形状记忆合金被动阻尼器及结构地震反应控制试验研究和分析

利用形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,简称SMA)的超弹性特性,本文提出了一种新型SMA阻尼器,将其安装在结构层间,抵抗结构地震作用。通过对阻尼器的构造设计,使其中的NiTi丝在结构振动过程中始终处于受拉状态,避免了合金丝的受压屈曲。文中首先针对一种直径为1.2mm的NiTi丝的超弹性特性进行了性能试验。试验结果表明,NiTi丝的超弹性滞回特性受其加载频率及循环圈数的影响,但当加载频率大于2Hz,加载循环圈数大于15圈后,该丝的超弹性滞回曲线趋于稳定。然后,将本文提出的SMA阻尼器安装在一个5层钢框架结构模型上进行了地震模拟振动台试验,验证了该SMA阻尼器可以有效减小结构的地震反应。最后,采用自回归(ARX)模型对无控和有控结构建模,分别采用最小二乘法和Kalman滤波法识别得到了无控结构和有控结构的ARX模型的参数,并由此进一步分析得到了无控和有控结构的各阶模态参数。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

约束态SMA混凝土梁的裂缝监测及自修复

利用形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)丝超弹性和激励回复产生较大驱动力的特性,将不同预拉长度及根数的Ni-Ti SMA丝预埋入混凝土模型梁中,研究了混凝土梁加载过程中Ni-Ti SMA丝电阻变化率与混凝土梁裂缝宽度的关系以及Ni-Ti SMA通电激励过程中混凝土梁裂缝恢复的变化规律.试验中考虑了SMA滑移的影响,并通过理论计算对其进行验证,计算时考虑了锚具造成的附加电阻的影响.结果表明:SMA显著提高了混凝土梁的变形能力和抗裂能力;在通电激励后,混凝土梁在Ni-Ti SMA激励回复效应驱动下,挠度迅速恢复,裂缝闭合;增加Ni-TiSMA总截面面积可提高合金对混凝土梁的驱动效果;在裂缝宽度小于1.5 mm时,Ni-Ti SMA电阻变化率和混凝土梁的裂缝宽度呈明显的线性关系;钢筋塑性变形的存在,对混凝土模型梁的变形回复起阻碍作用.     

新型SMA阻尼器在古塔抗震监测中的应用

利用形状记忆合金(SMA)的超弹性滞回耗能特性,设计出一种适合古塔抗震监测的新型SMA阻尼器,通过从试验得出的SMA阻尼器恢复力公式,建立SMA阻尼器电阻特性简化模型,得出其器恢复力和SMA丝电阻之间的关系,再通过安装了SMA阻尼器的受控古塔结构运动方程,算出古塔每个质点的位移,从而判断古塔在地震中的震害情况,实现对古塔的健康监测,为古塔等类似古建筑结构的抗震加固和健康监测提供借鉴。     

形状记忆合金阻尼器在结构减振中的应用

介绍了形状记忆合金（SMA）的超弹性特性,简要讨论了形状记忆合金的超弹性效应在土木工程领域的应用以及形状记忆合金阻尼器的工作原理。应用OPENSEES软件对框架模型进行了振动试验分析。试验结果表明,形状记忆合金阻尼器具有显著的耗能性能,其在振动控制领域具有广阔的应用前景。     

SMA阻尼器设计及框架结构地震反应控制分析

采用SMA(Shape Memory Alloy)旗帜型恢复力模型,深入分析了预变形、超弹性拉伸位移、刚度和长度4个参数对SMA阻尼器耗能系数的影响规律;分别建立了预变形、拉伸位移与耗能系数的关系式,并提出SMA阻尼器刚度和长度的确定方法.在分析结果的基础上,设计了一种新型超弹性SMA阻尼器.为了验证SMA阻尼器的减震...     

形状记忆合金应变感知特性试验研究

为开发新型的形状记忆合金(SMA)位移传感器,进行了SMA应变自感知性能试验,测试了NiTiSMA丝的电阻变化率—应变关系曲线,计算得到了NiTi丝在各加载频率下的灵敏度系数。验证了SMA丝作为位移传感器的可行性。     

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。     

环氧薄层铺装材料断裂性能试验研究

主要通过与环氧沥青混凝土、SMA沥青混凝土对比分析,研究不同温度(-10～60℃)下环氧铺装材料的断裂力学性能。采用小梁三点弯曲试验分析温度对上述三种材料弯曲强度、最大弯曲应变、弯曲劲度模量和断裂应变能密度的影响。试验结果表明环氧铺装材料的温度依赖性与SMA沥青混凝土和环氧沥青混凝土相似,其弯曲强度和劲度模量介于环氧沥青混凝土与SMA沥青混凝土之间,但其低温弯曲性能和抗裂纹扩展性能优于上述两种材料。     

超弹性形状记忆合金棒的力学性能试验

将超弹性形状记忆合金（Shape Memory Alloy,简称SMA）圆截面棒材原料加工得到标准试件。针对上述SMA棒试件进行了拟静力试验,系统研究了应变幅值、加卸载速率、循环加卸载次数对其相变应力、等效刚度、单位循环耗能量、等效阻尼比和残余应变五个力学性能参数的影响。试验研究表明,SMA棒可提供较为理想的超弹性效应。同时,由试验结果亦可观察到SMA棒的耗能和阻尼能力较低。总的来看,超弹性SMA棒可提供较大的输出力和稳定的复位性能,适合作为大尺寸阻尼器的复位器件用于工程结构的减振控制。     

SMA的GTM设计方法、路用性能及施工工艺

成型方式对设计的沥青混合料路用性能影响极大。现行SMA(沥青玛蹄脂碎石混合料)设计方法有很大的缺陷,为此提出新的SMA设计方法———GTM(旋转试验机)法。根据这种方法设计的SMA混合料密度高。室内试验及施工结果表明此种混合料有很好的高温、低温、抗水破坏及抗滑性能。文章最后介绍了SMA施工方法。     

Utilization of steel slag as aggregates for stone mastic asphalt (SMA) mixtures

Steel slag is a byproduct making up a portion of 15–20% of iron output in an integrated steel mill. Most of them are deposited in slag storing yards and thus results in many serious environment problems in China. This paper aims to explore the feasibility of utilizing steel slag as aggregates in stone mastic asphalt (SMA) mixtures, and properties of such asphalt mixtures are evaluated as well. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and mercury intrusion porosimetry (MIP) were employed to study the compositions, structure and morphology of aggregates. Volume properties and pavement performances of SMA mixture with steel slag were also evaluated as compared to that with basalt as aggregates. Results indicated that volume properties of SMA mixture with steel slag satisfied the related specifications and expansion rate was below 1% after 7 days. When compared with basalt, high temperature property and the resistance to low temperature cracking of SMA mixture were improved by using steel slag as aggregate. In-service SMA pavement with steel slag also presented excellent performance on roughness and British Pendulum Number (BPN) coefficient of surface.     

NiTi合金球节点在抗震网架结构中的力学性能分析

NiTi形状记忆合金（简称SMA）的材料性能优越,但对其球节点球形式的应力、应变分布规律及承载力等方面的研究还是一片空白。该研究中,以唯象学模型为基础,选用双线性等向强化塑性模型,并使用等向强化屈服准则,分析了静荷载和地震波两种类型荷载,得出：（1）SMA材料球节点弹性变形大,可较好地缓解外荷载所带来的破坏影响;（2）SMA球节点具有良好的延展和韧性特性,是一种典型的延性结构体系;（3）SMA球节点可有效地抑制球节点结构在地震荷载下的响应。     

土木结构应用SMA进行振动控制存在的难点问题

形状记忆合金是一种在结构振动控制领域具有广阔应用前景的智能材料,利用它的形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼特性等特点,可实现结构的振动控制.但土木工程结构体型大、结构材料粗糙(如混凝土)和结构荷载巨大,而SMA材料价格昂贵,因此在土木工程中的应用显然存在一些问题.本文指出了应用SMA进行土木结构振动控制时存在的难点问题,以期在研究和应用中引起重视,扬长避短,达到较好的振动控制效果.     

形状记忆合金与叠层橡胶支座组合的隔震耗能体系研究

基于形状记忆合金的形状记忆功能和超弹性性能提出了一种由形状记忆合金与叠层橡胶支座组合而成的隔震耗能体系。通过对安装了该体系和仅安装叠层橡胶支座的4层隔震结构进行实例计算,比较两种隔震体系的隔震和耗能效果,表明隔震耗能体系能有效地控制隔震层的水平位移,提高结构抗震的可靠性,并实现建筑结构隔震的智能化。