新型耗能增強型形狀記憶合金阻尼器減震性能研究

摘要：首先通過形狀記憶合金的材性試驗研究了其超彈性變形性能，并將其等效擬合為多線性模型，得到其計算參數(shù).然后，提出了一種新型耗能增強型SMA阻尼器，說明了其構(gòu)造，闡述了其工作原理和設(shè)計要點，推導(dǎo)了阻尼器的恢復(fù)力模型.最后通過有限元程序?qū)υO(shè)置該阻尼器的多層鋼框架、對角設(shè)置SMA拉索的多層鋼框架、普通鋼框架進行了地震時程分析，對比研究了該阻尼器的消能減震能力.結(jié)果表明該阻尼器的滯回環(huán)非常飽滿，耗能能力強，大震下對結(jié)構(gòu)的位移和層間位移角控制效果顯著.

關(guān)鍵詞：SMA阻尼器；減震性能；滯回耗能；動力時程分析

中圖分類號：TU 352.1 文獻標識碼：A

形狀記憶合金（shape memory alloys，簡稱SMA）是一種機敏材料，主要有兩個特性：形狀記憶性能和超彈性性能＼[1＼].利用SMA的形狀記憶性能可制作成驅(qū)動元件，進行結(jié)構(gòu)主動控制，利用SMA的超彈性性能和高阻尼特性可制成各種構(gòu)造形式的SMA阻尼器，進行結(jié)構(gòu)被動控制.相比較其他類型的阻尼器，SMA阻尼器的一個突出優(yōu)點是阻尼器耗能后殘余變形很小.

目前開發(fā)的SMA阻尼器種類較多，大多數(shù)阻尼器是用SMA絲（SMA束或SMA絞線）制成.Tamai等＼[2＼]把SMA絲設(shè)置在框架的對角進行振動控制，并研究了其耗能性能；Corbi＼[3＼]提出了把SMA拉索設(shè)置在剪切框架的底部對角進行隔震，研究表明能有效地減小結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，增大結(jié)構(gòu)的自復(fù)位能力；丁陽等＼[4＼]通過數(shù)值模擬的方法研究了高層鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)SMA對角拉索控制效果；韓玉林等＼[5＼]通過試驗研究了把SMA拉索設(shè)置在框架對角的控制效果，研究表明設(shè)置了SMA拉索的框架振動反應(yīng)衰減較快.

利用SMA制成各種構(gòu)造形式的阻尼器也很多，Li Hui等＼[6＼]利用SMA 超彈性特性開發(fā)了2種新型的SMA 阻尼器——拉伸型SMA 阻尼器和剪刀型SMA 阻尼器，其中剪刀型SMA阻尼器通過改變剪刀的力臂可以達到位移放大的效果；Dolce 等＼[7＼]設(shè)計了一種具有自復(fù)位能力的阻尼器；Zhang等＼[8＼]采用超彈性SMA鉸線設(shè)計了一種可以重復(fù)使用的遲滯阻尼器（RHD）；Zuo等＼[9＼]提出了一種SMA復(fù)合摩擦阻尼器；薛素鐸等＼[10-12＼]設(shè)計了幾種不同類型的SMA阻尼器；Song 等＼[13＼]比較詳細地總結(jié)了SMA阻尼器在土木工程中的若干應(yīng)用；李宏男等＼[14-15＼]也開發(fā)了幾種SMA阻尼器；禹奇才等＼[16＼]提出了一種放大位移型SMA阻尼器；倪立峰等＼[17＼]也提出了SMA阻尼器；凌育洪等＼[18＼]也研發(fā)了一種新型SMA 阻尼器.總之，目前開發(fā)的SMA阻尼器種類較多，但大多數(shù)不具備放大SMA位移反應(yīng)的功能.為此，本文研究思路是首先通過材性試驗研究了SMA絲滯回性能并確定了計算所需的SMA參數(shù)，提出一種SMA阻尼器，闡述了其設(shè)計要點，推導(dǎo)了恢復(fù)力模型，最后通過算例對比研究了SMA阻尼器的減震性能.

湖南大學學報（自然科學版）2013年

第2期陳云等：新型耗能增強型形狀記憶合金阻尼器減震性能研究

1SMA的力學性能

鑒于隨后要對SMA阻尼器在有限元程序里進行模擬計算，需要預(yù)先確定SMA的輸入?yún)?shù)，特對SMA進行力學性能試驗.

試驗選用的SMA為Ti50.8%Ni的SMA絲.SMA絲的最大可回復(fù)應(yīng)變?yōu)?%，最大回復(fù)應(yīng)力為600 MPa.試件有效長度為150 mm，直徑為1.0 mm.拉伸試驗裝置為微機控制電子萬能試驗機，采用50 mm標距的引伸儀測量位移.

試驗時首先在室溫下進行拉伸、卸載循環(huán)試驗，使材料的超彈性性能穩(wěn)定，然后開始加載、卸載，繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線.將試驗所得SMA的應(yīng)力應(yīng)變曲線等效擬合后得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示，SMA的彈性模量為58 000 N/mm2，泊松比取0.3，在程序里SMA的超彈性性能曲線被簡化成多段線性直線，其擬合參數(shù)取值如表1所示

阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)中所耗散能量的大小既與阻尼器自身的性能有關(guān)，也與阻尼器安裝位置處結(jié)構(gòu)的相對變形大小有關(guān).因此，在阻尼器已經(jīng)確定的前提下，如何在結(jié)構(gòu)相對變形合理的情況下增大阻尼器的位移行程就是一個有意義的問題.本文所開發(fā)的SMA阻尼器可以放大SMA絲的變形，在同樣結(jié)構(gòu)變形的條件下，該阻尼器可以耗散更多的能量.

其依據(jù)是杠桿原理和平行四邊形形狀可以改變的性質(zhì).阻尼器主要由4根鋼桿和兩組SMA絲（束或絞線）組成，4根鋼桿分成兩組，每組兩根鋼桿之間通過銷栓組成一個剪刀撐， SMA絲固定在剪刀撐較長一端的端部，兩個剪刀撐較短一側(cè)的端頭之間通過銷栓連接在一起組成一個平行四邊形.阻尼器通過兩根斜撐與結(jié)構(gòu)的對角位置鉸接在一起.其構(gòu)造示意圖如圖2所示

在Pasadena波作用下，SMA阻尼器控制結(jié)構(gòu)的層位移和層間位移角也能得到較好地控制，最大分別達到22.02%和20.96%，而對角拉索的控制效果最大僅為3.00%和2.99%，控制效果較差.

在Taft波作用下，除了3層的層間位移角控制效果較好外，SMA阻尼器控制結(jié)構(gòu)和對角拉索控制結(jié)構(gòu)的層位移和層間位移角大多數(shù)時候稍大于無控結(jié)構(gòu)，最大不超過10%，原因可能是SMA阻尼器控制結(jié)構(gòu)和對角拉索控制結(jié)構(gòu)的基本周期接近Taft波的卓越周期導(dǎo)致的，但從隨后的SMA拉索滯回耗能曲線可知，SMA阻尼器仍然發(fā)揮了較好的耗能作用.

對于SMA阻尼器控制結(jié)構(gòu)，底層平均層間位移角為1/85，最大層間位移角為1/76，無控結(jié)構(gòu)和對角拉索控制結(jié)構(gòu)底層最大層間位移角分別達到1/60和1/62.

其次，比較圖中兩個結(jié)構(gòu)SMA拉索的滯回環(huán)可以明顯看出，SMA阻尼器控制結(jié)構(gòu)中SMA拉索的滯回環(huán)非常飽滿，而對角拉索控制結(jié)構(gòu)的SMA滯回環(huán)窄了很多.在3條波的分別作用下，前者的應(yīng)變范圍平均達到1.5%～7.5%，后者的應(yīng)變范圍僅為3.2%～5.8%，前者應(yīng)變幅度平均增大了2倍左右；比較應(yīng)力的變化范圍，前者的應(yīng)力變化范圍平均為127 ～528 N/mm2，后者的應(yīng)力變化范圍為181～423 N/mm2，應(yīng)力幅度平均增大了1.66倍左右，進一步表明SMA阻尼器具有顯著增強耗能的作用.

有限元分析得到的SMA拉索的滯回環(huán)與實測的SMA應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀基本一致，表明有限元程序里SMA的本構(gòu)模型能較好地模擬SMA的超彈性性能.

4結(jié)論

本文首先通過材性試驗研究了SMA絲材的超彈性變形性能和參數(shù)取值，然后提出了一種耗能增強型SMA阻尼器，闡述了其構(gòu)造和工作原理，推導(dǎo)了其恢復(fù)力模型，最后通過對比研究進行了地震時程分析，得出以下初步結(jié)論：

1）SMA材性試驗表明，SMA的滯回環(huán)較飽滿，超彈性變形性能較好.在實際應(yīng)用時可將其等效為多線性模型，分析表明與程序中的超彈性本構(gòu)吻合較好.

2）地震時程分析表明，該SMA阻尼器對結(jié)構(gòu)的層位移和層間位移角具有顯著控制效果，最大控制效果分別達到了34.1%和33.97%，而對角SMA拉索對結(jié)構(gòu)層位移和層間位移角控制效果一般；SMA阻尼器和對角SMA拉索相同，對結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)控制效果一般，設(shè)置SMA阻尼器和對角SMA拉索后結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受的層間剪力略有減小.

3）SMA阻尼器中SMA拉索滯回環(huán)非常飽滿，通過其位移放大作用，SMA拉索的耗能能力能夠充分發(fā)揮，相反對角SMA拉索滯回環(huán)較窄，導(dǎo)致SMA拉索的耗能能力未能得到充分發(fā)揮.

4）從經(jīng)濟價值上考量，制約SMA大規(guī)模應(yīng)用的一個障礙是SMA的價格較貴，因此必須充分利用其價值，對角SMA拉索和本文的SMA阻尼器使用了同樣重量的SMA絲，但控制效果卻遠勝前者，因此其經(jīng)濟價值較大，有助于SMA在結(jié)構(gòu)振動控制中的推廣應(yīng)用.

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