形狀記憶合金阻尼器消能減震結構體系研究.pdf

1、結構振動控制是已經被實際工程證明了的能夠改善結構抗震性能、減小結構地震反應的積極有效方法。其中，被動消能減震因其構造簡單、造價低廉、易于維護且無需外部能源支持等優(yōu)點，成為目前發(fā)展較為成熟且工程中得到廣泛應用的振動控制技術。然而，目前開發(fā)的耗能器存在著一些缺點，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)展為土木工程結構減震控制開辟了新的天地，為新一代高性能被動耗能器的研制和開發(fā)提供了基

2、礎。 形狀記憶合金(Shape Memory Alloys，簡稱SMA)是一種新型的智能材料，因其獨特的形狀記憶效應、超彈性、高阻尼和耐腐蝕特性，成為土木工程結構消能減震的理想材料。本文在超彈性SMA絲的力學性能、超彈性SMA的本構模型、新型SMA阻尼器的研制開發(fā)及性能測試、SMA阻尼器消能減震結構體系的參數優(yōu)化及非線性分析、SMA阻尼器進行結構震動控制的振動臺試驗等方面進行了深入系統(tǒng)的研究，主要內容包括： (1)試驗研

3、究了三種直徑超彈性NiTiSMA絲的力學特性，考察了循環(huán)加載次數、加載速率、應變幅值和環(huán)境溫度對其力學性能(相變應力、每循環(huán)耗散能量、割線剛度、等效阻尼比和殘余應變等)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阻尼器設計中材料的選擇提供了試驗基礎。 (2)提出了超彈性SMA的改進本構模型。在試驗的基礎上，針對Graesser & Cozzarelli模型不能描述馬氏體硬化效應和應變率相關特性的缺點，提

4、出了改進的Graesser & Cozzarelli模型，給出了模型參數選取原則和方法，并通過數值仿真結果和試驗結果的對比，驗證模型了的適用性。 (3)開發(fā)研制了新型筒式自復位SMA阻尼器(TRSMAD)。采用超彈性SMA絲提出了一種筒式自復位SMA阻尼器，試驗研究了SMA絲初始應變、位移幅值和加載頻率對阻尼器力學性能的影響，建立了阻尼器一維理論模型，并對其力學性能進行了數值模擬。 (4)開發(fā)研制了新型復合型SMA摩擦阻

5、尼器(HSMAFD)。采用超彈性SMA絲自復位裝置和摩擦耗能裝置，提出了一種復合型SMA摩擦阻尼器，該阻尼器有效利用摩擦裝置的高耗能和SMA的自復位功能，具有更強的耗能能力；試驗測試了SMA絲初始應變、摩擦力、位移幅值及加載頻率對阻尼器力學性能的影響，建立了阻尼器的理論模型，并對其力學性能進行了數值模擬。 (5)研究了SMA阻尼器結構振動控制的參數優(yōu)化及非線性分析問題。采用能量平衡分析方法對SMA消能減震結構體系阻尼器的參數進行

6、了優(yōu)化，給出了阻尼器參數的建議取值范圍。建立了安裝SMA阻尼器的對稱結構和偏心結構在地震作用下的運動方程，并基于MATLAB語言編寫了SMA阻尼器消能減震結構體系的彈塑性時程分析程序。最后，分別以多層對稱框架結構和偏心框架結構為算例，對SMA阻尼器消能減震結構體系在地震作用下的反應進行了數值分析，驗證了SMA阻尼器的減震效果。 (6)進行了對稱結構的振動臺試驗，以驗證SMA阻尼器對結構平移震動反應的控制效果。設計了一個三層對稱鋼

7、框架模型，分別將兩種新型阻尼器安裝在結構底層的質心位置，對無控條件下和安裝阻尼器的有控條件下的結構反應進行了振動臺試驗，并通過能量分析方法對SMA阻尼器消能減震體系的能量分配進行了評價。結果表明，SMA阻尼器可以有效抑制結構的平動反應。 (7)進行了偏心結構的振動臺試驗，以驗證SMA阻尼器對結構平-扭耦聯震動反應的控制效果。設計了一個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構底層的一側，并通過振動臺試驗，分別對無控