形状记忆合金在建筑振动控制中的应用

形状记忆合金在建筑振动控制中的应用

地震负荷输入频率与结构本身的固有频率一致，导致振动反应，导致结构破坏。在结构抗震设计中,传统作法是设计成延性结构,加强节点配筋,增强抵抗地震能力。先进作法是对结构进行减震和隔震处理,人为提高结构的阻尼,增大结构周期,降低结构的固有频率,以减小上部结构在地震荷载作用下的结构响应。减震设计也称为耗能设计,主要是在建筑物的抗侧力结构中设置耗能构件,通过阻尼器等局部构件的变形提供附加阻尼,同时吸收、耗散地震能量。基础隔震是在基础与上部结构之间设置隔震层、隔震支座,延长结构周期,减小地震能量向上部结构的传递,从而降低上部结构地震响应。基础隔震的设计观念、方法已经应用于隔震设计。比较成熟的减隔震支座有分层橡胶支座和铅芯橡胶支座,尤其是铅芯橡胶支座。目前,SMA作为一种智能材料应用于振动控制领域,并且得到了迅速发展。1sma的特性1.1形状记忆效应SMA在发生了塑性变形后,经加热到某一温度之上,能够回复到变形之前的形状,这种现象称为形状记忆效应(shapememoryeffects)。1.2具有超弹性的特性SMA在奥氏体相变结束温度之上时,应力同样会引起马氏体相变。此时的马氏体只有在应力作用下才能稳定存在,一旦应力解除,SMA就会发生逆相变,回到母态,应力作用下的宏观变形也随逆相变而消失,这种现象称为超弹性(superelasticity)。同时,SMA具有良好的阻尼以及弹性模量随温度改变等特点,通过改变预埋入结构的SMA的温度,从而改变结构局部或是整体刚度以及阻尼变化,达到减震的目的。另外,SMA大延性和疲劳寿命长等特点,使SMA在结构振动控制系统设计中具有很大的吸引力。利用SMA的超弹性效应和高阻尼特性可以制作SMA减隔震装置,抑制结构在地震荷载下的响应,同时产生足够的回复力使结构恢复到变形前的状态;利用SMA的形状记忆效应和模量随温度变化的特性,还可对结构主动控制。2sma减隔声装置Graesser首先建议利用镍钛合金作为制作阻尼器的材料,他给出了一个描述形状记忆合金超弹性的一维定律,并用试验进行了证实。2.1sma振动装置研究2.1.1弯曲sma杆Wilde等人分别对两种类型(热处理方法和时间不同)的SMA杆在拉压状态和弯曲状态下作为阻尼器进行了试验研究,对比了两种阻尼器的滞回能力。弯曲试验装置中,将水平位移下产生的拉压力转变为弯矩作用在SMA杆上,实现以SMA的弯曲滞回能力进行减震的目的。不同的谐波荷载和位移幅值下的试验结果表明,理论值与试验结果较吻合。同种类型的SMA拉压杆和弯曲杆发生相同位移时,拉压杆提供的回复力更大,耗能能力更强。由于压力不能完全作用在试件的中心,引起附加弯矩,受拉产生的恢复力大于受压产生的回复力,弯曲SMA杆不需要考虑荷载偏心以及压弯屈曲。小位移下,弯曲SMA杆的滞回能力较弱,但大位移下,弯曲SMA杆的滞回能力迅速增长,SMA杆刚度略有增加,耗能能力增强。仅作为耗能装置,弯曲SMA杆要优于拉压SMA杆,但拉压SMA杆可作为位移限制装置限制结构最大相对位移,而弯曲SMA杆在这方面的能力要逊色许多。2.1.2基于sma的约束振动SMA具有6%～8%的最大可恢复应变,研究表明,利用SMA的超弹性以及热力学特性,结合预应力的概念,对SMA施以一定的预应变可增强其耗能能力。王社良等提出将SMA预应力拉索用于结构振动控制。其思路是利用SMA材料吸收和耗散地震能量,通过对SMA拉索进行必要的预拉伸和对拉索初始工作状态的合理选择来避免拉索在结构的地震响应过程中出现压应力,避免拉索压屈松弛现象的发生。该装置主要由安装在结构上的SMA十字交叉拉索和温度控制器组成,根据结构抗震控制的需要,预先用温度控制器调整各拉索的初始工作状态。在SMA预应变为3%的情况下,对一个装有该阻尼器的3层框架结构进行振动台试验,得到以下结论:(1)SMA阻尼器可有效减小和抑制结构在地震荷载下的响应。(2)一般在相同条件下,拉索的初始工作长度越短,其被动控制效果越好。(3)地震激励越强烈,各拉索工作温度越高,其被动控制效果越明显。肖尔田等讨论了SMA合金丝的预应变值对减震装置的耗能性能的影响,证明有适量预应变的SMA丝耗能能力是无预应变的2倍多。预应变量根据SMA在结构震动后半周期仍然存在耗能能力来确定。设计的减震装置中,由SMA合金丝以及两端锚固的钢丝共同构成。试验前,将进行过预拉伸的SMA超弹性阻尼器安装在框架结构层间对角线位置,加热SMA合金丝到80℃,给框架顶端施加一个初位移后突然释放,测量记录顶部位移振动变化。结果表明:未安装SMA拉索的框架从初位移衰减到一半初位移的时间大约45s,而安装阻尼器的框架在同样条件下的衰减时间不足0.4s。有限元地震响应分析表明,在El-Centro地震波记录激励下,受控框架最大振动响应是未受控框架最大振动响应的5%;在天津波记录激励下,受控框架最大振动响应是未受控框架最大振动响应的5.3%,并且装有SMA阻尼器后结构响应衰减速度快得多。表明此SMA阻尼器不仅有效限制了结构响应,而且加快了结构顶端位移的衰减速度。2.1.3覆盖装置与钢缆位移限制装置的性能对比DesRochesR利用SMA拉杆作为桥梁结构的位移限制装置,并进行了试验研究。SMA水平拉杆两端分别固定连接在桥面底部和桥墩顶部。地震荷载作用时,地震能量使桥面和桥墩之间产生相对位移,由于SMA位移限制装置的存在,相对位移得到控制,并随着SMA拉杆上应力的逐渐撤去而恢复原态。由于未加设侧向支撑,所以试验时忽略SMA的承压能力,只考虑SMA的承拉能力。对钢缆位移限制装置和SMA位移限制装置的性能进行了对比。试验结果表明,0.7g加速度下,钢缆位移限制装置使桥面和桥墩之间的最大相对位移减小24%,而SMA位移限制装置的减小幅度为42%;另外,在1995年Kobe地震波记录(0.82g)作用下,钢缆使最大相对位移减小34%,而SMA的减小幅度达到63%。虽然SMA限制装置吸收的能量只是略大于钢缆,但是SMA具有优异的超弹性性质和抗疲劳特性,这些都是钢缆所不具备的。通过对比试验看出,SMA在桥梁结构振动控制中具有很大的优势。3sma用于地震衰减列的应用3.1隔震合成分析Clark首先对SMA作为阻尼器进行了可行性研究。他们将镍钛合金丝多重环绕在圆柱体橡胶支座周围作为隔震支座进行耗能减震试验。在一定应变幅度、荷载频率和温度下,对隔震支座进行测试。一个6层平面框架模型中,用此隔震支座作为支撑安装在框架结构的层间,控制结构层间变形,研究减隔震效果。结果表明:位移减小为没有SMA阻尼器的1/2,而且输入到结构的能量仅相当于没有SMA装置的1/8。但试验还发现,结构的加速度有时会被放大。因试验采用的SMA的本构模型不是SMA超弹性曲线模型,所以,理论计算结果与实际情况有一定的差别。3.2sma隔震系统相对位移的分析Wilde提出用SMA杆和分层橡胶共同构成SMA复合橡胶隔震支座。SMA杆对称布置于矩形分层橡胶支座四面,每个面上交叉布置两根SMA杆,杆的两端分别固定在桥墩和桥面板上。根据设计所考虑的最强地面运动,SMA杆的长度和截面积由SMA杆的应力达到纯马氏体状态的弹性响应来最优化确定。将该隔震支座布置在一个桥面宽14m,高11.5m,桥梁跨度40m的高架公路桥上,以0.2g、0.4g及0.6g的激励加速度与铅芯橡胶支座的结构响应进行对比。结果表明:较小的外部荷载,SMA隔震系统相当于一个刚性的连接,相对于铅芯橡胶支座系统,桥面和桥墩的相对位移几乎可以忽略不计;中等强度的地震,应力诱发SMA产生马氏体相变,增加了隔震系统的阻尼并且产生很大的回复力,相对位移小于铅芯橡胶隔震支座系统;较大地震,SMA杆提供完整滞回阻尼,相对位移和铅芯橡胶支座系统相差不多,但是SMA隔震支座提供的回复力却远大于铅芯橡胶隔震系统。由于SMA在马氏体相变完成后的强化阶段,它还可以限制最大相对位移。此装置利用了SMA杆的承拉以及承压能力,但如何防止压弯失稳是一个需要研究的问题。3.3sma减隔震装置SMA在奥氏体状态下的弹性模量高,而马氏体状态下阻尼大。所以,充分利用SMA在奥氏体状态下的刚度和马氏体状态下的阻尼可更大程度的降低结构的地震响应。李忠献等对SMA橡胶支座进行了革新。采用普通矩形分层橡胶支座,并在四面分别交叉布置两对SMA拉索,拉索两端固定在橡胶支座外连接钢板上。SMA拉索装有温度控制器,使两对SMA拉索分别处于常温马氏体状态和奥氏体相变完成的温度之上,利用SMA拉索的弹塑性变形和超弹性变形来耗散地震能量,保证SMA隔震支座具有足够的刚度和阻尼。根据地震荷载的大小,适当调节SMA拉索的温度,利用SMA在不同温度下表现出的不同刚度、弹性模量和阻尼,使其避开共振频率。剩余变形可以通过升高SMA的温度使其发生形状记忆效应而恢复,产生的巨大回复力可减小桥面和桥墩的相对位移。试验证明:(1)SMA复合橡胶支座具有良好的隔震效果,可大幅度降低桥墩的加速度底部弯矩和剪力,并有效控制墩顶位移以及桥墩和梁体相对位移。(2)SMA复合橡胶隔震支座可控性好,具有极强的自适应能力和自恢复能力。用该减隔震装置对一个城市轻轨铁路站桥模型进行试验,结果证明,现行有关抗震设计规范规定的反应谱设计的桥梁结构抗震安全性存在不足;然而在车站建筑和高架桥之间安置SMA复合橡胶隔震支座,有效提高了轻轨铁路站桥结构体系的抗震能力。4sma在结构控制中的应用目前关于SMA减隔震装置主要是用于结构振动的被动控制,依靠SMA的超弹性来增强结构的耗能能力,减小结构响应,达到减隔震的目的