超弹性NiTi形状记忆合金棒力学性能研究

研制了具有2种化学成分的超弹性NiTi形状记忆合金(NiTi SMA)圆截面棒材,并对其进行了力学性能试验研究,分析了应变幅值、加载速率对2种SMA棒的应力-应变曲线以及等效刚度、单位循环耗能、等效阻尼比和残余应变等力学性能参数的影响。通过有限元软件对SMA棒的力学性能进行了数值模拟,并对比了有限元模拟结果与试验结果。结果表明:超弹性SMA棒可提供较大的输出力和良好的复位性能,适合作为复位部件及辅助耗能部件用于工程结构的减振控制;数值模拟结果和试验结果吻合较好,采用有限元方法可较为准确地模拟超弹性SMA棒的力学性能。     

基于大直径SMA棒材自复位装置的试验研究

基于一种国产大直径(D=25 mm)Ti Ni形状记忆合金(SMA)棒材研发了一种SMA自复位装置,首先开展了大直径SMA棒材的热处理和材料性能试验研究,然后以应用于框架-摇摆墙结构为例介绍了SMA自复位装置的概念设计思路和构造设计方案,最后通过试验研究了SMA自复位装置的力学性能和自复位性能。研究结果表明:热处理后SMA棒材具有良好的超弹性特性和自复位特性,应变幅值为6.00%和8.00%时卸载后残余应变均值分别为0.27%和0.94%;所研发的SMA自复位装置有效地实现了SMA棒材的受拉工作模式,充分发挥了SMA棒材的超弹性性能和自复位特性;SMA棒材的材料等效刚度高达1.25 GPa,可提供较大的恢复力,在土木工程领域具有广阔的应用前景。     

镍钛形状记忆合金塑性屈服后力学行为研究

为研究形状记忆合金(SMA)塑性屈服后力学行为的变化规律,在室温下将塑性屈服处理及未处理的SMA试样进行加卸载循环试验,对比分析了应变速率、应变幅值及循环次数等加载工况对SMA的相变应力、耗能能力及残余应变等力学参数的影响规律,给出了SMA塑性屈服后各力学性能与加载工况的关系.结果表明:受塑性屈服效应影响,SMA的滞回曲线无明显相变平台,并在卸载时出现较大残余应变.与超弹性SMA相比,塑性屈服后SMA在相同应变幅值下耗能能力下降超过40%,峰值应力增加约90%.塑性屈服效应不影响SMA极限应力,但对其极限应变有减弱作用.在结构振动控制所用的SMA耗能装置中,部分塑性应变有利于提高其自恢复能力,但在强震大变形作用下,需考虑因塑性屈服应变而造成的超弹性损失及残余应变的增加.     

大尺寸超弹性镍钛形状记忆合金螺旋弹簧滞回性能

利用2种镍钛形状记忆合金(SMA)研制了大尺寸超弹性螺旋弹簧,对其进行了单轴反复荷载作用下的滞回性能试验,研究了超弹性SMA螺旋弹簧的恢复力特性与耗能能力,分析了加载频率、位移幅值对2种SMA螺旋弹簧滞回曲线以及等效刚度、单位循环耗能、等效阻尼比和残余位移等力学性能参数的影响;采用刚弹性模型和Bouc-Wen模型,建立了适用于整体结构分析的SMA螺旋弹簧简化恢复力模型,并利用该模型进行了数值模拟。结果表明:超弹性SMA螺旋弹簧具有稳定的滞回曲线,且具有良好的复位性能和大变形能力,可用于结构自复位控制装置的研发;数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了简化恢复力模型的正确性。     

基于形状记忆合金的力学性能试验研究

形状记忆合金因其独特的形状记忆效应和良好的超弹性性能,被视为结构减震控制的理想材料。文中通过研究形状记忆合金的基本力学性能,为开发研制新型SMA减震装置提供依据。针对影响形状记忆合金的主要因素:循环次数、应变幅值、加载速率等进行了试验研究,探讨其对形状记忆合金等效割线刚度、等效阻尼比、循环耗能等的影响。     

形状记忆合金基于Brinson模型的线性简化与分析

针对形状记忆合金(SMA)超弹性本构模型进行研究,基于已有的Brinson本构模型进行多段线性简化,推导SMA在单圈完全加卸载、单圈不完全加载-卸载和多圈不完全加载-不完全卸载线性模型的计算公式;运用Matlab编写出多段线性模型代码用于数值模拟。通过原Brinson模型模拟与简化后的多段线性模型模拟的对比与分析,并结合已有的试验数据,分析应变幅值、温度参数对SMA超弹性耗能的影响,验证多段线性模型在简单的形状记忆合金超弹性性能的分析的可行性。     

SMA丝材回复性能试验研究

为研究SMA丝材的回复性能，文章采用形状记忆合金制作了试件，对其进行了不同初始应变下试件的循环荷载和温度往复试验，获得了应力-应变关系曲线，分析了循环次数、应变幅值、加载速率、温度对SMA丝材的回复性能的影响。试验结果表明，SMA丝材经过10次循环加卸载后的残余应变量与第1次加卸载后的残余应变量几乎一致，材料的形状记忆效应表现明显；在小应变幅值下，SMA丝材的应力增长较快；在中等应变幅值下，SMA丝材的应力几乎不变；在大应变幅值下，SMA丝材已经进入强化阶段，应力继续呈线性增加；SMA丝材的最大回复力在一定范围内和预应变值成正比，在高温奥氏体相变完成后，回复力趋于稳定；8%预应变值的SMA丝材升温到奥氏体状态所提供的回复力值最高可以达到514 MPa，循环30次后的SMA丝材仍能够提供稳定的回复力。     

NiTi形状记忆合金丝拉伸力学行为的试验研究

常温下处于奥氏体状态的形状记忆合金丝在应力诱发下会表现出超弹性效应,在一个完整加卸载循环过程中,应力-应变曲线表现为完整的滞回环曲线并消耗大量能量。通过对形状记忆合金丝进行力学拉伸试验,以研究加卸载速率、应变幅值和荷载循环等因素对其等效刚度、等效阻尼比和耗能能力等力学行为的影响。研究结果表明:随加载速率的增大,耗能能力下降;随应变幅值的增大,耗能能力有明显的提高,为保证形状记忆合金丝具有稳定的耗能能力,在工程应用中应对其预设一定预应变;随荷载循环次数的增大,耗能能力明显下降,在工程应用中,应进行足够次数的机械训练以获得较稳定的力学特性。     

装配U形阻尼器的SMA自复位钢框架梁柱节点抗震性能研究

为解决传统SMA螺杆自复位钢框架梁柱节点在工作过程中SMA材料利用率低的问题,简化节点耗能构件的设计、施工和震后更换,提高灾后结构的快速恢复能力,提出了由超弹性SMA螺杆贯穿钢柱翼缘连接且装配U形阻尼器的自复位钢框架梁柱节点,并对关键构件的受力性能进行分析,给出节点的受力变形理论模型。通过循环拉伸试验考察了SMA棒材的超弹性特性,以此为基础,设计了1个足尺边柱节点试件,通过拟静力试验研究其承载力、初始转动刚度、残余变形、滞回耗能等。研究结果表明：节点中SMA螺杆可以有效拉伸变形并提供自复位驱动力,U形阻尼器的两肢能够产生相对位移从而进行塑性耗能,钢梁腹板处的抗剪螺栓可在连接槽钢的长圆孔中滑动,梁柱节点核心区未出现剪切变形;在设计层间位移角为0.04 rad的循环结束时,节点残余变形仅为0.004 9 rad,且梁柱构件在试验过程中未出现屈服,节点具有良好的自复位能力和可修复性;节点的初始转动刚度和极限弯矩均小于普通抗弯钢框架梁柱节点,但其拥有良好的转动能力,最大层间位移角为0.05 rad,满足节点的变形设计要求。     

一种新型形状记忆合金阻尼器

本文利用奥氏体状态记忆合金丝超弹性性能,设计了一种新型形状记忆合金阻尼器,分别从记忆合金材料一维本构模型和合金丝超弹性分段线性恢复力模型两个角度建立了阻尼器的理论模型,并通过性能试验研究,得出如下结论:SMA阻尼器在加卸载循环下会形成比较稳定的近似于双线性的滞回曲线,表明这种阻尼器具有良好的耗能能力;验证了理论模型的正确性;SMA阻尼器具有良好的抗腐蚀和抗疲劳特性,工作性能稳定。     

超弹性形状记忆合金丝(NiTi)力学性能的试验研究

从土木工程振动控制的角度出发 ,通过NiTi形状记忆合金丝处于超弹性状态下的力学性能试验 ,研究温度、加载速率、应变幅值、循环次数等加载工况对形状记忆合金的相变应力、耗能能力、变形模量及残余应变等力学性能参数的影响规律 ,并给出了各力学性能参数与主要影响它的加载工况之间的关系。试验和分析结果表明 ,处于超弹性状态下的形状记忆合金具有良好的耗能阻尼性能、较大的可恢复变形能力和很高的结构驱动能力 ,可满足土木工程结构振动控制的需要。     

铜质形状记忆合金阻尼器在钢梁柱连接中的应用

介绍了对采用铜质形状记忆合金（SMA）的部分约束连接试验研究的详细内容。提出在规则空心钢梁与宽翼缘钢柱之间的端板连接构造,其中4根处于奥氏体阶段的CuA1Be（Ф3mm）钢筋,在端板和柱翼缘之间起着预拉作用。通过在梁末端施加特征频率为0．25Hz和1Hz的循环位移,对连接的物理模型进行试验。采用电位计和测压元件来测量钢筋中的应变、应力和梁端的位移及荷载。     

Shape memory alloy CuAlBe strands subjected to cyclic axial loads

Structural cables are composed of wires helically wound into strands, which, in turn, are wound around a core. They have high redundancy and can be used to carry large tensile forces in many civil engineering structures. Better dissipation and/or recentering capacity can be expected if the cable is composed of shape memory alloy (SMA) wires in the austenite phase. Tensile tests were performed on strands made of CuAlBe SMA wires to characterize their behavior and demonstrate their potential utility as adaptive or resilient tension elements. In particular, equivalent viscous damping and forward-transformation and maximum stresses were determined for different strain amplitudes. Nearly ideal superelastic properties were obtained up to 3% axial strain. The equivalent damping increased with strain, reaching a value of 4% for a strain amplitude of 5%. Strand experimental results were used to validate a two-dimensional numerical model developed to estimate the strand response to axisymmetric loads within the superelastic deformation range. The model relies on the linearization of the wire geometry and on a multilinear CuAlBe wire stress-strain relationship. The proposed model adequately predicts the maximum strand stress and the residual strains for different strain amplitudes.     

Steel beam-column connection using copper-based shape memory alloy dampers

This study presents the details of an experimental investigation on a prototype partially restrained connection using copper-based shape memory alloy (SMA) bars. The proposed configuration consists of an end-plate connection between a rectangular hollow structural steel beam and a wide flange steel column, where four CuAlBe () bars, in austenitic phase, are used to prestress the end-plate to the column flange. A physical model of the connection was tested by applying a controlled cyclic displacement history at the tip of the beam with two different characteristic frequencies of 0.25 and 1 Hz. Potentiometers and load cells were used to measure strains and stresses in the bars and the displacement and load applied at the beam tip. Similar bars, with the same thermal treatment, had been previously tested in cyclic tension at several nominal strains and frequencies, showing superelastic behavior for deformations up to 2.3% strain. In static tensile tests, the fracture strain was approximately 8%, with a transgranular fracture mechanism. The equivalent damping ratio for the single bar test increases for larger strains, being 6% for a 2.3% strain. The beam-column connection also exhibited superelastic behavior, a moderate level of energy dissipation, and no strength degradation after being subjected to several cycles up to 3% drift. Finally, a set of numerical simulations are conducted to compare the performance of a rigid steel frame and a partially restrained frame with SMA connections using a three-story benchmark structure.     

工程结构的SMA超弹性减振技术及其应用研究

介绍了形状记忆合金 (SMA)超弹性减振技术的减振机理 ,研制一种性能良好的SMA超弹性阻尼器 ,介绍了其工作原理及性能测试试验结果。将该阻尼器安装在斜拉桥模型上 ,进行了斜拉桥模型振动试验。试验结果表明 ,该阻尼器的耗能效果明显 ,在工程结构振动控制方面具有比较好的应用前景     

形状记忆合金-摩擦复合阻尼器力学性能研究

提出一种新型形状记忆合金（shape memory alloy,简称SMA）-摩擦复合阻尼器。该阻尼器由超弹性SMA单元和高耗能摩擦单元串联而成,通过控制摩擦单元的摩擦力大于SMA单元的最大输出力,可实现自动调节耗能单元工作状态的功能,即：较小荷载作用下,仅SMA单元工作,消耗能量少,具有自复位功能;较大荷载作用下,SMA单元和摩擦单元依次工作,消耗大量能量,具有一定的变形回复能力。对阻尼器进行拉压循环力学试验,研究了位移幅值、加载频率和扭矩对其输出力-位移曲线以及摩擦力、割线刚度、单位循环耗能量、等效阻尼比、残余位移等力学参数的影响。将基于Graesser本构模型基础上的SMA单元力学模型和摩擦单元的理想刚塑性模型串联,建立了阻尼器的力学模型;数值模拟结果与试验结果吻合较好,证明了该力学模型的正确性。     

Shape memory alloy bending bars as seismic restrainers for bridges in seismic areas

In general, shape memory alloy (SMA) cables do not resist in compression and, thus, their applications are limited. This study suggests a superelastic SMA bar in bending to be used to overcome the above problem. The objectives of this study are to analyze the characteristics of the bending behavior of an SMA bar and to prove its seismic applicability, especially to restrain openings in bridges. Single and double bending tests are conducted with varying loading speeds and maximum displacements. The loading and the unloading stiffness are estimated from the force-displacement curves, and the equivalent damping ratio of each test is assessed. The SMA bar shows the same stiffness hardening, during bending and under tension which appears to be due to stress-induced-martensite hardening. Increasing the loading speed does not influence the stiffness of the SMA bar with a single bend, but the stiffness of the double bending bar is about five times that of the single bending bar. This study also introduces the use of SMA bending bars as a seismic restrainer for bridges. The SMA bars are assessed as seismic restrainers for a three-span-simply-supported bridge in a zone of moderate seismic activity. The bars reduce the openings at the internal hinges and the pounding force on abutments. Thus, the SMA bending bars are assessed to prevent the unseating at internal hinges and cracks on abutments. This study shows the applicability of the SMA bending bars as a seismic restrainer.     

钢法兰-榫式连接的装配式RC柱抗震性能试验研究

结合干式连接和湿式连接的优点提出了一种用于装配式钢筋混凝土柱(reinforced concrete,RC)的钢法兰-榫式连接,采用试验方法研究了该类连接的装配式RC柱的抗震性能。设计并制作了1个现浇柱试件和3个钢法兰-榫式连接的装配式柱试件,开展了试件的拟静力试验,研究了各试件的破坏过程及破坏形态,分析了钢法兰-榫式连接方式、钢法兰的钢腹板厚度及混凝土榫头箍筋配筋参数对试件破坏模式、滞回耗能性能、变形能力和关键点处应变的影响。试验结果表明,3个装配式试件的延性系数均大于4.0,变形能力和现浇试件相当,等效黏滞阻尼比均在0.2左右,表现出良好的延性及耗能性能;现浇试件XJ-1与装配式试件ZJ-1以柱底压弯破坏为主,装配式试件ZJ-2和ZJ-3分别发生腹板压弯破坏和榫头剪切破坏,试件ZJ-2的耗能能力较弱而试件ZJ-3的延性较差;腹板的厚度减小会降低钢节点的承载能力并导致腹板和上、下端板的应变增大,混凝土榫头箍筋配筋的减少导致榫头纵筋应变显著增加;装配式柱的柱纵筋的应变与现浇柱相当,表明钢节点能够有效传递纵筋应力。试验结果可为此类连接的装配式RC柱的设计提供参考。     

采用马氏体镍钛形状记忆合金螺杆的钢框架梁柱节点滞回性能试验研究

为研究采用马氏体镍钛形状记忆合金螺杆的钢框架梁柱节点力学性能和耗能能力,对马氏体镍钛形状记忆合金材料进行了单调拉伸和形状记忆效应试验,对采用马氏体镍钛形状记忆合金螺杆的梁柱节点进行了拟静力试验和加热修复后的再次试验。研究结果表明：镍钛合金具有较大的可回复应变,从而能够适应节点不同程度损伤状态的性能修复要求;采用马氏体镍钛形状记忆合金螺杆的钢框架梁柱节点具有稳定的滞回性能和耗能能力;节点具有后期强化效应,能够一定程度上弥补或消除节点部位受损元件引起的节点性能退化;镍钛合金独特的形状记忆效应和优越的疲劳性能确保了镍钛形状记忆合金螺杆的可重复使用和复原节点性能的能力;螺杆应变过大将导致形状记忆效应衰退,加热修复后将产生残余变形。最后,通过与角钢连接和钢螺杆连接的钢框架梁柱节点的性能对比分析,发现采用马氏体镍钛形状记忆合金螺杆的钢框架梁柱节点具有更好的延性和能量耗散能力。