基于大直徑SMA棒材自復(fù)位裝置的試驗(yàn)研究

董金芝

(1.上海市建筑科學(xué)研究院上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200032; 2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092)

0 引 言

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy,簡稱SMA)是一種具有獨(dú)特形狀記憶效應(yīng)和超彈性特性的智能材料,可用于工程結(jié)構(gòu)的耗能減震和自復(fù)位。SMA絲材是其最早和最為常見的應(yīng)用形式[1-2],但是由于絲材的直徑非常小,所提供的恢復(fù)力十分有限,使其應(yīng)用受到限制。

近年來,可提供較大恢復(fù)力的大直徑SMA棒材得到廣泛研究。DesRoches等[3]、何小輝[4]、王偉等[5]、韋捷亮等[6]研究了大直徑SMA棒材力學(xué)性能對熱處理參數(shù)的敏感性。研究結(jié)果表明,熱處理對大直徑SMA 棒材的超彈性和力學(xué)穩(wěn)定性有很大影響,溫度和時間是兩個最為重要的熱處理參數(shù),經(jīng)過合理的熱處理后SMA棒材的力學(xué)性能會進(jìn)一步提升且更加穩(wěn)定。張紀(jì)剛等[7]將SMA棒材與Pall摩擦阻尼器有機(jī)結(jié)合后提出了一種改進(jìn)的PFD-SMA支撐,其在鋼框架中的應(yīng)用表現(xiàn)出良好的減震和復(fù)位效果。韋捷亮等[8]將SMA棒材加工制作成的螺旋彈簧與平面摩擦支座相結(jié)合形成一種新型隔震控制裝置SFB,其在大跨空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用表明該隔震裝置具有良好的隔震控制性能。Morad等[9]研發(fā)了一種基于SMA棒材的防屈曲耗能支撐,顯著降低了四層框架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和整體結(jié)構(gòu)的殘余變形。

目前,現(xiàn)有生產(chǎn)和熱處理工藝已可獲得具有良好性能的大直徑SMA棒材,但其設(shè)計方法和工程應(yīng)用還缺少研究。為此,本文基于國產(chǎn)大直徑SMA棒材研發(fā)了一種構(gòu)造簡單、功能良好的SMA自復(fù)位裝置,并分別從材料性能、概念設(shè)計、構(gòu)造設(shè)計和力學(xué)性能試驗(yàn)等方面展開研究,為大直徑SMA棒材在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 SMA棒材的材性試驗(yàn)

1.1 試樣設(shè)計及熱處理

本試驗(yàn)中選用了直徑為25 mm的Ti55.97Ni44.03(下標(biāo)數(shù)值表示原子比百分?jǐn)?shù),單位%)超彈性形狀記憶合金棒材,直徑為25 mm。該棒材的標(biāo)定臨界相變溫度Af=-5 ℃,故在室溫狀態(tài)下(約20 ℃)該材料的初始狀態(tài)為奧氏體態(tài)。研究表明熱處理會對大直徑SMA棒材的力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響,溫度和時間是兩個主要因素[5,10]。因此,本文對大直徑SMA棒材先進(jìn)行熱處理再開展其力學(xué)性能研究。在文獻(xiàn)[5]的研究基礎(chǔ)上,本文選定了兩組溫度參數(shù)(400 ℃和450 ℃)和兩組時間參數(shù)(30 min和45 min),形成了4組熱處理參數(shù)組合。

本次試驗(yàn)中,共加工制作了6個SMA棒材試樣,長度均為300 mm,按照如圖1所示的幾何尺寸進(jìn)行機(jī)加工。SMA試樣的熱處理試驗(yàn)分為兩批:第一批包含4個試樣,分別采用4組參數(shù)組合中的一組進(jìn)行熱處理,然后開展材性試驗(yàn),對比不同熱處理參數(shù)組合下SMA試樣的力學(xué)性能,篩選出較優(yōu)最佳熱處理參數(shù)組合;第二批包含2個試樣,以第一批次試驗(yàn)結(jié)果所確定的較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行熱處理,再進(jìn)行材性試驗(yàn)。

圖1 SMA試樣加工圖(單位:mm)Fig.1 SMAspecimen diagram (Unit:mm)

表1SMA試樣匯總表

Table 1Summary of all SMA specimens

注:***-**根據(jù)第一批試樣的試驗(yàn)結(jié)果,選取SMA棒材殘余變形較小的熱處理參數(shù)對第二批試樣進(jìn)行熱處理

SMA棒材試樣的熱處理程序?yàn)?①熱處理前先將SMA棒材試樣在熱水和冷水中各放置5 min,循環(huán)進(jìn)行3次,然后將試樣取出自然冷卻至室溫,以保證SMA棒材試樣處于完全奧氏體態(tài);②按照預(yù)定熱處理方案將工業(yè)爐進(jìn)行溫度設(shè)定,并確保其爐溫穩(wěn)定在預(yù)設(shè)溫度;③將SMA棒材試樣放入工業(yè)爐,到預(yù)定熱處理時間后立即取出放在常溫水中冷卻至室溫。SMA棒材試樣的熱處理試驗(yàn)裝置及處理后的試樣如圖2所示。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī),采用量程為2 000 kN的荷載傳感器測量試樣軸向拉力,采用標(biāo)距為50 mm的MTS 引伸計測量試樣軸向變形,試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動采集。SMA棒材試樣材性試驗(yàn)裝置如圖3所示。

1.3 加載制度

本試驗(yàn)為變幅循環(huán)拉伸試驗(yàn),加載采用應(yīng)變控制,應(yīng)變幅值為0.5%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%,各循環(huán)一圈(加載至規(guī)定應(yīng)變后卸載至0記為一圈),應(yīng)變速率為0.000 5/s;卸載采用荷載控制,應(yīng)力速率為10 MPa/s,如圖4所示。

圖2 SMA棒材試樣熱處理試驗(yàn)Fig.2 Heat treatment test for SMA bars

圖3 SMA棒材試樣材性試驗(yàn)裝置Fig.3 Testsetup of material performance of SMA bar

1.4 力學(xué)性能參數(shù)定義

應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的SMA材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線及各階段的相變特性如圖5所示[11-12]。其中,OF為加載曲線,隨著加載的進(jìn)行奧氏體態(tài)的SMA逐漸發(fā)生到馬氏體態(tài)的正相變;FO′為卸載曲線,隨著卸載的進(jìn)行馬氏體態(tài)SMA逐漸發(fā)生到奧氏體態(tài)的逆相變。EF為馬氏體塑性變形段,卸載會產(chǎn)生殘余變形,因此在研究SMA的超彈性特性時一般不包含EF段[12]。

圖4 SMA棒材試樣材性試驗(yàn)的加載制度Fig.4 Loading scheme for the test of SMA bar material properties

圖5 SMA材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.5 Stress-strain relationship of SMA

在SMA的超彈性性能曲線中,一般將E點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力幅值σmax和εmax之比定義為等效剛度Keq[12]。外力撤除后,SMA材料卸載到應(yīng)力為零時由于逆向變不徹底會有一定的殘余應(yīng)變εr,該值表征了SMA材料的復(fù)位性能,也是決定SMA自復(fù)位裝置性能的關(guān)鍵參數(shù)。

1.5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

6根SMA棒材試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線和殘余變形分別如圖6和表2所示。由圖6(a)-(d)試驗(yàn)結(jié)果可知:4組熱處理參數(shù)組合中SMA棒材殘余變形最小的組合為溫度400 ℃和熱處理時間30 min。因而表1中第2批兩根試樣的熱處理溫度和時間選為400 ℃和30 min。在該熱處理參數(shù)組合下,3根SMA棒材試樣的應(yīng)力幅值分別為1 192.07 MPa、1 068.11 MPa和1 137.27 MPa,應(yīng)變幅值分別為10.01%、8.22%和9.01%,等效剛度Keq均值為1.25 GPa;SMA棒材加載到6%和8%后卸載的殘余應(yīng)變均值分別為0.27%和0.94%。由此可見,熱處理后大直徑SMA棒材能夠獲得良好的力學(xué)特性和自復(fù)位特性。

圖6 SMA棒材試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Stress-strain relation curves of SMA bar specimens

表2SMA棒材試樣的殘余應(yīng)變

Table 2Residual strain of SMA bar specimens

注:試樣SMA-400-30-3的過渡弧位置存在機(jī)加工缺陷,殘余變形數(shù)據(jù)偏大

2 SMA自復(fù)位裝置研發(fā)

2.1 概念設(shè)計

以應(yīng)用于框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)中搖擺墻構(gòu)件的自復(fù)位為背景,基于大直徑SMA棒材的超彈性特性研發(fā)了一種SMA自復(fù)位裝置。該裝置的設(shè)計要點(diǎn)在于要確保自復(fù)位裝置中的SMA棒材在工作過程中始終處于“受拉”狀態(tài),且能隨搖擺墻體“一起搖擺”,避免發(fā)生“受壓屈曲”和“彎、剪、扭”復(fù)合作用。

基于上述研發(fā)背景和SMA棒材的材料性能試驗(yàn)結(jié)果,提出一種SMA自復(fù)位裝置的概念設(shè)計,如圖7所示。該裝置主要由SMA棒材、端板、鉸支座、固定底座、限位擋塊等部件構(gòu)成。其中,SMA棒材用于實(shí)現(xiàn)自復(fù)位性能;端板用于自復(fù)位裝置與搖擺墻肢的固定連接;鉸支座可實(shí)現(xiàn)墻體搖擺時SMA棒材能發(fā)生自由轉(zhuǎn)動,SMA棒材始終處于垂直受拉的工作狀態(tài);固定底座用于SMA棒材與基礎(chǔ)的固定連接,居中開有橢圓形長孔,便于SMA棒材穿過;限位擋塊在SMA棒材受拉時起到限位作用,在SMA棒材受壓時隨同棒材一起向下滑動,如圖8所示。

圖7 SMA自復(fù)位裝置概念設(shè)計示意圖Fig.7 Schematic diagram of the conceptual design of SMA self-centering device

圖8 SMA自復(fù)位裝置工作示意圖Fig.8 Schematic diagram of SMA self-centering deviceat working state

2.2 構(gòu)造設(shè)計

根據(jù)概念設(shè)計方案,加工制作了1組SMA自復(fù)位裝置,其設(shè)計圖和實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 SMA自復(fù)位裝置的構(gòu)造設(shè)計Fig.9 Structural design of SMA self-centering device

SMA自復(fù)位裝置主要由SMA棒材、端板、鉸支座、固定底座、限位擋塊等部件構(gòu)成。其中,SMA棒材呈兩端粗中間細(xì)的狗骨狀(端部外徑25 mm,核心段直徑18 mm),兩端車有外螺紋;鉸支座用于連接SMA棒材和搖擺墻,其頂部與搖擺墻底部的預(yù)埋鋼板通過焊接連接,其底部通過中心處的內(nèi)螺紋與SMA棒材上端的外螺紋進(jìn)行螺紋連接;固定底座用于SMA棒材與基礎(chǔ)的連接,其頂部中心位置開有圓孔滑槽,允許SMA棒材穿過以及發(fā)生一定范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動;限位擋塊約束在固定底座的拱形槽洞內(nèi),呈現(xiàn)半圓墩狀,中心處開有圓孔,通過孔內(nèi)的內(nèi)螺紋與SMA棒材下端的外螺紋進(jìn)行螺紋連接。

該SMA自復(fù)位裝置在搖擺墻中的工作機(jī)制為:設(shè)計時,在墻體底部一定高度范圍內(nèi)的左右兩邊分別設(shè)置一組SMA自復(fù)位裝置用于實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功能,兩者中間設(shè)置可轉(zhuǎn)動的V型支撐用于實(shí)現(xiàn)搖擺功能并提供豎向承載力;當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時,墻體發(fā)生搖擺,一側(cè)的SMA自復(fù)位裝置受拉進(jìn)入工作狀態(tài),另一側(cè)的SMA自復(fù)位裝置受壓下滑退出工作;兩端的SMA自復(fù)位裝置在地震作用下隨著搖擺墻交替往復(fù)運(yùn)動,受拉一側(cè)的SMA棒材發(fā)揮超彈性特性,為搖擺墻構(gòu)件的自復(fù)位提供恢復(fù)力。

需要注意的是,對于采用螺紋連接的SMA棒材應(yīng)在完成機(jī)加工后再進(jìn)行熱處理,以便消除螺紋處的應(yīng)力集中。如采用先熱處理后機(jī)加工的順序,會使SMA棒材在未充分發(fā)揮性能前就發(fā)生螺紋處(多為第一螺牙位置處)斷裂破壞。

3 SMA自復(fù)位裝置的力學(xué)性能試驗(yàn)

3.1 試件設(shè)計

SMA自復(fù)位裝置在實(shí)際工作狀態(tài)為:在結(jié)構(gòu)變形較小的階段,搖擺墻墻體的轉(zhuǎn)動較小,則SMA自復(fù)位裝置的轉(zhuǎn)動也很小,基本處于垂直工作狀態(tài);當(dāng)結(jié)構(gòu)變形較大,搖擺墻體發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動,SMA自復(fù)位裝置也隨之發(fā)生一定轉(zhuǎn)動。不論SMA自復(fù)位裝置是在垂直工作狀態(tài)還是發(fā)生一定轉(zhuǎn)動后的工作狀態(tài),其SMA棒材均處于“受拉”工作模式。

考慮到上述SMA自復(fù)位裝置的實(shí)際工作狀態(tài),本次試驗(yàn)中設(shè)計了2組開孔位置不同的鉸支座,如圖10所示。其中,1組鉸支座為中心開孔,用于測試SMA自復(fù)位裝置在垂直狀態(tài)下的工作性能;另1組鉸支座為偏心開孔,用于測試SMA自復(fù)位裝置在傾斜狀態(tài)下的工作性能。2組SMA自復(fù)位裝置的總高度均為600 mm (不含夾持端尺寸),SMA棒材的總長度為510 mm,包含上部螺紋段長度50 mm、核心段406 mm和下部螺紋段長度為54 mm。所選用的SMA棒材與材料性能試驗(yàn)為同一批,且采用了相同的熱處理參數(shù)預(yù)先進(jìn)行了熱處理。

3.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī),采用荷載傳感器測量荷載,采用位移傳感器測量SMA自復(fù)位裝置中SMA棒材的變形,并在SMA棒材中部粘貼應(yīng)變片測量其軸向應(yīng)變。試驗(yàn)中的荷載和變形、應(yīng)變等數(shù)據(jù)通過試驗(yàn)軟件自動采集。SMA自復(fù)位裝置的力學(xué)性能試驗(yàn)裝置如圖11所示。

圖10 兩種不同開孔形式的鉸支座設(shè)計Fig.10 Design of two kinds of hinge support with different opening positions

圖11 SMA自復(fù)位裝置力學(xué)性能試驗(yàn)裝置Fig.11 Mechanical performance test of SMA self-centering devices

3.3 加載制度

限于設(shè)備能力,SMA自復(fù)位裝置的加載和卸載均采用荷載控制。試驗(yàn)前,根據(jù)SMA棒材的材性試驗(yàn)結(jié)果預(yù)估了SMA自復(fù)位裝置的荷載-變形情況,設(shè)定了本次試驗(yàn)的控制荷載,如表3所示。試驗(yàn)為變幅循環(huán)拉伸試驗(yàn),加載與卸載均采用荷載控制,應(yīng)力速率為10 MPa/s,加載到目標(biāo)荷載后卸載到5 kN為一圈(不可卸載到0 kN以免發(fā)生加載裝置的松弛),每一個控制荷載各一圈。

本次試驗(yàn)以SMA棒材的應(yīng)變水平超過8%為目標(biāo),預(yù)估其荷載275 kN,控制荷載確定為270 kN。以應(yīng)變水平4%(1/2目標(biāo)應(yīng)變水平)對應(yīng)的控制荷載120 kN為分界點(diǎn),將整個試驗(yàn)過程分為兩個階段:前半段采用中心開孔鉸支座,加載到120 kN后卸載到0 kN;后半段采用偏心開孔鉸支座,先加載到140 kN再卸載到5 kN,再繼續(xù)按著后續(xù)加載制度進(jìn)行。試驗(yàn)的兩個階段中僅鉸支座進(jìn)行替換,其余不變,分別測試SMA自復(fù)位裝置在垂直和傾斜兩種狀態(tài)下的工作性能。

表3SMA自復(fù)位裝置加載控制參數(shù)

Table 3Loading control parameters for SMA self-centering device

實(shí)際加載過程中,為避免加載后期荷載增幅過大SMA棒材發(fā)生脆性斷裂,增加了180 kN、200 kN、210 kN和260 kN。最終,試驗(yàn)在加載到既定目標(biāo)仍具有良好工作性能。為研究該裝置的極限荷載,試件繼續(xù)加載至280kN,在該荷載水平的卸載過程中發(fā)生了SMA棒材的斷裂破壞,試驗(yàn)結(jié)束。

3.4 結(jié)果分析

試驗(yàn)得到SMA自復(fù)位裝置力學(xué)性能指標(biāo)和力學(xué)性能關(guān)系曲線分別如圖12和表4所示。

由圖12和表4可知,SMA自復(fù)位裝置表現(xiàn)出良好的變形能力和復(fù)位能力,極限荷載和極限變形分別達(dá)到270.00 kN和37.345 mm,卸載后的殘余變形為9.09 mm。SMA自復(fù)位裝置中SMA棒材的極限拉應(yīng)變達(dá)到9.93%,在應(yīng)變水平為6.46%和8.13%時,殘余應(yīng)變分別為0.95%和1.74%。

對比SMA棒材的材性試驗(yàn)結(jié)果,SMA自復(fù)位裝置中SMA棒材的自復(fù)位性能沒有達(dá)到最佳,其原因在于:①SMA自復(fù)位裝置本身存在一定的初始空隙;②為了防止夾持裝置松弛,試驗(yàn)中并未到卸載到0 kN,而是5 kN,使得SMA棒材的自復(fù)位變形沒有得到充分恢復(fù),殘余變形相對偏大;③在SMA棒材發(fā)生大變形時應(yīng)變片因超出量程范圍過早退出工作,單軸式引伸計存在松動和調(diào)整,使得所測得的變形數(shù)據(jù)存在一定的誤差,尤其是大變形階段的數(shù)據(jù)偏大。

圖12 SMA自復(fù)位裝置力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Test results of SMA self-centering device

試驗(yàn)過程中,SMA自復(fù)位裝置在垂直和傾斜狀態(tài)下都表現(xiàn)出良好的工作性能,SMA棒材的超彈性變形性能和自復(fù)位特性得到充分發(fā)揮,驗(yàn)證了SMA自復(fù)位裝置構(gòu)造設(shè)計方案的可行性和有效性。

4 結(jié) 論

1) 熱處理后大直徑SMA棒材具有良好的超彈性特性和自復(fù)位特性,應(yīng)變幅值為6.00%和8.00%時卸載后的殘余應(yīng)變均值分別為0.27%和0.94%。

表4SMA自復(fù)位裝置的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

Table 4Mechanical performance test results of SMA self-centering device

(2) 所研發(fā)的SMA自復(fù)位裝置能有效實(shí)現(xiàn)SMA棒材的受拉工作模式,充分發(fā)揮SMA棒材的超彈性性能和自復(fù)位特性。

(3) SMA棒材的等效剛度高達(dá)1.25 GPa,可提供較大的恢復(fù)力,在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。