SMA螺旋弹簧消能支撑对框架结构的减震控制研究

摘要

消能减震技术是工程结构减震控制的有效途径之一，它通过在结构中设置特定的消能构件或装置可以在地震中消耗传入到结构中的地震能量，快速减小结构的地震反应，从而达到保护主体结构在强震中不被破坏的目的。形状记忆合金（SMA）是一类对形状有记忆功能的材料，它独特的形状记忆效应和超弹性效应使其可以很好地被运用到消能减震控制中。将形状记忆合金运用到工程结构减震控制中既能发挥SMA材料的特有性能扩大其在减震控制中的应用，又能为减震控制提供可供选择的新型材料。故在此基础上本文提出了一种SMA螺旋弹簧消能支撑，它由SMA螺旋弹簧和普通钢丝组成。这种新型消能支撑装置制作安装简单易实现，不仅可以提供耗能能力，而且具有自我恢复能力。 本文首先采用热加工方法训练出用于消能支撑的SMA螺旋弹簧。由于SMA螺旋弹簧在受外力作用时其力学特性不同于SMA丝，不可以简单地套用SMA丝的本构模型，因此开展多组SMA螺旋弹簧的拉伸试验对其力学性能进行研究分析，并在此基础上建立SMA螺旋弹簧力位移关系的模型。通过对试验得到的滞回曲线进行拟合和计算，给出该模型的数学表达式，并将其与拉伸试验得到的力位移滞回曲线进行比较，结果显示所提出的SMA螺旋弹簧力位移关系模型能够很好地描述SMA螺旋弹簧的滞回特性，表明了所提出模型的有效性。 为了研究SMA螺旋弹簧消能支撑的减震效果，建立了一个装配有消能支撑的二层钢框架数值仿真模型，模拟框架结构在地震作用下的反应。为了验证数值模型的有效性，制作相应的试验模型并进行一系列的振动台试验。结果表明，试验结果与数值模拟结果吻合较好。本文所提出的SMA螺旋弹簧消能支撑在不同的地震波作用下能够很好地耗散输入的地震能量，可以同时减小结构的位移和加速度响应，展现出优越的减震控制效果。与钢弹簧支撑相比，SMA螺旋弹簧消能支撑在不同地震作用下都能够稳定发挥减震作用，能够提供更好的减震效果。考虑到其耗能能力和自复位能力，SMA螺旋弹簧消能支撑在框架结构减振中具有很大的应用潜力。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2结构振动控制概述

1.2.1被动控制

1.2.2主动控制

1.2.3半主动控制

1.2.4混合控制

1.3消能减震技术的发展与应用

1.4形状记忆合金特性

1.5形状记忆合金螺旋弹簧

1.6形状记忆合金在工程结构振动控制中的应用

1.7本文的主要研究内容

第2章 SMA螺旋弹簧的拉伸试验与力位移关系模型的建立

2.1 SMA螺旋弹簧的制作

2.1.1试验材料特性

2.1.2 SMA螺旋弹簧的制作及弹簧参数的确定

2.2 SMA螺旋弹簧拉伸试验

2.2.1变峰值荷载作用下的循环加载

2.2.2阶梯荷载作用下的循环加载

2.2.3复杂荷载作用下的循环加载

2.3 SMA螺旋弹簧力位移关系模型的建立

2.4 SMA螺旋弹簧力位移关系模型参数的确定

2.5 SMA螺旋弹簧力位移关系模型与试验结果对比

2.6本章小结

第3章 带SMA螺旋弹簧消能支撑框架结构的数值仿真理论与试验设计

3.1 SMA螺旋弹簧消能支撑框架结构数值仿真理论

3.1.1仿真模型的提出

3.1.2 框架模型动力方程的建立与求解

3.2 SMA螺旋弹簧消能支撑框架结构试验模型

3.2.1框架模型的几何参数

3.2.2框架模型的动力学参数

3.2.3 SMA螺旋弹簧消能支撑装置参数的确定

3.3试验仪器设备的基本信息

3.4试验方案的确定

3.5本章小结

第4章 带SMA螺旋弹簧消能支撑框架结构的试验与仿真分析

4.1振动台试验

4.1.1无控情况

4.1.2安装钢弹簧支撑

4.1.3安装SMA螺旋弹簧消能支撑

4.2数值仿真

4.2.1无控情况

4.2.2安装钢弹簧支撑

4.2.3安装SMA螺旋弹簧消能支撑

4.3仿真计算结果与试验结果的对比

4.4减震效果分析

4.5本章小结

第5章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文