摘 要

形状记忆合金由于具有良好的形状记忆效应以及超弹性的特性，在建筑物的抗震设计中使用形状记忆合金可增强混凝土结构的抗震自修复能力，前期研究表明形状记忆合金丝增强混凝土结构可提高混凝土结构的裂纹修复能力，形状记忆合金丝能否在混凝土中发挥作用取决于其与混凝土的粘接强度，因此研究合金丝与混凝土的界面力学问题具有重要的意义。本文首先对Ni-Ti形状记忆合金单丝拔出进行了实验研究，然后采用ABAQUS有限元分析软件建立了Ni-Ti合金丝在纤维混凝土中的受力模型，并与单丝拔出实验结果进行比较，研究了Ni-Ti合金丝在纤维混凝土中的埋深和纤维形状对应力位移曲线的影响。结果表明：Ni-Ti合金丝在受到位移荷载时先产生变形随后发生脱粘，脱粘应力与Ni-Ti合金的埋深呈线性关系，为纤维增加钩端可以使其增加脱粘应力至原来的八倍，这是由于钩端部分在拉拔时受到竖直方向的荷载使纤维与混凝土接触更紧密从而增大了摩擦力，且钩端拉直需要额外的荷载，Ni-Ti合金丝在纤维混凝土基体中所受的摩擦力较小，这与Ni-Ti合金丝表面比较光滑有关。

关键词：形状记忆合金；Ni-Ti合金；纤维混凝土；有限元分析；内聚力单元

Abstract

Shape memory alloy (SMA) has good shape memory effect and super-elasticity, so the use of SMA in seismic design of buildings can enhance the seismic self-repairing ability of concrete structures. Previous studies have shown that SMA wires can improve the crack repairing ability of concrete structures, and whether SMA wires can play a role in concrete structures. It is very important to study the interfacial mechanics between alloy wire and concrete because the use depends on the bond strength between alloy wire and concrete. In this paper, the pull-out of Ni-Ti shape memory alloy single wire is studied experimentally. Then, the stress-displacement model of Ni-Ti alloy wire in fiber reinforced concrete is established by using ABAQUS finite element analysis software. The experimental results are compared with those of single wire pull-out. The influence of the depth of Ni-Ti alloy wire embedded in fiber reinforced concrete and the shape of fiber on the stress-displacement curve is studied. The results show that the deformation of Ni-Ti alloy wires occurs first and then debonding occurs when they are subjected to displacement loads. The debonding stress is linearly related to the buried depth of Ni-Ti alloy. Increasing the hook end can increase the debonding stress eight times as much as the original one. This is due to the close contact between the fiber and concrete caused by the vertical load on the hook end during drawing, and the friction of the hook end is increased. Extra load is needed for straightening, and the friction force of Ni-Ti alloy wire in the fiber reinforced concrete matrix is smaller, which is related to the smooth surface of Ni-Ti alloy wire.

Keywords :Shape memory alloy ; Ni-Ti alloy ; fiber reinforced concrete ; finite element analysis ；cohesive element

目 录

摘 要 I

第1章 绪论 1

1.1研究背景及目的意义 1

1.2形状记忆合金的基本特征 2

1.2.1超弹性 2

1.2.2形状记忆效应（SME） 3

1.2.3阻尼性能 3

1.3形状记忆合金在混凝土结构中的应用进展 3

1.4形状记忆合金与纤维混凝土结构的研究现状 4

1.5本文研究的主要内容及技术路线 4

1.5.1研究内容 4

1.5.2技术路线 5

第2章 SMA纤维在纤维混凝土中的单丝拔出实验 7

2.1实验原理及方法 7

2.2实验流程 7

2.3实验结果与数据分析 13

2.4本章小结 19

第3章 SMA纤维在纤维混凝土基体中单丝拔出模拟分析与实验对比 21

3.1混凝土的模拟 21

3.2形状记忆合金的模拟 21

3.3接触界面条件的模拟 22

3.4荷载约束的施加以及求解过程 23

3.5结果分析与对比 24

3.6误差分析 27

3.7优化方法 27

3.8本章小结 28

第4章 结论与展望 29

4.1全文总结 29

4.2展望与建议 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1研究背景及目的意义

钢筋混凝土结构作为目前应用最广泛的一种结构，具有良好的安全性，然而随着人类科技的不断发展与人民生活水平的日益提高，对于建筑物结构的要求也越来越高。随着各种各样的自然灾害的发生，比如地震、海啸、滑坡等，混凝土结构在受到能量冲击时会产生较大变形。传统的钢筋混凝土(RC)结构是为了防止倒塌而设计的，这导致其需要通过产生和增强非弹性变形来提供能量耗散。然而，这虽然保证了生命安全，但钢筋混凝土结构的变形会引起建筑物整体的变形同时造成严重的经济损失。最近，结构的抗震设计更偏向一种基于性能的方法，这种方法需要更坚实的结构和更完善的系统，因此需要具有高延展性，高损伤耐受性，最重要的是恢复或减少永久性破坏的材料来代替钢筋。形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）作为一种独特的材料，具有在卸载或加热时能够经历大变形并恢复到预定形状的能力^[1]。SMA正逐渐受到人们的关注，并且在各种工程中得到越来越多的应用。

SMA具有可恢复变形大、在受限回复时可以产生很大的驱动力、电阻对应变敏感、高阻尼性能、抗疲劳性能好的优点，而且它与混凝土材料和钢材都具有较好的结合性能，具有很大的发展潜力。将其替代钢筋可以利用其特性在结构受到冲击时消耗更多的能量，可以有效减少建筑物在荷载的作用下产生的位移响应。由于SMA在发生变形时会产生很大的回复力，可以抑制裂缝的扩展甚至可以促进裂纹闭合，同时还可以提高结构的承载力^[2]。

纤维混凝土，又称纤维增强混凝土，指使用水泥净浆、砂浆或混凝土作为基础材料，混入一定量的短纤维或者连续长纤维增强材料所形成的一种新的复合材料。近年来，随着聚乙烯醇纤维、钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等纤维在混凝土材料中得到应用，纤维混凝土展现出了比常规混凝土更好的抗拉强度。而且在制备纤维混凝土时，若原料配比事宜并加入了适当的高效减水剂，则在其受力时水泥基体将成为主要受力体，当基体在应力作用下发生开裂时，裂缝处的纤维成为了主要的受力体，因此它可以有效限制水泥基料在外力作用下的产生的裂缝扩展^[3]。纤维丝能否在混凝土中发挥作用决定于其与混凝土的粘接强度，因此纤维丝与混凝土的界面力学问题研究室纤维混凝土研究的热点，对于其工程实际应用具有重要的意义。