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1、 超弹性形状记忆合金阻尼器连接框架填充墙抗震性能理论研究 李栖彤 指导教师 任文杰教授 第一章课题简介 1 1研究意义 钢筋混凝土框架 砌体填充墙结构是工程中普遍应用的一种建筑结构形式 填充墙作为非结构构件 通常不承担竖向重力荷载 但在地震荷载下 墙对框架的贡献主要取决于二者的连接方式 即 墙与框架的刚性连接 墙与柱脱开或柔性连接 近几年国内外大地震中填充墙框架结构均发生了不同程度的破坏 框架主体震害较轻 但填充墙普遍破坏严重 填充墙本身的破坏不仅影响建筑的使用功能 增加修复费用 严重时甚至危及生命安全或影响紧急疏散 以至于地震工程界往往将填充墙的破坏程度看作是结构使用功能正常发挥和地震下生命
2、安全的判断依据 结构振动控制是结构抵御地震作用的有效方法 通常可分为被动控制 主动控制 半主动控制和混合控制 其中被动控制因其构造简单 造价低 易于维护且无需外部能源等优点引起了工程界广泛关注 在现有的阻尼材料中 形状记忆合金作为一类重要的功能材料 具有独特的形状记忆效应和超弹效应 可恢复应变大 耗能力及阻尼性好 高温下能保持较高的弹性模量 抗疲劳和耐腐蚀能力强 是实现结构被动控制的理想选择 1 2框架填充墙简介 在目前的结构形式中框架填充墙结构是常见的一种 其具有结构平面布置灵活的优点 我国目前在工程设计中一般是忽略填充墙的作用的 普遍做法是单一的把填充墙体作为荷载作用到框架梁上 填充墙和框
3、架的共同作用过程可以分为成以下几个阶段 1 弹性阶段 填充墙和框架均处于弹性状态两者共同作用 填充墙与框架周边相接触的地方产生界面裂缝 2 弹塑性阶段 随着侧向荷载的加大 界面裂缝也不断地扩展 填充墙和框架对角接触部分出现局部的破裂现象 墙面未出现贯穿的 X 型裂缝 此时 框架仍处于弹性工作状态 这时填充墙承担了大部分的侧向力 随着侧力继续加大 填充墙的中间部分出现微裂缝并发展成贯通的斜裂缝 框架柱也出现裂缝并开始扩大 此时 填充墙的抗侧能力达到极限值 整个结构呈弹塑性状态 3 塑性阶段 框架填充墙结构达到承载能力极限状态时 框架梁柱形成明显的塑性铰 整个结构现出明显的塑性特点 1 3形状记忆
4、合金的功能特性 形状记忆合金材料的主要功能特性 形状记忆效应 超弹性和高阻尼性等 超弹性超弹性是指当SMA温度超过奥氏体相变完成温度Af 加载应力超过弹性极限 即产生非弹性应变后 持续加载将产生应力诱发的马氏体相变 但这种马氏体随着应力的消失而消失 即使不加热也会产生马氏体逆相变而恢复到原来的母相 奥氏体相 状态 应力作用下产生的宏观变形也将随着逆相变的进行而完全消失 如图1 1所示 图1 1超弹性示意图 1 4本文研究内容 1 对直径为0 8mm和2 1mm的两种超弹性SMA丝材进行力学试验 研究循环次数 加载速率和应变幅值对SMA力学性能参数 相变应力 耗能量 损耗因子 变形模量和残余应变
5、 的影响 比较两种直径的SMA丝的各项力学指标 在试验基础上 建立SMA本构模型 2 提出超弹性SMA阻尼器连接框架填充墙的设计方案 包括 设计一种缠绕式超弹性SMA阻尼器 对其工作原理进行分析 并建立力学模型 提出超弹性SMA阻尼器连接框架填充墙的构造设计 分析工作原理 建立计算模型 3 分别以单自由度和多自由度框架填充墙结构为例 利用Matlab数学模拟软件计算不同地震输入下裸框架和SMA阻尼器连接框架填充墙的地震反应 证明所提出的装置不仅能一定程度上抑制框架主体的振动 而且保护填充墙的安全 第二章超弹性形状记忆合金力学性能研究 2 1试验概况2 1 1试验试样NiTi形状记忆合金丝直径分
6、别为0 8mm和2 10mm 试件的长度为200mm 两种材料的Af值均为6 左右 2 1 2试验设备试验采用的试验机为SANS微机控制电子万能试验机 如图2 1所示 试件的轴向力由力传感器测试 其量程为5kN 轴向变形由引伸计测量 其标距为25mm 试验采取等位移加载 加载的停止条件是由引伸计的应变进行控制 试验结果由计算机自动采集 采样频率为每秒30点 图2 1试验装置 2 1 3试验方案试验时对SMA丝进行单轴拉伸试验 考虑循环次数 加载速率和应变幅值的影响 室温25 具体工况如下 1 SMA丝的等应变幅值循环拉伸测试 直径0 8mm丝材 循环30次 应变幅值6 加载速率为20mm mi
7、n 直径2 1mm丝材 循环30次 应变幅值5 5 加载速率为10mm min 2 SMA丝在不同环境因素下的拉伸试验 直径0 8mm丝材 应变幅值依次为1 2 3 4 5 5 5 加载速率分别为3mm min 10mm min 20mm min 30mm min 60mm min 直径2 1mm丝材 应变幅值依次为1 2 3 4 5 5 5 加载速率分别为3mm min 10mm min 30mm min 60mm min 两种直径丝材在测试前均经历拉伸循环30次已达到性能稳定 2 2试验结果与分析 a b 循环次数对超弹性SMA丝力学性能的影响图2 2 a 是直径为0 8mm的SMA丝在循
8、环试验30圈时的滞回曲线 2 2 1直径为0 8mm的超弹性SMA丝的力学性能 c 图2 2循环次数对SMA力学性能的影响 应变幅值和加载速率对超弹性SMA力学性能的影响图2 3 a e 分别是不同应变幅值和加载速率下SMA丝的应力 应变曲线 应变幅值分别为1 2 3 4 5 5 5 图2 3 f 是应变幅值为5 时不同加载速率下的滞回曲线图形 a b c d e f 图2 3d 0 8mm的SMA丝在不同加载速率下的滞回特性 图2 4是直径为0 8mm的SMA丝当应变幅值为4 时 在不同加载速度下耗能及损耗因子的图形 a b 图2 4不同加载速率对SMA丝耗能情况对比 图2 5给出了不同加载
9、速率情况下应变幅值对损耗因子的影响 图2 5耗能 应变幅值曲线 2 2 2直径为2 1mm的超弹性SMA丝的力学性能 循环次数对超弹性SMA丝力学性能的影响直径为2 1mm的SMA丝与直径为0 8mm的SMA丝在循环时的力学性能相似 但没有表现出明显的屈服平台 循环的滞回曲线如图2 6所示 图2 6循环次数对SMA力学性能的影响 应变幅值和加载速率对超弹性SMA力学性能的影响 a b c d e 图2 7d 2 1mm的SMA丝在不同加载速率下的滞回曲线 图2 8是直径为2 1mm的SMA丝 当应变幅值为4 时 在不同加载速度下耗能及损耗因子的图形 a b 图2 8不同加载速率对SMA丝耗能情
10、况对比 图2 9描绘了SMA丝材在不同加载速度下 应变幅值对损耗因子的影响 图2 9损耗因子 应变幅值曲线 2 3 3两种不同直径SMA丝力学性能比较 循环次数对不同直径的超弹性SMA丝力学性能的影响 图2 10 a 中直径为0 8mm的超弹性SMA丝的耗能量明显大于直径为2 1mm的SMA丝的耗能量 但是随着循环次数的增加 耗能量相差大小逐渐缩小 图2 10 b 表明直径为2 1mm的超弹性SMA丝的损耗因子明显比直径为0 8mm的SMA丝要大 这就说明 大直径的SMA丝的耗能能力要强于小直径的SMA丝 a b 图2 9不同直径的SMA耗能及损耗因子的对比 应变幅值和加载速率对不同直径的超弹
11、性SMA丝力学性能的影响图2 10显示在加载速率为3mm min 应变幅值依次为相同的1 2 3 4 5 时 不同直径的SMA丝的耗能和损耗因子与应变的关系 a 耗能 应变图线 b 损耗因子 应变图线 图2 10两种不同直径SMA力学性能图形 图2 11给出了不同直径的超弹性SMA丝在不同加载速率下的耗能 应变关系 图中在达到5 的最大应变幅值时 耗能量大小由加载速率和直径绝定 从大到小依次是d 2 1mm 3mm min d 0 8mm 3mm min d 2 1mm 30mm min d 0 8mm 30mm min 结果表明 加载速率相同 直径大的SMA丝耗能量大 直径相同 加载速率小的
12、SMA丝耗能量大 图2 11不同加载速率下耗能 应变关系 第三章SMA阻尼器的设计原理 3 1缠绕式SMA阻尼器 1 超弹性SMA丝 2 SMA丝固定夹具 3 1号主钢板 4 2号主钢板图3 1缠绕式SMA阻尼器构造图 3 2SMA阻尼器连接框架填充墙的结构设计 图3 2给出了缠绕式SMA阻尼器连接框架填充墙的连接构造 图3 2SMA阻尼器连接框架填充墙构造 3 2 2工作原理在地震作用下 由于边框填充墙的刚度远大于框架刚度 框架与边框填充墙产生水平方向的位移 当阻尼器的最大输出力小与边框填充墙的抗剪承载力时 阻尼器进入工作状态 如图3 2所示 3 3边框填充墙抗剪承载力计算公式 3 1 A
13、填充墙水平截面积 ft 砌块混凝土填充墙抗拉强度 b 长宽比小于1 0则取b 1 0 长宽比大于1 5取b 1 5 若长宽比在1 0与1 5之间则取实际值 h l 式中1 2为墙体安全系数 图3 3边框填充墙 第四章超弹性SMA阻尼器连接框架填充墙地震反应分析 4 1 1设计概况 4 1超弹性SMA阻尼器连接单自由度框架填充墙地震反应分析 地震动选取选取硬土 中硬土与软土场地具有代表性的三条地震动记录 分别为EL Centro波 迁安波 天津波 为便于对比 将各地震动的加速度峰值统一的0 35m s2 阻尼器的参数选用2 4节中介绍的直径为2 1mm的SMA丝 其力学参数参见前章 最大有效工作
14、应变取4 则单根丝的最大输出荷载时1 298KN 根据公式 3 1 填充墙抗剪强度承载力 25 02KN 以受控框架的层间位移角的1 550为限值 确定SMA丝的长度为10cm 所以每个阻尼器中SMA用量为19根 均匀排列 4 1 2计算结果与分析表4 1给出了单自由度框架结构在三种地震波作用下结构相对地面的位移峰值及减震率 从数据看出 在三种不同地震波情况下 SMA阻尼器对结构水平方向的位移有很好的控制作用 减震率相当可观 最大减震率为35 3 表4 1不同地震波作用下结构位移反应峰值 图4 1EL Centro波作用下位移时程曲线 图4 2迁安波作用下位移时程曲线 图4 3天津波作用下位移
15、时程曲线 图4 4给出了不同地震波作用下阻尼器回复力 位移的关系曲线 图4 4不同地震波作用下阻尼器回复力 位移关系曲线 4 2超弹性SMA阻尼器连接框架填充墙多自由度地震反应分析 表4 2结构基本参数表 4 2 1计算概况 结构各参数尺寸选取某对称四层框架结构 尺寸及参数如表4 2和图4 7 阻尼比取0 05 阻尼器参数及位置根据3 4 1中公式阻尼器各参数计算公式进行计算 首层框架计算概况与单自由度相同 故首层超弹性SMA丝长度依然为10cm 取用SMA丝数量为每个阻尼器19根 二 三 四层框架填充墙由于其高度降低 所以SMA丝长度为7cm 填充墙抗剪强度12 88KN m 二 三 四层每
16、个阻尼器中SMA丝用量取9根 均匀排列 图4 7框架示意图 表4 3EL Centro波作用下多自由度结构绝对位移反应峰值 表4 4EL Centro波作用下多自由度结构相对位移反应峰值 4 2 2计算结果与分析图4 6 4 7 4 8 4 9分别表示每一层有控 无控情况下相对位移与时间的时程关系曲线 图4 6一层位移时程曲线 图4 7二层位移时程曲线 图4 8三层位移时程曲线 图4 9四层位移时程曲线 第五章结论与展望 本文针对框架填充墙中填充墙的震害提出一种新的填充墙和框架主体的连接技术 即 将填充墙与框架柱分开 其间由超弹性SMA阻尼器连接 并围绕这一连接技术展开理论研究 得出以下结论 1 通过两种超弹性NiTi形状记忆合金的力学试验 我们得出了在不同工况下 不同的循环次数 应变幅值 加载速率 SMA的滞回曲线的变化规律 直径为0 8mm和2 1mm的SMA丝材力学性能的相同点 其在加载速率相同的情况下 随着应变幅值的增加 SMA丝的耗能逐渐增加 在加载速率以及应变幅值一定的情况下 SMA丝的滞回曲线面积逐渐减小 并且随着循环次数增加逐渐趋于稳定 在加载速率不同 应变幅值和循环次
