新型SMA自复位耗能支撑的研发及其性能研究与应用

摘要

地震灾害中，传统结构主要依靠主体结构的塑性变形来耗散地震能量，结构在强震后会有较大的残余变形，造成结构在震后不能继续使用，并且难以修复。虽然耗能减震技术在一定程度上能保护主体结构不被损坏，但震后结构残余变形的问题依旧没能得到解决。近年来，自复位结构体系的研究和发展为土木工程结构振动控制开辟了新的天地。
　　形状记忆合金（Shape Memory Alloys，简称SMA）作为一种新型的智能材料，具有独特的形状记忆效应、超弹性、高阻尼、抗腐蚀及抗疲劳性能，是一种理想的耗能减震材料，在结构的振动控制领域具有很好的应用前景。
　　国内外众多学者致力于SMA在结构振动控制领域的研究，开发出数量众多的SMA自复位耗能装置，但目前开发出来的SMA自复位耗能装置均处在试验研究阶段，还存在构造复杂、设计繁琐、不便连接等诸多的问题，难以应用到实际工程中。在此背景下，本文采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法，研发了一种新型SMA自复位耗能装置，并对其进行了研究。本文的主要研究工作如下:
　　(1)详细介绍了结构振动控制技术的发展现状及SMA在土木工程领域的研究及应用现状;描述了SMA形状记忆效应和超弹性效应的微观机理，并总结归纳了SMA几种典型的宏观唯象本构模型。
　　(2)进行了超弹性Ni-Ti SMA丝的力学性能试验，研究了循环次数、应变幅值、加载速率、环境温度及预应变等因素对SMA滞回曲线及各力学性能参数的影响，得到了各因素对该Ni-TiSMA丝性能影响的变化规律。基于ANSYS有限元分析软件，采用内置的SMA超弹性本构模型模拟试验用Ni-Ti SMA丝的超弹性性能，并与试验结果进行了对比，结果表明，ANSYS程序自带的SMA超弹性本构模型具有较高的精度，能够很好地模拟SMA材料的超弹性本构关系。
　　(3)研发了一种新型SMA自复位耗能支撑。利用SMA超弹性性能，研发了一种兼具耗能和复位功能且构造简单的新型SMA自复位耗能支撑。
　　(4)对研发的新型SMA自复位耗能支撑，进行了力学性能试验研究，考察了SMA丝束面积、位移幅值、加载速率及SMA预应力等因素对支撑滞回曲线及力学性能参数的影响。采用ANSYS有限元分析软件对新型SMA自复位耗能支撑进行数值模拟，并与试验结果进行对比，结果表明，SMA自复位耗能支撑的数值模拟结果与试验结果吻合良好。
　　(5)分别对安装普通支撑、防屈曲支撑及自复位耗能支撑的9层钢框架进行了低周往复加载和弹塑性时程分析，对比不同类型的支撑对钢框架结构抗震性能的影响。结果表明，新型SMA自复位耗能支撑不仅能减小结构的地震响应，而且可以有效控制结构的震后残余变形。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和意义

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

1．2．5 智能控制

1．3 土木工程智能结构

1．4 SMA在土木工程中研究与应用现状

1．4．1 SMA耗能装置

1．4．2 SMA隔震装置

1．4．3 SMA智能控制

1．5 本文的主要研究内容

参考文献

第二章 SMA材料性能试验

2．1 引言

2．2 SMA的基本特性

2．2．1 材料的微观结构

2．2．2 热弹性马氏体相变

2．2．3 形状记忆效应

2．2．4 超弹性效应

2．3 SMA的本构模型

2．3．1 Tanaka、Liang和Brinson系列本构模型

2．3．2 Boyd和Lagoudas系列本构模型

2．3．3 Aurricchio模型及其改进模型

2．3．4 Graesser-Cozzarelli模型及其改进模型

2．3．5 Inshin-Pence模型

2．4 SMA的超弹性性能试验

2．4．1 试验设备及SMA试件选择

2．4．2 试验方法及试验过程

2．4．3 试验结果及讨论

2．5 ANSYS的sMA超弹性本构模型及相关参数取值

2．5．1 ANSYS中SMA超弹性本构模型

2．5．2 参数取值

2．5．3 数值模拟

2．6 本章小结

参考文献

第三章 新型SMA自复位耗能支撑的设计

3．1 引言

3．2 SMA自复位耗能支撑的构造及其工作原理

3．2．1 新型SMA自复位耗能支撑的构造

3．2．2 新型SMA自复位耗能支撑的工作原理

3．3 sMA自复位耗能支撑的设计

3．4 试件设计

3．5 SMA自复位耗能支撑的加工与组装

3．5．1 支撑加工

3．5．2 支撑拼装过程

3．6 本章小结

参考文献

第四章 新型SMA自复位耗能支撑的试验研究及数值模拟

4．1 引言

4．2 材料性能试验

4．2．1 试样设计与加工

4．2．2 试验装置与加载

4．2．3 材性试验结果

4．3 SMA自复位耗能支撑的力学性能试验

4．3．1 试验概况

4．3．2 参数选取

4．3．3 试验结果及分析

4．4 sMA自复位耗能支撑的数值模拟

4．4．1 模型建立及相关参数取值

4．4．2 数值分析结果及其与试验结果的对比

4．5 SMA自复位耗能支撑的力学计算模型

4．5．1 基本假定

4．5．2 力学计算模型

4．6 本章小结

参考文献

第五章 应用SMA自复位耗能支撑的框架结构地震反应分析

5．1 引言

5．2 SMA自复位耗能支撑的简化与验证

5．3 钢框架模型

5．4 框架结构的分析

5．4．1 结构设计

5．4．2 有限元模型

5．4．3 结构分析

5．5 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 本文总结

6．1．1 主要结论

6．1．2 创新之处

6．1．3 存在的问题及改进措施

6．2 后续研究展望

致谢

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