土木工程結(jié)構(gòu)中SMA耗能裝置應(yīng)用研究

蔡黎明 鐘雨晴 李麗民 李成龍 馬志昕

(湖南科技學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院 湖南永州 425199)

一、SMA耗能裝置應(yīng)用國內(nèi)研究

形狀記憶合金（SMA）耗能裝置因其具有阻尼高及滯回耗能的優(yōu)點(diǎn)，在土木工程結(jié)構(gòu)抗震中得到了廣泛關(guān)注。國內(nèi)從SMA的參數(shù)、安裝位置、應(yīng)用理論及如何減小抗震損失等方面對(duì)其進(jìn)行了大量研究。趙祥等對(duì)位移放大與耗能高的SMA阻尼器與粘滯阻尼器復(fù)合應(yīng)用進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)循環(huán)荷載下其與粘滯阻尼器協(xié)同工作性優(yōu)良，可以顯著提高SMA阻尼器的耗能減震能力。李惠等基于仿真分析和鋼框架模振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)框架結(jié)構(gòu)中SMA的超彈性進(jìn)行研究，得到SMA抗震性能取決于其滯回曲線的圈數(shù)與荷載頻率。孫彤等對(duì)多維SMA阻尼器的力學(xué)性能開展了相關(guān)研究，得到新的SMA阻尼器很好地實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)力與拉伸力之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)阻尼力的多方向性，其初始應(yīng)變、加載頻率與幅值均會(huì)對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生影響。鄭曉蒙等基于框架結(jié)構(gòu)和有限元仿真，對(duì)SMA抗震效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其耗能減震效果良好。王社良等對(duì)懸擺結(jié)構(gòu)與SMA絲構(gòu)成的減震裝置展開了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在地震荷載與正弦波作用下，該抗震裝置能很好地控制主體結(jié)構(gòu)抗震。錢輝等對(duì)摩擦與SMA復(fù)合耗能裝置開展了試驗(yàn)與仿真研究，發(fā)現(xiàn)提出的恢復(fù)力復(fù)合耗能裝置力學(xué)模型仿真與試驗(yàn)結(jié)果有良好的一致性。劉明明等對(duì)金屬鉛與SMA復(fù)合耗能裝置開展了試驗(yàn)與仿真研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該耗能裝置的自復(fù)位性能好，能耗高，循環(huán)荷載下協(xié)同工作性能良好，耗能能力比單一SMA裝置更好。展猛等基于二層框架模型對(duì)壓電摩擦與SMA半主動(dòng)復(fù)合抗震裝置進(jìn)行試驗(yàn)和理論研究，發(fā)現(xiàn)其混合控制比單一SMA控制更能減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響。陳云等基于有限元與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)框架結(jié)構(gòu)SMA耗能裝置安裝位置開展了研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)反彎點(diǎn)處錨固裝置安裝SMA耗能裝置，其累積塑性滯回耗能能力以及極限與屈服承載力明顯提高。王社良等基于有限元分析對(duì)SMA耗能裝置安裝位置開展了研究，發(fā)現(xiàn)在梁柱節(jié)點(diǎn)安裝SMA耗能裝置的耗能減震效果良好，對(duì)框架結(jié)構(gòu)的抗震有明顯改善。王振營等基于結(jié)構(gòu)損傷對(duì)框架剪力墻的SMA耗能裝置進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)SMA耗能裝置能大大減小混凝土連梁在地震作用下的損傷。王鳳華等基于地震仿真，對(duì)SMA耗能裝置對(duì)古塔的抗震進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其能明顯降低地震對(duì)古塔的影響，并推出其在古塔中的安裝位置和數(shù)量。張振華等對(duì)SMA耗能裝置的外界激勵(lì)幅值與溫度的影響開展了研究，發(fā)現(xiàn)其具調(diào)頻和減震效果優(yōu)越。唐顯鵬等基于梁的碰撞分析研究了SMA耗能裝置對(duì)碰撞的影響，發(fā)現(xiàn)其能明顯降低梁的碰撞損傷。任文杰等基于5層框架結(jié)構(gòu)對(duì)SMA耗能裝置進(jìn)行研究，提出了隨機(jī)等價(jià)線性化法簡化力學(xué)模型，并證明了其有效性。邢德進(jìn)等基于框架結(jié)構(gòu)對(duì)SMA耗能裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，提出了其長度與剛度確定方法，得到了其耗能系數(shù)的影響規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)其對(duì)框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)有明顯抑制作用[1][2][3][4]。

二、SMA耗能裝置應(yīng)用國外研究

國外在SMA耗能裝置理論模型、自復(fù)位性能、控制與改造加固等方面進(jìn)行了系列研究。Ozbulut等基于橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)SMA耗能裝置進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其與摩擦隔振支座協(xié)調(diào)工作性能良好，能有效減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)。Qian等對(duì)框架結(jié)構(gòu)中自定心元件與SMA耗能裝置的減震進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)，該組合能更好地減少地震對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。Miller等對(duì)粘滯阻尼器與SMA耗能裝置復(fù)合應(yīng)用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合耗能裝置對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震控制更好。Kari等對(duì)SMA與屈曲約束的雙支撐系統(tǒng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)SMA與屈曲約束協(xié)調(diào)工作性能好，能明顯減少鋼結(jié)構(gòu)的殘余變形和層間位移。Sado等開展了MR與SMA復(fù)合耗能裝置的研究，發(fā)現(xiàn)其能耗能減震作用顯著。Asgarian等基于框架結(jié)構(gòu)研究了SMA自復(fù)位混合耗能裝置，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其對(duì)結(jié)構(gòu)的塑性變形、層間位移與加速度能有效控制。Dieng等基于斜拉索結(jié)構(gòu)對(duì)SMA耗能裝置進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其對(duì)斜拉索的位移幅值降低效果明顯。Parulekar等進(jìn)行雙桶式SMA耗能裝置研究，發(fā)現(xiàn)其能提高SMA的加固能力。Indirli等基于修復(fù)和加固對(duì)SMA耗能裝置在清真寺與鐘樓中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其加固性能好。Attansi等基于試驗(yàn)研究了SMA超彈性螺旋彈簧耗能裝置，發(fā)現(xiàn)其卸載、加載段恢復(fù)力平臺(tái)明顯[5][6]。

三、結(jié)束語

SMA耗能裝置在近幾十年中在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用得到了廣泛研究，取得了很大成果，它與其他抗震裝置具有良好的工作協(xié)調(diào)性，能明顯減小結(jié)構(gòu)的抗震，具有自復(fù)位能力。但目前還有一些問題需要解決，如對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)，柱間SMA耗能裝置應(yīng)變小，影響其能耗效果，其耗能需要外界激勵(lì)，對(duì)中小型地震耗能作用不佳，其本構(gòu)關(guān)系大多進(jìn)行了簡化，不能準(zhǔn)確反映其抗震的力學(xué)性能。