基于双样条QR法的SMA智能混凝土梁自修复性能研究

摘要

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)由于具有形状记忆效应和伪弹性特性,使构件具有自监测、自诊断、自修复和自增强等功能,已经逐渐应用于土木工程领域的混凝土结构中。在实际工程中,混凝土构件通常是带裂缝工作的,开裂会削弱混凝土的刚度从而降低构件的承载力,甚至加速构件破坏。目前,形状记忆合金智能混凝土裂缝自修复的研究成果大多是基于试验的基础上,在理论方面尚需更深入的研究。
　　本文利用形状记忆合金的受限回复特性,研究其在通电激励下对混凝土梁裂缝的修复性能,主要研究内容如下:
　　首先,进行了形状记忆合金的单轴拉伸力学性能和受限回复驱动特性试验。分析 SMA材料单轴拉伸的应力-应变关系;研究恒定电流和台阶式电流两种不同电流施加方案对SMA回复应力的影响;探讨电流强度和SMA初始应变对SMA回复应力的影响,得出了SMA在不同初始应变下的回复应力-温度关系曲线。
　　其次,基于双样条 QR法原理,借助有限元法的单元刚度矩阵,通过QR法变换,用结构的样条结点位移表示单元结点位移,推导了双样条QR法弹塑性刚度方程;基于弹塑性增量理论,定义了混凝土材料的屈服条件、流动法则、强化模型和破坏条件,给出了混凝土在双向受压、双向受拉和拉压三种应力状态下的应力-应变非线性关系;基于增量初应力迭代法,推导了双样条QR法非线性分析的具体求解过程;通过算例验证了本文建立的混凝土梁弹塑性分析的双样条QR法新模型的正确性和高效性。
　　第三,基于弹塑性分析的双样条QR法,将SMA的回复力等效为偏心力,进而转化为样条结点荷载引入刚度方程中,建立了SMA智能混凝土梁裂缝自修复分析的新模型。利用MATLAB软件编制了双样条QR法非线性分析程序,通过算例验证了SMA智能混凝土梁自修复分析模型的正确性。最后,进行参数分析,探讨了混凝土梁的高跨比、配筋率,SMA丝的初始应变和偏心距等参数对 SMA修复性能的影响。研究结果表明:SMA对混凝土梁裂缝具有良好的修复效果,同时能够减小混凝土梁的挠度,改善钢筋应力分布,提高混凝土梁的承载能力;混凝土梁的高跨比和SMA的初应变对SMA的修复性能具有显著影响,SMA丝偏心距和梁的配筋率对SMA的修复性能有一定程度的影响。
　　本文基于双样条 QR法建立的SMA智能混凝土梁裂缝自修复分析模型,具有处理裂缝问题方便,计算效率高的优点,为混凝土梁的裂缝修复等问题提出了一个新的分析思路。本文的研究成果为实际工程提供了一些有益的理论依据。

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第一章 绪 论

1.1 选题背景和意义

1.2 形状记忆合金智能材料结构

1.3 智能混凝土及其研究现状

1.4 本文主要内容

第二章 形状记忆合金回复力性能试验研究

2.1 形状记忆合金工作原理及本构关系

2.2 形状记忆合金回复力模型基本理论

2.3 形状记忆合金回复力驱动试验

2.4 本章小结

第三章 混凝土梁弹塑性分析的双样条QR法

3.1三次B样条函数的构造与性质

3.2 QR法位移函数的构造

3.3 平面问题弹塑性分析的双样条QR法

3.4 混凝土弹塑性本构模型

3.5 混凝土裂缝宽度的计算

3.6 求解过程

3.7 数值结果与分析

3.8 本章小结

第四章 SMA混凝土梁自修复性能分析的双样条QR法

4.1 SMA回复力的模拟方法

4.2 SMA智能混凝土梁自修复方程的建立

4.3 程序设计流程图

4.4 计算结果及分析

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1本文主要研究成果

5.2有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的学术论文