王社良. 形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)控制中的應(yīng)用＼[M＼]. 西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2000：5-33. </p><p>　　WANG Sheliang. The application of shape memory alloys in structural vibration control ＼[M＼].Xi’an： S

19、haanxi Science and Technology Press， 2000：5-33. （In Chinese） </p><p>　　[2]TAMAI H， KITAGAWA Y. Pseudoelastic behavior of shape memory alloy wires and its application to seismic resistance member for building

20、 ＼[J＼]. Computational Materials Science， 2002， 25：218-227. </p><p>　　[3]CORBI O. Shape memory alloys and their application in structural oscillations attenuation ＼[J＼]. Simulation Modeling Practice and Theor

21、y， 2003， 11：387-402. </p><p>　　[4]丁陽， 張笈瑋. 高層鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)形狀記憶合金拉索控制研究＼[J＼].地震工程與工程振動，2005，25（3）：152-157. </p><p>　　DING Yang， ZHANG Jiwei. Seismic response control of tall steel structures using shap

22、e memory alloy tendons ＼[J＼].Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 2005， 25（3）：152-157. （In Chinese） </p><p>　　[5]韓玉林，李愛群，林萍華，等. 基于形狀記憶合金耗能器的框架振動控制試驗研究＼[J＼].東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2000， 30（4）：

23、16-20. </p><p>　　HAN Yulin， LI Aiqun， LIN Pinghua， et al. Experimental study of frame structure vibration control by using shape memory alloy damper ＼[J＼]. Journal of Southeast University： Natural Science， 2

24、000， 30（4）：16-20. （In Chinese） </p><p>　　[6]LI Hui， MAO Chenxi， QU Jinping. Experimental and theoretical study on two types of shape memory alloy devices ＼[J＼]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics

25、， 2008， 37： 407-426. </p><p>　　[7]DOLCE M， CARDONE D， MARNETTO R. Implementation and testing of passive control devices based on shape memory alloys ＼[J＼]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics， 200

26、0， 29： 945-968. </p><p>　　[8]ZHANG Y， ZHU S. A shape memory alloy based reusable hysteretic damper for seismic hazard mitigation ＼[J＼]. Smart Materials and Structures， 2007， 16： 1603-1613. </p><p&

27、gt;　　[9]ZUO Xiaobao， CHANG Wei， LI Aiqun， et al. Design and experimental investigation of a super elastic SMA damper＼[J＼]. Materials Science and Engineering： A， 2006， 438 /439 /440： 1150-1153. 　　[10]薛素鐸， 董軍輝， 卞曉芳， 等. 一種

28、新型形狀記憶合金阻尼器＼[J＼].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報， 2005， 26（3）：45-50. </p><p>　　XUE Suduo， DONG Junhui， BIAN Xiaofang， et al. A new type of shape memory alloy damper ＼[J＼]. Journal of Building Structures， 2005， 26（3）：45-50. （In Chine

29、se） </p><p>　　[11]薛素鐸， 石光磊， 莊鵬. SMA復(fù)合摩擦阻尼器性能的試驗研究＼[J＼]. 地震工程與工程振動， 2007， 27（2）：145-151. </p><p>　　XUE Suduo， SHI Guanglei， ZHUANG Peng. Performance testing of SMA incorporated friction dampers ＼

30、[J＼]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 2007， 27（2）：145-151. （In Chinese） </p><p>　　[12]薛素鐸，莊鵬，李彬雙. SMA橡膠支座的力學(xué)性能試驗研究＼[J＼]. 世界地震工程， 2005， 21（4）：10-15. </p><p>　　XUE Suduo， ZHUANG

31、Peng， LI Binshuang. Experimental study on mechanical behavior of SMArubber bearing ＼[J＼]. World Earthquake Engineering， 2005， 21（4）：10-15. （In Chinese） </p><p>　　[13]SONG G，MA N，LI H N. Applications of shape

32、 memory alloys in civil structures ＼[J＼]. Engineering Structures， 2006：1266-1274. </p><p>　　[14]李宏男，錢輝，宋鋼兵. 一種新型SMA 阻尼器的試驗和數(shù)值模擬研究＼[J＼]. 振動工程學(xué)報，2008，21（2）：179-184. </p><p>　　LI Hongnan， QIAN Hui，

33、 SONG Gangbing. A new type of shape memory alloy damper： design experiment and numerical simulation ＼[J＼]. Journal of Vibration Engineering， 2008， 21 （2）： 179-184. （In Chinese） </p><p>　　[15]REN W J， LI H N，

34、 SONG G B. Design and numerical evaluation of an innovative multidirectional shape memory alloy damper＼[C＼]//Proceedings of Active and Passive Smart Structures and Integrated Systems. Bellingham： SPIE， 2007. </p>

35、<p>　　[16]禹奇才， 劉春暉， 劉愛榮. 一種放大位移型SMA阻尼器的減震控制分析＼[J＼]. 地震工程與工程振動， 2008， 28（5）： 151-156. </p><p>　　YU Qicai， LIU Chunhui ，LIU Airong. The analysis of structure vibration control by using shape memory alloy

36、dampers with magnifying story drift ＼[J＼]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 2008， 28（5）：151-156. （In Chinese） </p><p>　　[17]倪立峰，李秋勝，李愛群，等. 新型形狀記憶合金阻尼器的試驗研究＼[J＼]. 地震工程與工程振動，2002，22

37、（3）： 145-148. </p><p>　　NI Lifeng， LI Qiusheng， LI Aiqun， et al. Investigation and experiment of damper based on shape memory alloy （SMA） ＼[J＼]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 2002， 22（3）：

38、145-148. （In Chinese） </p><p>　　[18]凌育洪， 彭輝鴻， 張帥. 一種新型SMA阻尼器及其減震性能＼[J＼]. 華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，39（6）： 119-125. </p><p>　　LING Yuhong， PENG Huihong， ZHANG Shuai. A novel SMA damper and its vibratio

39、n reduction performance ＼[J＼]. Journal of South China University of Technology： Natural Science， 2011， 39（6）： 119-125. （In Chinese） </p><p>　　[19]呂西林. 復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震理論與應(yīng)用＼[M＼]. 北京： 科學(xué)出版社，2007： 315-323.</p>