形狀記憶合金在建筑振動(dòng)控制中的應(yīng)用

形狀記憶合金在建筑振動(dòng)控制中的應(yīng)用

地震負(fù)荷輸入頻率與結(jié)構(gòu)本身的固有頻率一致，導(dǎo)致振動(dòng)反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中,傳統(tǒng)作法是設(shè)計(jì)成延性結(jié)構(gòu),加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)配筋,增強(qiáng)抵抗地震能力。先進(jìn)作法是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震和隔震處理,人為提高結(jié)構(gòu)的阻尼,增大結(jié)構(gòu)周期,降低結(jié)構(gòu)的固有頻率,以減小上部結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。減震設(shè)計(jì)也稱為耗能設(shè)計(jì),主要是在建筑物的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)中設(shè)置耗能構(gòu)件,通過阻尼器等局部構(gòu)件的變形提供附加阻尼,同時(shí)吸收、耗散地震能量?；A(chǔ)隔震是在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層、隔震支座,延長結(jié)構(gòu)周期,減小地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳遞,從而降低上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。基礎(chǔ)隔震的設(shè)計(jì)觀念、方法已經(jīng)應(yīng)用于隔震設(shè)計(jì)。比較成熟的減隔震支座有分層橡膠支座和鉛芯橡膠支座,尤其是鉛芯橡膠支座。目前,SMA作為一種智能材料應(yīng)用于振動(dòng)控制領(lǐng)域,并且得到了迅速發(fā)展。1sma的特性1.1形狀記憶效應(yīng)SMA在發(fā)生了塑性變形后,經(jīng)加熱到某一溫度之上,能夠回復(fù)到變形之前的形狀,這種現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)(shapememoryeffects)。1.2具有超彈性的特性SMA在奧氏體相變結(jié)束溫度之上時(shí),應(yīng)力同樣會(huì)引起馬氏體相變。此時(shí)的馬氏體只有在應(yīng)力作用下才能穩(wěn)定存在,一旦應(yīng)力解除,SMA就會(huì)發(fā)生逆相變,回到母態(tài),應(yīng)力作用下的宏觀變形也隨逆相變而消失,這種現(xiàn)象稱為超彈性(superelasticity)。同時(shí),SMA具有良好的阻尼以及彈性模量隨溫度改變等特點(diǎn),通過改變預(yù)埋入結(jié)構(gòu)的SMA的溫度,從而改變結(jié)構(gòu)局部或是整體剛度以及阻尼變化,達(dá)到減震的目的。另外,SMA大延性和疲勞壽命長等特點(diǎn),使SMA在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有很大的吸引力。利用SMA的超彈性效應(yīng)和高阻尼特性可以制作SMA減隔震裝置,抑制結(jié)構(gòu)在地震荷載下的響應(yīng),同時(shí)產(chǎn)生足夠的回復(fù)力使結(jié)構(gòu)恢復(fù)到變形前的狀態(tài);利用SMA的形狀記憶效應(yīng)和模量隨溫度變化的特性,還可對(duì)結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制。2sma減隔聲裝置Graesser首先建議利用鎳鈦合金作為制作阻尼器的材料,他給出了一個(gè)描述形狀記憶合金超彈性的一維定律,并用試驗(yàn)進(jìn)行了證實(shí)。2.1sma振動(dòng)裝置研究2.1.1彎曲sma桿Wilde等人分別對(duì)兩種類型(熱處理方法和時(shí)間不同)的SMA桿在拉壓狀態(tài)和彎曲狀態(tài)下作為阻尼器進(jìn)行了試驗(yàn)研究,對(duì)比了兩種阻尼器的滯回能力。彎曲試驗(yàn)裝置中,將水平位移下產(chǎn)生的拉壓力轉(zhuǎn)變?yōu)閺澗刈饔迷赟MA桿上,實(shí)現(xiàn)以SMA的彎曲滯回能力進(jìn)行減震的目的。不同的諧波荷載和位移幅值下的試驗(yàn)結(jié)果表明,理論值與試驗(yàn)結(jié)果較吻合。同種類型的SMA拉壓桿和彎曲桿發(fā)生相同位移時(shí),拉壓桿提供的回復(fù)力更大,耗能能力更強(qiáng)。由于壓力不能完全作用在試件的中心,引起附加彎矩,受拉產(chǎn)生的恢復(fù)力大于受壓產(chǎn)生的回復(fù)力,彎曲SMA桿不需要考慮荷載偏心以及壓彎屈曲。小位移下,彎曲SMA桿的滯回能力較弱,但大位移下,彎曲SMA桿的滯回能力迅速增長,SMA桿剛度略有增加,耗能能力增強(qiáng)。僅作為耗能裝置,彎曲SMA桿要優(yōu)于拉壓SMA桿,但拉壓SMA桿可作為位移限制裝置限制結(jié)構(gòu)最大相對(duì)位移,而彎曲SMA桿在這方面的能力要遜色許多。2.1.2基于sma的約束振動(dòng)SMA具有6%～8%的最大可恢復(fù)應(yīng)變,研究表明,利用SMA的超彈性以及熱力學(xué)特性,結(jié)合預(yù)應(yīng)力的概念,對(duì)SMA施以一定的預(yù)應(yīng)變可增強(qiáng)其耗能能力。王社良等提出將SMA預(yù)應(yīng)力拉索用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制。其思路是利用SMA材料吸收和耗散地震能量,通過對(duì)SMA拉索進(jìn)行必要的預(yù)拉伸和對(duì)拉索初始工作狀態(tài)的合理選擇來避免拉索在結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)過程中出現(xiàn)壓應(yīng)力,避免拉索壓屈松弛現(xiàn)象的發(fā)生。該裝置主要由安裝在結(jié)構(gòu)上的SMA十字交叉拉索和溫度控制器組成,根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震控制的需要,預(yù)先用溫度控制器調(diào)整各拉索的初始工作狀態(tài)。在SMA預(yù)應(yīng)變?yōu)?%的情況下,對(duì)一個(gè)裝有該阻尼器的3層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),得到以下結(jié)論:(1)SMA阻尼器可有效減小和抑制結(jié)構(gòu)在地震荷載下的響應(yīng)。(2)一般在相同條件下,拉索的初始工作長度越短,其被動(dòng)控制效果越好。(3)地震激勵(lì)越強(qiáng)烈,各拉索工作溫度越高,其被動(dòng)控制效果越明顯。肖爾田等討論了SMA合金絲的預(yù)應(yīng)變值對(duì)減震裝置的耗能性能的影響,證明有適量預(yù)應(yīng)變的SMA絲耗能能力是無預(yù)應(yīng)變的2倍多。預(yù)應(yīng)變量根據(jù)SMA在結(jié)構(gòu)震動(dòng)后半周期仍然存在耗能能力來確定。設(shè)計(jì)的減震裝置中,由SMA合金絲以及兩端錨固的鋼絲共同構(gòu)成。試驗(yàn)前,將進(jìn)行過預(yù)拉伸的SMA超彈性阻尼器安裝在框架結(jié)構(gòu)層間對(duì)角線位置,加熱SMA合金絲到80℃,給框架頂端施加一個(gè)初位移后突然釋放,測量記錄頂部位移振動(dòng)變化。結(jié)果表明:未安裝SMA拉索的框架從初位移衰減到一半初位移的時(shí)間大約45s,而安裝阻尼器的框架在同樣條件下的衰減時(shí)間不足0.4s。有限元地震響應(yīng)分析表明,在El-Centro地震波記錄激勵(lì)下,受控框架最大振動(dòng)響應(yīng)是未受控框架最大振動(dòng)響應(yīng)的5%;在天津波記錄激勵(lì)下,受控框架最大振動(dòng)響應(yīng)是未受控框架最大振動(dòng)響應(yīng)的5.3%,并且裝有SMA阻尼器后結(jié)構(gòu)響應(yīng)衰減速度快得多。表明此SMA阻尼器不僅有效限制了結(jié)構(gòu)響應(yīng),而且加快了結(jié)構(gòu)頂端位移的衰減速度。2.1.3覆蓋裝置與鋼纜位移限制裝置的性能對(duì)比DesRochesR利用SMA拉桿作為橋梁結(jié)構(gòu)的位移限制裝置,并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。SMA水平拉桿兩端分別固定連接在橋面底部和橋墩頂部。地震荷載作用時(shí),地震能量使橋面和橋墩之間產(chǎn)生相對(duì)位移,由于SMA位移限制裝置的存在,相對(duì)位移得到控制,并隨著SMA拉桿上應(yīng)力的逐漸撤去而恢復(fù)原態(tài)。由于未加設(shè)側(cè)向支撐,所以試驗(yàn)時(shí)忽略SMA的承壓能力,只考慮SMA的承拉能力。對(duì)鋼纜位移限制裝置和SMA位移限制裝置的性能進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明,0.7g加速度下,鋼纜位移限制裝置使橋面和橋墩之間的最大相對(duì)位移減小24%,而SMA位移限制裝置的減小幅度為42%;另外,在1995年Kobe地震波記錄(0.82g)作用下,鋼纜使最大相對(duì)位移減小34%,而SMA的減小幅度達(dá)到63%。雖然SMA限制裝置吸收的能量只是略大于鋼纜,但是SMA具有優(yōu)異的超彈性性質(zhì)和抗疲勞特性,這些都是鋼纜所不具備的。通過對(duì)比試驗(yàn)看出,SMA在橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中具有很大的優(yōu)勢。3sma用于地震衰減列的應(yīng)用3.1隔震合成分析Clark首先對(duì)SMA作為阻尼器進(jìn)行了可行性研究。他們將鎳鈦合金絲多重環(huán)繞在圓柱體橡膠支座周圍作為隔震支座進(jìn)行耗能減震試驗(yàn)。在一定應(yīng)變幅度、荷載頻率和溫度下,對(duì)隔震支座進(jìn)行測試。一個(gè)6層平面框架模型中,用此隔震支座作為支撐安裝在框架結(jié)構(gòu)的層間,控制結(jié)構(gòu)層間變形,研究減隔震效果。結(jié)果表明:位移減小為沒有SMA阻尼器的1/2,而且輸入到結(jié)構(gòu)的能量僅相當(dāng)于沒有SMA裝置的1/8。但試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)的加速度有時(shí)會(huì)被放大。因試驗(yàn)采用的SMA的本構(gòu)模型不是SMA超彈性曲線模型,所以,理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有一定的差別。3.2sma隔震系統(tǒng)相對(duì)位移的分析Wilde提出用SMA桿和分層橡膠共同構(gòu)成SMA復(fù)合橡膠隔震支座。SMA桿對(duì)稱布置于矩形分層橡膠支座四面,每個(gè)面上交叉布置兩根SMA桿,桿的兩端分別固定在橋墩和橋面板上。根據(jù)設(shè)計(jì)所考慮的最強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng),SMA桿的長度和截面積由SMA桿的應(yīng)力達(dá)到純馬氏體狀態(tài)的彈性響應(yīng)來最優(yōu)化確定。將該隔震支座布置在一個(gè)橋面寬14m,高11.5m,橋梁跨度40m的高架公路橋上,以0.2g、0.4g及0.6g的激勵(lì)加速度與鉛芯橡膠支座的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明:較小的外部荷載,SMA隔震系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)剛性的連接,相對(duì)于鉛芯橡膠支座系統(tǒng),橋面和橋墩的相對(duì)位移幾乎可以忽略不計(jì);中等強(qiáng)度的地震,應(yīng)力誘發(fā)SMA產(chǎn)生馬氏體相變,增加了隔震系統(tǒng)的阻尼并且產(chǎn)生很大的回復(fù)力,相對(duì)位移小于鉛芯橡膠隔震支座系統(tǒng);較大地震,SMA桿提供完整滯回阻尼,相對(duì)位移和鉛芯橡膠支座系統(tǒng)相差不多,但是SMA隔震支座提供的回復(fù)力卻遠(yuǎn)大于鉛芯橡膠隔震系統(tǒng)。由于SMA在馬氏體相變完成后的強(qiáng)化階段,它還可以限制最大相對(duì)位移。此裝置利用了SMA桿的承拉以及承壓能力,但如何防止壓彎失穩(wěn)是一個(gè)需要研究的問題。3.3sma減隔震裝置SMA在奧氏體狀態(tài)下的彈性模量高,而馬氏體狀態(tài)下阻尼大。所以,充分利用SMA在奧氏體狀態(tài)下的剛度和馬氏體狀態(tài)下的阻尼可更大程度的降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。李忠獻(xiàn)等對(duì)SMA橡膠支座進(jìn)行了革新。采用普通矩形分層橡膠支座,并在四面分別交叉布置兩對(duì)SMA拉索,拉索兩端固定在橡膠支座外連接鋼板上。SMA拉索裝有溫度控制器,使兩對(duì)SMA拉索分別處于常溫馬氏體狀態(tài)和奧氏體相變完成的溫度之上,利用SMA拉索的彈塑性變形和超彈性變形來耗散地震能量,保證SMA隔震支座具有足夠的剛度和阻尼。根據(jù)地震荷載的大小,適當(dāng)調(diào)節(jié)SMA拉索的溫度,利用SMA在不同溫度下表現(xiàn)出的不同剛度、彈性模量和阻尼,使其避開共振頻率。剩余變形可以通過升高SMA的溫度使其發(fā)生形狀記憶效應(yīng)而恢復(fù),產(chǎn)生的巨大回復(fù)力可減小橋面和橋墩的相對(duì)位移。試驗(yàn)證明:(1)SMA復(fù)合橡膠支座具有良好的隔震效果,可大幅度降低橋墩的加速度底部彎矩和剪力,并有效控制墩頂位移以及橋墩和梁體相對(duì)位移。(2)SMA復(fù)合橡膠隔震支座可控性好,具有極強(qiáng)的自適應(yīng)能力和自恢復(fù)能力。用該減隔震裝置對(duì)一個(gè)城市輕軌鐵路站橋模型進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果證明,現(xiàn)行有關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的反應(yīng)譜設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)抗震安全性存在不足;然而在車站建筑和高架橋之間安置SMA復(fù)合橡膠隔震支座,有效提高了輕軌鐵路站橋結(jié)構(gòu)體系的抗震能力。4sma在結(jié)構(gòu)控制中的應(yīng)用目前關(guān)于SMA減隔震裝置主要是用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的被動(dòng)控制,依靠SMA的超彈性來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耗能能力,減小結(jié)構(gòu)響應(yīng),達(dá)到減隔震的目的