超弹性SMA螺旋弹簧隔震结构的试验研究与仿真分析

摘要

基底隔震技术是工程结构防震减灾十分有效的途径之一，它过减小传递到上部结构的地震力以及减小上部结构的层间位移来保护结构及其内部设施，如：多层建筑、核反应堆、桥梁以及液体储存罐等。本文提出了一种超弹性SMA螺旋弹簧隔震系统，这种隔震系统主要由线性滑移支承和位于基础两端的被预拉伸的超弹性SMA螺旋弹簧构成。通过研究发现，线性滑移支承的摩擦力也具有部分耗能能力。 本文首先介绍了如何将超弹性SMA丝通过热加工训练成超弹性SMA螺旋弹簧。并训练出了两种不同型号的超弹性SMA螺旋弹簧。试验研究和理论分析均表明SMA螺旋弹簧的力学性能与SMA丝有着显著的不同。因此本文针对SMA螺旋弹簧的力学性能提出了一种新的现象模型，对训练出来并使用的两种弹簧拟合出了模型参数。应用MATLAB软件编程调用这种现象模拟模型进行仿真分析，并与试验测量出来的滞回曲线相对比，结果显示本文提出的现象模拟模型能够很好地描述超弹性SMA螺旋弹簧的滞回特性。 为了试验研究本文提出的隔震系统的隔震性能，制作一个两层钢结构模型，并设计了两组试验，分别研究超弹性SMA螺旋弹簧的最优预拉伸长度以及其在不同频谱和不同峰值地震波作用下的隔震效果。试验研究和MATLAB仿真分析结果表明： （1）超弹性SMA螺旋弹簧存在一个优化的预拉伸长度，使得结构的地震响应的最大相对位移、最大层间位移、最大加速度以及最大层间剪力这四个指标都比较小，其耗能能力得到了最大发挥； （2）本文提出的超弹性SMA螺旋弹簧基底隔离系统有着较好的隔震性能。最大层间位移、最大加速度以及最大层间剪力这三个指标都小于基底固定结构的1/8以上。不论是不同峰值地震波，还是不同频谱的地震波，都比与超弹性SMA螺旋弹簧等效刚度相等的钢弹簧隔震系统的隔震效果要好，特别是相对位移，超弹性SMA螺旋弹簧基底隔离系统的相对位移比钢弹簧基底隔离系统的要小得多； （3）超弹性SMA螺旋弹簧基底隔离系统不仅有着较好的隔震效果，而且有完全自恢复能力，结构能够在地震后很快自动恢复原位置。超弹性SMA还有着很好的大变形下抗疲劳性能，因此这种隔震系统的另外两个特点是，不仅构造简单（不需要复杂构件，仅仅由滑移支承和预拉伸弹簧构成），而且有效（能够经历多次地震考验，不需要维修或者更换任何部件）。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 结构抗震技术的发展

1.3 结构振动控制概述

1.3.1 被动控制

1.3.2主动控制

1.3.3 半主动控制

1.3.4混合控制

1.4 基底隔震结构的发展与应用

1.5 形状记忆合金的基本特性

1.5.1 形状记忆合金丝

1.5.2 形状记忆合金螺旋弹簧

1.6 形状记忆合金在基底隔震中的发展与应用

1.7 本文的主要研究内容

第2章 超弹性形状记忆合金螺旋弹簧的力学性能试验和本构关系研究

2.1 引言

2.2超弹性SMA螺旋弹簧的形状训练

2.2.1 材料特性

2.2.2 SMA弹簧形状训练以及SMA弹簧参数

2.3 超弹性SMA螺旋弹簧力学性能试验

2.3.1不同的拉伸长度的循环加载

2.3.2恒定预拉伸长度下的循环加载

2.4超弹性SMA本构模型发展

2.5 超弹性SMA螺旋弹簧现象本构模型

2.6 超弹性SMA螺旋弹簧模型参数拟合

2.7仿真与试验结果对比

2.8本章小结

第3章 基底隔震系统试验设计

3.1 基底隔震系统力学模型

3.2 模型制作

3.3 模型基本参数测量

3.3.1 质量刚度以及基底摩擦力

3.3.2 阻尼比

3.4振动台、传感器与数据采集系统

3.5 超弹性SMA螺旋弹簧参数选择

3.6 基底隔震试验设计

3.7本章小结

第4章 基底隔震结构试验与仿真分析

4.1 仿真分析计算方法

4.2 试验结果与仿真结果的对比

4.2.1 工况一

4.2.2 工况二

4.3 隔震效果分析

4.3.1 工况一

4.3.2 工况二

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间公开发表的论文、攻读硕士学位期间参与研究的课题

致 谢