新型自復(fù)位黏彈性阻尼支撐力學(xué)性能研究

韓建平，章全才

(1. 蘭州理工大學(xué)甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅，蘭州 730050；2. 蘭州理工大學(xué)防震減災(zāi)研究所，甘肅，蘭州 730050)

傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)在遭受設(shè)防烈度和罕遇烈度水平的地震影響時(shí)會(huì)經(jīng)歷較大的非彈性變形，結(jié)構(gòu)構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)較大的損傷，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余位移，若殘余位移過(guò)大，將使結(jié)構(gòu)加固在技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上不可行，從而不得不被拆除。新近提出的可恢復(fù)功能防震結(jié)構(gòu)(earthquake resilient structure)在遭受設(shè)防或罕遇烈度的地震影響時(shí)保持可接受的功能，震后不需修復(fù)或在部分使用狀態(tài)下稍加修復(fù)就能恢復(fù)其使用功能，其主要目的是使結(jié)構(gòu)具備震后快速恢復(fù)使用功能的能力，從而減輕由于結(jié)構(gòu)震后功能中斷帶來(lái)的影響[1?3]?？拐痦g性城市(earthquake resilient city)的實(shí)質(zhì)是城市和社會(huì)能夠承受罕遇地震影響而不瞬間陷入癱瘓，提高城市抵御地震風(fēng)險(xiǎn)的能力，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全[4]。為了實(shí)現(xiàn)可恢復(fù)功能社區(qū)、可恢復(fù)功能城市或稱韌性城市，目前已經(jīng)提出并研究了多種可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)，包括自復(fù)位結(jié)構(gòu)、搖擺結(jié)構(gòu)、可更換構(gòu)件/部件結(jié)構(gòu)[1?2]。

自復(fù)位支撐體系是可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)中的一種，該體系通過(guò)特定的裝置耗散地震能量，能夠使結(jié)構(gòu)在罕遇烈度地震影響下，不喪失建筑物的運(yùn)營(yíng)功能，使損傷控制在可以迅速修復(fù)的范圍，甚至在經(jīng)受較大地震影響后能夠自行將結(jié)構(gòu)復(fù)位到原始零殘余位移的狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了大量的自復(fù)位支撐裝置，如Christopoulos 等[5?7]提出的自復(fù)位耗能(self-centering energy-dissipative，SCED)支撐，劉璐等[8]開(kāi)發(fā)的自復(fù)位屈曲約束支撐，張艷霞等[9]研制的自復(fù)位免修復(fù)摩擦耗能支撐，徐龍河等[10?11]設(shè)計(jì)的自復(fù)位變阻尼耗能支撐，Zhu 等[12]開(kāi)發(fā)的自復(fù)位摩擦阻尼支撐，錢輝、任文杰等[13?14]提出的形狀記憶合金復(fù)合摩擦阻尼器，Issa 等[15]基于SMA 棒設(shè)計(jì)的自復(fù)位支撐裝置，Dong 等[16]基于SMA 索提出的自復(fù)位耗能支撐，王偉等[17]提出的并聯(lián)高強(qiáng)鋼環(huán)簧組自復(fù)位阻尼器，這些自復(fù)位支撐裝置大多是將自復(fù)位系統(tǒng)與耗能系統(tǒng)以串聯(lián)或并聯(lián)的方式結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)既耗能又復(fù)位的功效，并且聚焦于摩擦耗能機(jī)制和金屬屈服耗能機(jī)制，對(duì)黏彈性材料耗能和與其復(fù)合耗能的機(jī)制鮮有研究。

本文提出一種新型的自復(fù)位黏彈性阻尼支撐(self-centering viscoelastic damping brace，SCVEDB)，利用形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)的拉伸變形耗能和黏彈性材料(viscoelastic material，VEM)的剪切變形耗能兩種耗能機(jī)制，同時(shí)利用形狀記憶合金的超彈性特性實(shí)現(xiàn)復(fù)位。該支撐構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)機(jī)制明確，能很好地協(xié)調(diào)變形和運(yùn)動(dòng)，可以產(chǎn)生較好的耗能能力和較強(qiáng)的自復(fù)位能力。本文對(duì)該支撐進(jìn)行了循環(huán)加載力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了位移幅值、加載速率、SMA 絲數(shù)量、VEM 厚度的影響，建立了該支撐的恢復(fù)力模型，并通過(guò)OpenSees 有限元軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了該模型的正確性。

1 自復(fù)位黏彈性阻尼支撐的構(gòu)造設(shè)計(jì)及工作原理

本文提出的新型SCVEDB 的整體構(gòu)造如圖1所示，該支撐包括：1—上部鋼構(gòu)件；2—下部鋼構(gòu)件；3—VEM；4—錨固裝置和5—若干平行排列的SMA 絲束等。

圖 1 自復(fù)位黏彈性阻尼支撐構(gòu)造示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the proposed SCVEDB

該SCVEDB 由SMA 絲束和VEM 采用并聯(lián)的力學(xué)原理設(shè)計(jì)而成。當(dāng)支撐左端固定，右端施加拉力時(shí)，下部鋼構(gòu)件受拉帶動(dòng)VEM 發(fā)生剪切變形，右半部分SMA 絲束被拉伸，二者協(xié)同變形實(shí)現(xiàn)了整個(gè)裝置的耗能。裝置受拉變形的過(guò)程中左半部分SMA 絲束不受力，會(huì)順著錨固裝置發(fā)生徑向伸縮運(yùn)動(dòng)，不受拉的SMA 絲束就能無(wú)約束地自由運(yùn)動(dòng)，不會(huì)給整個(gè)裝置增加阻力和破壞鋼構(gòu)件與VEM 間的連接。拉力卸除后，右半部分SMA絲束由于經(jīng)歷了受拉變形，材料內(nèi)部會(huì)發(fā)生晶體相變轉(zhuǎn)化，超彈性特性發(fā)揮作用，拉動(dòng)下部鋼構(gòu)件恢復(fù)到初始位置，也會(huì)驅(qū)使和有助于VEM 沿下部鋼構(gòu)件接觸面發(fā)生的剪切變形恢復(fù)原狀。反之亦然。

因此，新型SCVEDB 不論受拉還是受壓，VEM只發(fā)生剪切變形，SMA 絲束在支撐拉壓位移趨勢(shì)上始終存在一組受拉，并且支撐在承受拉力和壓力時(shí)由不同組的SMA 絲束組參與協(xié)同受力和工作。

2 SMA 拉伸性能試驗(yàn)及數(shù)值模型

2.1 SMA 絲拉伸性能試驗(yàn)

對(duì)鎳鈦形狀記憶合金(NiTi-SMA)絲進(jìn)行拉伸循環(huán)力學(xué)性能試驗(yàn)研究，試件直徑為1 mm，長(zhǎng)度為460 mm，標(biāo)距為300 mm。整個(gè)試驗(yàn)裝置、引伸計(jì)及SMA 絲試件如圖2 所示。

圖 2 試驗(yàn)裝置、引伸計(jì)及SMA 絲試件Fig. 2 Test device, extensometer and SMA wire test piece

影響超彈性SMA 絲力學(xué)性能的主要因素有應(yīng)變幅值和加載速率，為了研究二者對(duì)SMA 絲力學(xué)特性的影響，首先對(duì)SMA 絲在室溫為23 ℃，加載速率為10 mm/min，應(yīng)變幅值為6%的情況下進(jìn)行加卸載循環(huán)訓(xùn)練，循環(huán)20 次后其性能穩(wěn)定，然后再進(jìn)行一定應(yīng)變幅值和加載速率的拉伸循環(huán)試驗(yàn)。為了獲得SMA 絲在不同應(yīng)變幅值下的力學(xué)特性，在加載速率為10 mm/min，進(jìn)行2%～7%變幅循環(huán)加載試驗(yàn)。圖3 為試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從試驗(yàn)曲線可以看出，SMA 絲呈現(xiàn)較好的旗幟型滯回曲線，當(dāng)應(yīng)變幅值小于1%時(shí)，SMA 處于彈性階段，應(yīng)力尚未誘發(fā)SMA 晶體內(nèi)部奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)化；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到相變轉(zhuǎn)化點(diǎn)時(shí)，SMA表現(xiàn)出超彈性特性，亦即自復(fù)位特性，即使加載到7%的應(yīng)變幅值，卸載后仍能恢復(fù)變形，這與文獻(xiàn)[18]的試驗(yàn)結(jié)果一致，并且隨著應(yīng)變幅值的增加，滯回環(huán)的面積在逐漸增大，表明SMA 絲的耗能能力隨應(yīng)變幅值的增加而線性增大。

圖 3 不同應(yīng)變幅值下SMA 絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 3 Stress-strain curves of SMA wire under different strain amplitudes

圖4 顯示應(yīng)變幅值為7%，加載速率分別為6 mm/min、10 mm/min、14 mm/min、20 mm/min時(shí)SMA 絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。隨著加載速率的增大，正向和反向轉(zhuǎn)化應(yīng)力都在增加，并且反向轉(zhuǎn)化應(yīng)力增加得更明顯，這與文獻(xiàn)[18]顯示的試驗(yàn)曲線變化規(guī)律一致；同時(shí)隨著加載速率的增加，滯回環(huán)面積有輕微的減小，即每一個(gè)循環(huán)耗散的能量有所減小。

圖 4 不同加載速率下SMA 絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 4 Stress-strain curves of SMA wire at different loading rates

2.2 SMA 絲拉伸循環(huán)數(shù)值模擬

OpenSees 中描述SMA 超彈性特性的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5 所示，AB 段為彈性加載階段，BC段為奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)化的正相變階段，CD 段為馬氏體彈性加載階段，DE 段為彈性卸載階段，EF 段為馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)化的逆相變階段，F(xiàn)A段為最終的彈性恢復(fù)階段。

圖 5 SMA 超彈性應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意Fig. 5 Schematic of SMA superelastic stress-strain curve

利用OpenSees 平臺(tái)，采用SelfCentering Material本構(gòu)，編寫軸向拉伸循環(huán)分析代碼，對(duì)SMA 絲進(jìn)行拉伸循環(huán)模擬，圖6 也給出了模擬所獲得的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。從圖6 可以看出，數(shù)值模擬曲線與試驗(yàn)曲線趨勢(shì)一致，形狀和大小接近，說(shuō)明可以用 OpenSees 中的 SelfCentering Material 本構(gòu)模擬SMA 絲的超彈性特性。

圖 6 SMA 絲變幅循環(huán)加載模擬與試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比Fig. 6 Comparison of numerically simulated and experimentally tested stress-strain curves of SMA wire under variable amplitude cyclic loading

3 自復(fù)位黏彈性阻尼支撐力學(xué)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

為了檢驗(yàn)新型SCVEDB 的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)和加工了最基本的試件，并對(duì)試件進(jìn)行了軸向拉壓循環(huán)加載試驗(yàn)。

試件為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其立面和平面如圖7 所示，加載裝置如圖8 所示，試件中安裝的是前述直徑為1 mm 的NiTi-SMA 絲，且均已訓(xùn)練至性能穩(wěn)定狀態(tài)，參與工作的SMA 絲長(zhǎng)度為280 mm，鋼構(gòu)件兩側(cè)均安裝有SMA 絲束，不論支撐受拉還是受壓均有一組形狀記憶合金絲束受拉。鋼構(gòu)件寬度為130 mm，長(zhǎng)度為750 mm。加工試件時(shí)，首先上、下部鋼構(gòu)件與中部VEM 通過(guò)硫化工藝連接成整體，然后安裝SMA 絲束。

圖 7 最基本試件模型實(shí)物圖Fig. 7 Physical diagram of the most basic specimen model

加載設(shè)備為電液伺服作動(dòng)器，其最大位移行程為 ±100 mm，最大荷載量程為 ±500 kN，作動(dòng)器內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器和輪輻式高精度荷載傳感器，分辨率分別為0.01 mm 和0.1 kN。試驗(yàn)過(guò)程采用位移控制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。

圖 8 加載裝置示意圖Fig. 8 Schematic of the loading device

試驗(yàn)溫度為室溫23 ℃，試驗(yàn)工況有以下4 種，分別為：① 位移幅值依次取2.8 mm、4.2 mm、5.6 mm、8.4 mm、11.2 mm，該位移幅值根據(jù)采用的SMA 絲的可恢復(fù)應(yīng)變?cè)O(shè)置，分別對(duì)應(yīng)1%、1.5%、2%、3%、4%的應(yīng)變；② 加載速率分別取2 mm/min、4 mm/min、8 mm/min，在位移幅值5.6 mm 和11.2 mm 下研究加載速率對(duì)其性能的影響；③ 參與工作的SMA 絲按每側(cè)8 根和每側(cè)4 根進(jìn)行對(duì)比；④ VEM 的厚度分別取10 mm 和20 mm，其余條件不變，研究VEM 厚度對(duì)支撐性能的影響。當(dāng)研究位移幅值、SMA 絲數(shù)量、VEM 厚度的影響時(shí)，加載速率均為2 mm/min。同時(shí)試驗(yàn)提取以上各因素下支撐荷載-位移曲線的數(shù)據(jù)為每一工況下第1 個(gè)循環(huán)周期的數(shù)據(jù)。

3.2 參數(shù)選取

引入以下4 個(gè)參數(shù)描述SCVEDB 的力學(xué)特性。

1)每次循環(huán)耗散的能量 Wc，即每次拉壓循環(huán)滯回環(huán)的面積。

2)割線剛度 Ks，其表達(dá)式如下：

式中： ?pd為峰值位移； ?rd為殘余位移。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖 9、圖 10 分別給出了每側(cè) 8 根 SMA 絲、VEM 厚度為10 mm 的SCVEDB 試件在不同位移幅值下的荷載-位移曲線及5.6 mm、11.2 mm 位移幅值時(shí)試件在不同加載速率下的荷載-位移曲線。

圖 9 每側(cè) 8 根 SMA 絲 SCVEDB 試件不同位移幅值下的荷載-位移曲線Fig. 9 Load-displacement curves of the SCVEDB specimens with 8 SMA wires on each side under different displacement amplitude

圖9 結(jié)果表明，SCVEDB 在變幅循環(huán)加載下呈現(xiàn)出穩(wěn)定的力學(xué)特性，具有良好的耗能能力和較強(qiáng)的自復(fù)位能力；隨著位移幅值的增加，滯回環(huán)的面積逐漸增大，說(shuō)明耗能在逐漸增大；不同循環(huán)的初始剛度、屈服力、平臺(tái)段的剛度以及強(qiáng)化段的剛度基本不變，并且在小位移幅值下，SCVEDB 的耗能由形狀記憶合金絲束的拉伸耗能和黏彈性材料的剪切變形耗能組成，在大位移幅值下，主要表現(xiàn)為黏彈性材料的特性，并且當(dāng)位移加載到6 mm 時(shí)滯回曲線就出現(xiàn)強(qiáng)化現(xiàn)象，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)SMA 晶體內(nèi)部在應(yīng)力誘發(fā)下處于馬氏體彈性加載階段，再與黏彈性材料的特性疊加就會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

圖 10 每側(cè) 8 根 SMA 絲 SCVEDB 試件不同加載速率下的荷載-位移曲線Fig. 10 Load-displacement curves of the SCVEDB specimens with 8 SMA wires on each side at different loading rates

圖10(a)結(jié)果表明，隨著加載速率的增大，初始剛度不變，屈服點(diǎn)和平臺(tái)段在逐漸下移，屈服力從12.26 kN 下降到10.07 kN，但平臺(tái)段剛度基本不變。圖10(b)結(jié)果表明，當(dāng)位移幅值小于6 mm時(shí)，滯回曲線的變化規(guī)律與小位移幅值下的變化情況一樣；當(dāng)位移幅值大于6 mm 時(shí)，滯回曲線出現(xiàn)剛度強(qiáng)化，且強(qiáng)化剛度不再隨加載速率發(fā)生變化，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的尖點(diǎn)，這是因?yàn)閂EM 具有硬化特征，在大應(yīng)變下滯回曲線呈現(xiàn)捏攏效應(yīng)，在最大阻尼力處出現(xiàn)尖角。

圖11、圖12 分別給出了每側(cè)4 根SMA 絲、VEM 厚度為10 mm 的SCVEDB 試件在不同位移幅值下的荷載-位移曲線及5.6 mm、11.2 mm 位移幅值時(shí)試件在不同加載速率下的荷載-位移曲線。可以看出，圖11、圖12 曲線的變化規(guī)律與圖9、圖10 曲線的變化規(guī)律一致，唯一的變化是由于SMA絲的數(shù)量減少，引起SMA 的剛度降低，進(jìn)而引起SCVEDB 的剛度降低，屈服力降低，耗能也有一定的降低，具體的力學(xué)參數(shù)變化如表1～表3 所示。

圖 11 每側(cè) 4 根 SMA 絲 SCVEDB 試件不同位移幅值下的荷載-位移曲線Fig. 11 Load-displacement curves of the SCVEDB specimens with 4 SMA wires on each side under different displacement amplitude

由表1 可以看出，相比于每側(cè)8 根 SMA 絲的 SCVEDB，每側(cè) 4 根 SMA 絲的 SCVEDB 割線剛度、耗散能量、自復(fù)位比均有所降低，而等效阻尼比隨著位移幅值的增加則均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。由表2 可以看出，在位移幅值較小時(shí)，隨著加載速率的增大，割線剛度和耗散能量在減小，自復(fù)位比在增大，相比于每側(cè)8 根SMA絲的SCVEDB，每側(cè)4 根SMA 絲的支撐試件的這三個(gè)參數(shù)均有降低，而等效阻尼比呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。由表3 可以看出，在位移幅值較大時(shí)，隨著加載速率的增大，耗散能量和等效阻尼比在減小，割線剛度和自復(fù)位比在增大；相比于每側(cè)8根SMA 絲的SCVEDB，每側(cè)4 根SMA 絲的支撐試件的四個(gè)參數(shù)均有降低。

圖13、圖14 分別給出了每側(cè)8 根SMA 絲、VEM 厚度為20 mm 的SCVEDB 試件在不同位移幅值下的荷載-位移曲線及5.6 mm、11.2 mm 位移幅值時(shí)試件在不同加載速率下的荷載-位移曲線。

圖 12 每側(cè) 4 根 SMA 絲 SCVEDB 試件不同加載速率下的荷載-位移曲線Fig. 12 Load-displacement curves of the SCVEDB specimens with 4 SMA wires on each side at different loading rates

表 1 SCVEDB 在不同位移幅值下的工作性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of the SCVEDB specimens under different displacement amplitudes

表 2 在5.6 mm 位移幅值時(shí)不同加載速率下SCVEDB 工作性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of the SCVEDB specimens under different loading rates at 5.6 mm displacement amplitude

表 3 在11.2 mm 位移幅值時(shí)不同加載速率下SCVEDB 工作性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of the SCVEDB specimens under different loading rates at 11.2 mm displacement amplitude

圖 13 VEM 厚度為 20 mm 的 SCVEDB 試件不同位移幅值下的荷載-位移曲線Fig. 13 Load-displacement curves of the SCVEDB specimens with 20 mm thick VEM under different displacement amplitude

圖 14 VEM 厚度為 20 mm 的 SCVEDB 試件不同加載速率下的荷載-位移曲線Fig. 14 Load-displacement curves of the SCVEDB specimens with 20 mm thick VEM at different loading rates

由圖 13 和圖 14 可知，VEM 厚度為 20 mm與VEM 厚度為10 mm 的SCVEDB 的荷載-位移曲線變化規(guī)律一致。由于VEM 厚度的增大引起了滯回環(huán)大小的變化，同時(shí)也引起了SCVEDB 剛度的變化。具體變化為VEM 厚度的增大，引起了VEM剛度的減小，進(jìn)而導(dǎo)致支撐試件的剛度降低；但隨著位移的增大，SCVEDB 的耗能又有較大幅度地增加，這主要是因?yàn)樵诖笪灰品迪耂CVEDB的耗能主要表現(xiàn)為VEM 的剪切變形耗能。VEM厚度的增加使得其體積相應(yīng)增大，則剪切變形耗能也會(huì)增大。具體的力學(xué)參數(shù)變化如表1～表3 所示。

4 自復(fù)位黏彈性阻尼支撐力學(xué)模型及數(shù)值模擬

4.1 自復(fù)位黏彈性阻尼支撐力學(xué)模型

SCVEDB 的力學(xué)模型由SMA 和VEM 的力學(xué)模型并聯(lián)而成，表達(dá)為：

式中： k 為初始剛度； α為屈服后剛度與初始剛度的比； x為 位移； z為滯變位移；γ、β 是控制滯回環(huán)形狀的參數(shù)；A 為控制切線剛度的參數(shù)；n 為控制線性向非線性轉(zhuǎn)變的參數(shù)。

4.2 自復(fù)位黏彈性阻尼支撐數(shù)值模擬

基于試驗(yàn)結(jié)果，采用上述力學(xué)模型，運(yùn)用OpenSees 平臺(tái)編寫低周往復(fù)加載分析代碼，對(duì)SCVEDB 的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖 15 和圖 16 為 VEM 厚度為 10 mm、每側(cè)8 根SMA 絲的SCVEDB 在位移幅值分別為5.6 mm、8.4 mm 循環(huán)加載的試驗(yàn)曲線和數(shù)值模擬曲線的對(duì)比圖，表4 為SCVEDB 前述4 個(gè)力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)值與數(shù)值模擬值的對(duì)比。

圖 15 5.6 mm 位移幅值時(shí)SCVEDB 試件的試驗(yàn)與數(shù)值模擬荷載-位移曲線Fig. 15 Tested and numerically simulated load-displacement curves of SCVEDB specimens at 5.6 mm displacement amplitude

當(dāng)位移幅值為5.6 mm 時(shí)，模擬曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好，表現(xiàn)出較強(qiáng)的自復(fù)位能力和較好的耗能能力。此階段SMA 處于奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)化階段，超彈性特性會(huì)表現(xiàn)出來(lái)，再與VEM 特性疊加就會(huì)出現(xiàn)如圖15 所示的荷載-位移曲線。由表4可以看出，四個(gè)參數(shù)的模擬計(jì)算值和試驗(yàn)計(jì)算值相比，誤差很小，誤差最大的單圈拉壓循環(huán)耗散能量的誤差為1.5%。

圖 16 8.4 mm 位移幅值時(shí)SCVEDB 試件的試驗(yàn)與數(shù)值模擬荷載-位移曲線Fig. 16 Tested and numerically simulated load-displacement curves of SCVEDB specimens at 8.4 mm displacement amplitude

當(dāng)位移幅值為8.4 mm 時(shí)，此時(shí)SMA 處于馬氏體彈性加載階段，再與VEM 特性組合就會(huì)表現(xiàn)出圖16 所示的強(qiáng)化剛度，荷載-位移曲線也有別于位移幅值較小時(shí)的荷載-位移曲線。當(dāng)位移幅值大于6 mm 時(shí)，滯回曲線主要表現(xiàn)出VEM 的特性。從圖16 及表4 均可以看出，模擬的滯回環(huán)大于試驗(yàn)的滯回環(huán)，基于模擬的能量耗散值大于基于試驗(yàn)的能量耗散值，誤差為7.34%；割線剛度近似相等，誤差為1.18%；等效阻尼比誤差為6.30%，自復(fù)位比數(shù)值模擬值與試驗(yàn)值基本一樣，與試驗(yàn)值相比誤差僅為0.37%。

上述對(duì)比表明，OpenSees 中 SelfCentering Material 和BoucWen Material 本構(gòu)合理地組合可以較為準(zhǔn)確表示SCVEDB 的本構(gòu)，并聯(lián)的力學(xué)模型能夠很好地模擬和描述SCVEDB 的力學(xué)特性。

表 4 不同位移幅值下試驗(yàn)與數(shù)值模擬所得SCVEDB 的工作性能參數(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of performance parameters of the SCVEDB from test and numerical simulation under different displacement amplitudes

5 結(jié)論及建議

本文提出了新型的自復(fù)位黏彈性阻尼支撐(SCVEDB)，該支撐利用形狀記憶合金(SMA)的拉伸耗能和黏彈性材料(VEM)的剪切變形耗能實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的耗能，利用SMA 的超彈性特性實(shí)現(xiàn)復(fù)位。對(duì)該支撐開(kāi)展了循環(huán)加載的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，建立了恢復(fù)力模型，模擬了其力學(xué)特性，得出以下結(jié)論與建議：

(1)提出的SCVEDB 具有較強(qiáng)的自復(fù)位能力和較好的耗能能力。通過(guò)增加SMA 絲的數(shù)量和VEM 剪切面積可以增大耗能，同時(shí)SMA 絲數(shù)量的增加也有利于自復(fù)位能力的提高。增加VEM 的厚度會(huì)減少支撐的剛度，但在較大位移幅值下耗能能力會(huì)增加。

(2)隨著位移幅值的增加，SCVEDB 的耗能能力逐漸增大，復(fù)位能力基本不變，自復(fù)位比基本保持在97%左右。位移幅值較小時(shí)，隨著加載速率的增大，初始剛度不變，屈服點(diǎn)和平臺(tái)段在逐漸下移，屈服力減小但平臺(tái)段剛度基本不變。當(dāng)位移幅值大于6 mm 時(shí)，滯回曲線出現(xiàn)剛度強(qiáng)化，并且強(qiáng)化剛度不再隨加載速率發(fā)生變化。

(3)提出的恢復(fù)力模型及并聯(lián)的力學(xué)模型能夠較好地描述SCVEDB 的力學(xué)特性，且數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差較小，進(jìn)而說(shuō)明了建立的理論模型的正確性，可用其進(jìn)行相關(guān)的理論計(jì)算與分析。