SMA 新型阻尼器在RAC框架上的减震性能分析

2014-02-24王社良陈先河樊禹江李亮亮杜亚超

噪声与振动控制 2014年2期

王社良，陈先河，樊禹江，李亮亮，杜亚超

（西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055）

形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)是一种具有记忆特性的新型智能材料。从20世纪90年代开始，SMA就被用于土木工程结构的地震响应控制。由于SMA具有相变伪弹性特性，利用SMA这一特性设计的土木工程减震被动阻尼器不但具有很好的耗能能力，并且阻尼器在地震后可恢复到原状，不存在残余变形，不需维修和替换即可继续使用。与一般材料制作的阻尼器相比，形状记忆合金制作的阻尼器具以下优点：抗疲劳性好、抗腐蚀能力强、可恢复变形大及性能较稳定,因而引起工程抗震领域的广泛关注。本文主要针对RAC框架结构的受力特点及其框架破坏的薄弱环节设计了一种新型SMA阻尼器，并将其安装在框架的梁柱节点处，地震时，SMA阻尼器会吸收消耗掉较大的地震能量，从而阻止主体结构的破坏，达到其减震的效果 [1―5]。

1 SMA丝的试验分析

阻尼器选用的NiTi形状记忆合金丝是西北有色金属研究院赛特金属材料开发有限公司生产的，合金丝的名义直径分别为1.0 mm和4.2 mm(图1，本文只使用Φ=1.0 mm的记忆合金丝进行分析)，构件长度150 mm，有效长度100 mm，化学成分为Ti-51 at%Ni，特征温1度分别为：Mf＝-64°C，Ms＝-40 °C，As＝-29°C，Af＝ -5°C。

图1 试验选用的NiTi合金丝及拉断后试样

试验对SMA丝加载到最大应变幅值，然后卸载至零，通过对SMA丝的拉伸循环测试，分析其在不同工况下力学性能。本次试验的加载方案是：首先给合金丝一个3%拉应变的预应力，然后在不同温度下，改变合金丝的应变幅值、频率，使其加载到最大变形后再卸载到零，从而得到不同组合情况下的阻尼力与行程的滞回曲线(数据)。试验地点在广州大学工程抗震研究中心，试验仪器是HUALONG WDW-100 C型电子万能试验机，试验方法采用了等位移加载，试验数据由计算机自带的数据采集系统自动采集。试验温度为室温20°C，试验所用合金丝直径名义直径Φ=1.0 mm，实测直径Φ=0.95 mm(合金丝直径由电子显示型游标卡尺测得)。

试验的一次加载循环典型的应力应变关系曲线如图2所示，图中A点和B点分别马氏体相变的开始点和结束点，所对应的应力σms和σmf分别为马氏体相变起始应力和结束应力；F点所对应的应力应变σu、εu是SMA丝接近极限抗拉强度时的应力应变；C点和D点分别是奥氏体相变的开始点和结束点，所对应的应力σas和σaf分别是奥氏体相变的起始应力和结束应力；E点至坐标原点O距离εr是最大残余应变；εL是加载时的最大相变应变（屈服平台长度）；图形OABCDE的面积ΔW为SMA一次加载循环的滞回耗能；图形OABG的面积W是SMA丝的弹性储能。

通过对实验曲线的采集和处理，结果表明：

（1）随温度的升高，SMA丝的等效刚度近似线性增大，而每次循环的消能和等效阻尼比都有所减小。

（2）随着记忆合金丝应变幅值的增大，其等效割线刚度逐渐减小，当应变幅值大于8%时，这种转变趋于平稳，当应变幅值达到4%以后，等效阻尼比随应变幅值的变化已基本稳定。

（3）SMA丝的等效刚度随加载速率的提高而变大，而单位循环的消能和等效阻尼比随加载速率的提高逐渐降低。

图2 典型的应力应变曲线

（4）SMA丝等效割线刚度、最大单圈循环消能和等效阻尼比随循环次数的增加都会逐渐降低，但是降低幅度不大。

2 SMA阻尼器的构造

SMA的被动耗能实现的途径主要有：

（1）SMA内摩擦力的作用而消耗能量。

（2）SMA的相变伪弹性性能导致的滞回耗能。基于上述（2）耗能机制，设计出一种合页型阻尼器，设计方案如图3所示：

图3 合页型SMA阻尼器

该合页型阻尼器由于使用了门合页，受力明确，安装在梁柱节点处，安装锚固方便。其主要工作原理是：首先将合金丝套在合页上形成闭合环，然后通过合页的绞来调节SMA丝的初始应变值。当合页沿着绞向两边运动时，合金丝则产生张拉运动。反之，当合页沿着绞往中间运动时，合金丝则产生压缩运动。通过以上合金丝的伸缩运动来消耗构件受到的地震作用，从而达到减震的效果。

3 结构控制的减震机制

结构减震控制，是指在建筑结构的特定部位，装设某种装置，或某种机制，或装设某种子结构，或施加外力，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，使工程结构在地震的作用下，其结构的动力反应（加速度、速度、位移）明显减小，并得到合理的控制，确保结构本身及结构中的人、仪器、设备、装修等的安全和处于正常的使用环境状况[6]。

根据结构动力学原理[7]，结构减震的控制机理，可用结构的动力方程式予以说明。一般结构的动力方程式为

式中m，c，K分别为结构的质量，阻尼和刚度，，x分别为结构在各种外部作用下的加速度，速s度和位移反应；为地面地震作用加速度；F（t）为其他可能施加的各种外部作用力，本试验为阻尼器提供的阻尼作用。

4 RAC框架减震性能模拟分析

为了验证上述新型阻尼器在地震作用下的减震效果，采用有限元软件ANSYS对框架结构的框架模型进行模拟分析。算例采用220 gal的EL-Centro波和兰州波（人工波）。根据试验结果，给对阻尼器SMA丝施加0.03的预应变。

4.1 模型简介

结构选取三层一跨钢筋混凝土结构（图4）进行分析，混凝土采用C 30，所采用混凝土的本构关系及其材料参数由本课题前期相关材性试验等[8-10]所获得。模型几何相似比为1/4，一层高900 mm，二层高825 mm，三层高825 mm。柱子配筋见图5，梁配筋见图6。

ANSYS分析中,框架柱和框架梁采用SOLID 65单元,合页型SMA阻尼器采用COMBIN 40单元。SMA材料属性用Ansys下的MaterialModels/Structural/Nonlinear/Inelastic/Shape Memory Alloy进行定义。为了模拟合页型阻尼器的减震效果，采用以下方法：

图4 有限元模型

图5 柱配筋图

图6 梁配筋图

(1)不加合页型阻尼器时框架的抗震性能分析；

(2)加合页型阻尼器时框架的抗震性能分析；

(3)将两者的结果进行对比，得出合页型阻尼器的减震性能。

通常钢筋混凝土结构的有限元模型主要有三种：分离式，整体式，组合式。而利用ANSYS分析时，主要有分离式和整体式俩种。分离式的优点是可考虑钢筋和钢筋混凝土的黏结和滑移，而整体式无法考虑，认为混凝土和钢筋之间黏结很好是刚性连接。就建模和计算而言，分离式建模复杂，计算不易于收敛，但结果符合实际，而整体式建模简单，易于收敛，但较分离式较粗略。由于本文结构构件较多，且钢筋布置复杂，因此采用整体式模型进行分析[11]。

4.2 EL Centro波下的时程分析

模型中利用美国的EL Centro波和兰州波（人工波）进行地震波模拟，得出此时框架顶层的位移、速度和加速度。下面就以EL Centro波为例对SMA新型阻尼器进行减震性能分析。

EL Centro波作用下的时程分析如图7所示。

由上图可以看出，在EL Centro波作用下，模型的顶层位移、速度及其加速度峰值如表1所示。

图7 EL Centro波作用下框架的地震响应时程曲线

表1 EL Centro波下不同结构时程分析结果一览表

从表1可以看出，对EL Centro波而言，从位移看，未加阻尼器条件下RAC框架模型的顶层位移绝对值为4.653 mm，新型阻尼器作用条件下为3.447 mm，相比之下，新型阻尼器作用条件下降低25.9%；从速度看，未加阻尼器条件下RAC框架模型的顶层速度绝对值为101.22 mm/s，新型阻尼器作用条件下为80.65 mm/s,相比之下，新型阻尼器作用条件下降低20.3%；从加速度看，未加阻尼器条件下RAC框架模型的顶层位移绝对值为2 204.5 mm/s2，新型阻尼器作用条件下为1 410.7 mm/s2，相比之下，新型阻尼器作用条件下降低36.0%。