新型耗能增强型形状记忆合金阻尼器减震性能研究

新型耗能增强型形状记忆合金阻尼器减震性能研究

作者：陈云 吕西林 蒋欢军

来源：《湖南大学学报·自然科学版》2013年第02期

摘要：首先通过形状记忆合金的材性试验研究了其超弹性变形性能，并将其等效拟合为多线性模型，得到其计算参数.然后，提出了一种新型耗能增强型SMA阻尼器，说明了其构造，阐述了其工作原理和设计要点，推导了阻尼器的恢复力模型.最后通过有限元程序对设置该阻尼器的多层钢框架、对角设置SMA拉索的多层钢框架、普通钢框架进行了地震时程分析，对比研究了该阻尼器的消能减震能力.结果表明该阻尼器的滞回环非常饱满，耗能能力强，大震下对结构的位移和层间位移角控制效果显著.

关键词：SMA阻尼器；减震性能；滞回耗能；动力时程分析 中图分类号：TU 352.1 文献标识码：A

形状记忆合金（shape memory alloys，简称SMA）是一种机敏材料，主要有两个特性：形状记忆性能和超弹性性能＼[1＼].利用SMA的形状记忆性能可制作成驱动元件，进行结构主动控制，利用SMA的超弹性性能和高阻尼特性可制成各种构造形式的SMA阻尼器，进行结构被动控制.相比较其他类型的阻尼器，SMA阻尼器的一个突出优点是阻尼器耗能后残余变形很小.

目前开发的SMA阻尼器种类较多，大多数阻尼器是用SMA丝（SMA束或SMA绞线）制成.Tamai等＼[2＼]把SMA丝设置在框架的对角进行振动控制，并研究了其耗能性能；Corbi＼[3＼]提出了把SMA拉索设置在剪切框架的底部对角进行隔震，研究表明能有效地减小结构的动力反应，增大结构的自复位能力；丁阳等＼[4＼]通过数值模拟的方法研究了高层钢结构地震反应SMA对角拉索控制效果；韩玉林等＼[5＼]通过试验研究了把SMA拉索设置在框架对角的控制效果，研究表明设置了SMA拉索的框架振动反应衰减较快.

利用SMA制成各种构造形式的阻尼器也很多，Li Hui等＼[6＼]利用SMA 超弹性特性开发了2种新型的SMA 阻尼器——拉伸型SMA 阻尼器和剪刀型SMA 阻尼器，其中剪刀型SMA阻尼器通过改变剪刀的力臂可以达到位移放大的效果；Dolce 等＼[7＼]设计了一种具有自复位能力的阻尼器；Zhang等＼[8＼]采用超弹性SMA铰线设计了一种可以重复使用的迟滞阻尼器（RHD）；Zuo等＼[9＼]提出了一种SMA复合摩擦阻尼器；薛素铎等＼[10-12＼]设计了几种不同类型的SMA阻尼器；Song 等＼[13＼]比较详细地总结了SMA阻尼器在土木工程中的若干应用；李宏男等＼[14-15＼]也开发了几种SMA阻尼器；禹奇才等＼[16＼]提出了一种放大位移型SMA阻尼器；倪立峰等＼[17＼]也提出了SMA阻尼器；凌育洪等＼[18＼]也研发了一种新型SMA 阻尼器.总之，目前开发的SMA阻尼器种类较多，但大多数不具备放大

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SMA位移反应的功能.为此，本文研究思路是首先通过材性试验研究了SMA丝滞回性能并确定了计算所需的SMA参数，提出一种SMA阻尼器，阐述了其设计要点，推导了恢复力模型，最后通过算例对比研究了SMA阻尼器的减震性能. 湖南大学学报（自然科学版）2013年

第2期陈云等：新型耗能增强型形状记忆合金阻尼器减震性能研究 1SMA的力学性能

鉴于随后要对SMA阻尼器在有限元程序里进行模拟计算，需要预先确定SMA的输入参数，特对SMA进行力学性能试验.

试验选用的SMA为Ti50.8%Ni的SMA丝.SMA丝的最大可回复应变为8%，最大回复应力为600 MPa.试件有效长度为150 mm，直径为1.0 mm.拉伸试验装置为微机控制电子万能试验机，采用50 mm标距的引伸仪测量位移.

试验时首先在室温下进行拉伸、卸载循环试验，使材料的超弹性性能稳定，然后开始加载、卸载，绘制应力应变曲线.将试验所得SMA的应力应变曲线等效拟合后得到的应力应变曲线如图1所示，SMA的弹性模量为58 000 N/mm2，泊松比取0.3，在程序里SMA的超弹性性能曲线被简化成多段线性直线，其拟合参数取值如表1所示

阻尼器安装在结构中所耗散能量的大小既与阻尼器自身的性能有关，也与阻尼器安装位置处结构的相对变形大小有关.因此，在阻尼器已经确定的前提下，如何在结构相对变形合理的情况下增大阻尼器的位移行程就是一个有意义的问题.本文所开发的SMA阻尼器可以放大SMA丝的变形，在同样结构变形的条件下，该阻尼器可以耗散更多的能量.

其依据是杠杆原理和平行四边形形状可以改变的性质.阻尼器主要由4根钢杆和两组SMA丝（束或绞线）组成，4根钢杆分成两组，每组两根钢杆之间通过销栓组成一个剪刀撑， SMA丝固定在剪刀撑较长一端的端部，两个剪刀撑较短一侧的端头之间通过销栓连接在一起组成一个平行四边形.阻尼器通过两根斜撑与结构的对角位置铰接在一起.其构造示意图如图2所示 在Pasadena波作用下，SMA阻尼器控制结构的层位移和层间位移角也能得到较好地控制，最大分别达到22.02%和20.96%，而对角拉索的控制效果最大仅为3.00%和2.99%，控制效果较差.

在Taft波作用下，除了3层的层间位移角控制效果较好外，SMA阻尼器控制结构和对角拉索控制结构的层位移和层间位移角大多数时候稍大于无控结构，最大不超过10%，原因可能是SMA阻尼器控制结构和对角拉索控制结构的基本周期接近Taft波的卓越周期导致的，但从随后的SMA拉索滞回耗能曲线可知，SMA阻尼器仍然发挥了较好的耗能作用.

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对于SMA阻尼器控制结构，底层平均层间位移角为1/85，最大层间位移角为1/76，无控结构和对角拉索控制结构底层最大层间位移角分别达到1/60和1/62.

其次，比较图中两个结构SMA拉索的滞回环可以明显看出，SMA阻尼器控制结构中SMA拉索的滞回环非常饱满，而对角拉索控制结构的SMA滞回环窄了很多.在3条波的分别作用下，前者的应变范围平均达到1.5%～7.5%，后者的应变范围仅为3.2%～5.8%，前者应变幅度平均增大了2倍左右；比较应力的变化范围，前者的应力变化范围平均为127 ～528 N/mm2，后者的应力变化范围为181～423 N/mm2，应力幅度平均增大了1.66倍左右，进一步表明SMA阻尼器具有显著增强耗能的作用.

有限元分析得到的SMA拉索的滞回环与实测的SMA应力应变曲线的形状基本一致，表明有限元程序里SMA的本构模型能较好地模拟SMA的超弹性性能. 4结论

本文首先通过材性试验研究了SMA丝材的超弹性变形性能和参数取值，然后提出了一种耗能增强型SMA阻尼器，阐述了其构造和工作原理，推导了其恢复力模型，最后通过对比研究进行了地震时程分析，得出以下初步结论：

1）SMA材性试验表明，SMA的滞回环较饱满，超弹性变形性能较好.在实际应用时可将其等效为多线性模型，分析表明与程序中的超弹性本构吻合较好.

2）地震时程分析表明，该SMA阻尼器对结构的层位移和层间位移角具有显著控制效果，最大控制效果分别达到了34.1%和33.97%，而对角SMA拉索对结构层位移和层间位移角控制效果一般；SMA阻尼器和对角SMA拉索相同，对结构加速度反应控制效果一般，设置SMA阻尼器和对角SMA拉索后结构构件承受的层间剪力略有减小.

3）SMA阻尼器中SMA拉索滞回环非常饱满，通过其位移放大作用，SMA拉索的耗能能力能够充分发挥，相反对角SMA拉索滞回环较窄，导致SMA拉索的耗能能力未能得到充分发挥.

4）从经济价值上考量，制约SMA大规模应用的一个障碍是SMA的价格较贵，因此必须充分利用其价值，对角SMA拉索和本文的SMA阻尼器使用了同样重量的SMA丝，但控制效果却远胜前者，因此其经济价值较大，有助于SMA在结构振动控制中的推广应用. 参考文献

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