钢框架结构利用形状记忆合金的被动控制试验研究

摘要

形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)是一种新型的智能材料，具有形状记忆效应(Shape Memory Effect，简称SME)、超弹性(Pseudo-elastic Effect，简称PE)和高阻尼特性，且具有耐腐蚀、耐疲劳和优良的机械性能，使其在结构振动控制领域显示出诱人的应用前景。利用奥氏体状态下SMA的超弹性制成的耗能器是一种性能优良的耗能减振装置，它可以有效的控制结构的动力响应，在理论上和实用上都是很有价值的。
　　正是由于SMA具有上述一些优点，本文利用SMA材料的相变超弹性性能，将其制成被动拉索并对钢框架结构的地震响应进行控制。本文研究的主要内容及成果包括以下几个方面：
　　介绍了SMA的主要本构模型，并比较了各自的优缺点，为试验参数的设置提供了依据。
　　对超弹性NiTi SMA丝进行拉伸、卸载循环试验，观察其超弹性性能，使其具有稳定的应力-应变滞回曲线，根据试验所得的曲线确定了SMA拉索耗能性能的有关参数，为确定SMA拉索对结构振动控制的有效性提供了试验依据。
　　本文对三层非线性钢框架结构利用SMA耗能器的被动控制效果进行了振动台试验研究。根据结构振动控制的基本理论，针对实际工程中钢框架结构在振动时，单层内以对角线两端的相对位移最大的特点，试验时采用多种地震波输入，并考虑SMA初始应变分别对有控制和无控制两种情况进行地震反应非线性分析。结果表明，与无控状态时相比装有SMA耗能装置的钢框架结构，顶层最大位移有明显减小，各层最大层间位移角也均大幅减小，速度和加速度也得到了明显的降低，控制效果显著。同时，SMA滞回环饱满，耗能效果良好。在地震作用下，装有SMA的钢框架结构的抗震性能得到了很大的提高，SMA耗能器减震效果良好。而且本文提出的SMA拉索构造简单，安装方便，能适应不同的工作状态，是一种具有很好的应用前景的被动耗能装置。
　　利用在不同层间设计SMA被动拉索，分析了其动力响应，研究了SMA拉索布置的数量和位置对结构振动控制的影响。结果表明，在层间满布SMA拉索时，结构的动力响应最小，但从经济性的角度分析其相比底层或者底两层布置SMA拉索时的控制效果并没有成倍的减小，故结构在进行SMA拉索的布置时并不需满布，只需在结构的薄弱层布置即可。