摘 要

作为一种新型功能材料，形状记忆合金具有两大特性：形状记忆效应和超弹性性能。这两种特性能使形状记忆合金（SMA）弹簧能在一定的变形范围内恢复到初始状态，并在应力-应变过程中消耗一部分能量。耗能减震技术是土木工程结构减震控制十分有效途径之一，它通过在结构中设置特定的耗能构件或装置将输入到结构中的地震能量耗散掉，以快速减小结构的地震反应，从而减小建筑结构的层间位移以达到在地震中保护建筑结构的目的。因此，将形状记忆合金应用到土木工程结构减震控制中具有很大的意义。故在此基础上本文提出了一种SMA螺旋弹簧耗能支撑，它由SMA螺旋弹簧和普通钢丝组成。这种新型耗能支撑装置制作安装简单易实现，不仅可以在工作过程中提供耗能能力，而且具有自复位能力。

本文首先采用热加工方法训练出用于耗能支撑的SMA螺旋弹簧。由于SMA螺旋弹簧在受外力作用时其力学特性不同于SMA丝，不可以简单地套用SMA丝的本构模型，因此开展多组SMA螺旋弹簧的拉伸试验对其力学性能进行研究分析，并在此基础上建立SMA螺旋弹簧力位移关系的模型。

为了研究SMA螺旋弹簧耗能支撑的减震效果，建立了一个装配有耗能支撑的二层钢框架数值仿真模型，模拟框架结构在地震作用下的反应。结果表明，本文所提出的SMA螺旋弹簧耗能支撑在不同的地震波作用下能够很好地耗散输入的地震能量，可以同时减小结构的位移和加速度响应，展现出优越的减震控制效果。与钢弹簧支撑相比，SMA螺旋弹簧耗能支撑在不同地震作用下都能够稳定发挥减震作用，能够提供更好的减震效果。考虑到其耗能能力和自复位能力，SMA螺旋弹簧耗能支撑在框架结构减振中具有很大的应用潜力。

关键词：形状记忆合金，SMA螺旋弹簧，耗能支撑，减震控制

Abstract

Energy dissipation technology is a kind of functional material. It can dissipate the seismic energy of the structure in the strong earthquake by setting specific non-load-bearing energy dissipation devices in the structure, and rapidly reduce the structural earthquake response, so as to protect the main structure in the strong earthquake. Shape memory alloy (SMA) is a kind of material with shape memory function. Its unique shape memory effect and superelasticity make it well be used in energy dissipation and vibration control. The application of shape memory alloy to the damping control of engineering structures can not only make full use of the unique properties of SMA materials to expand its application in damping control, but also provide new materials for shock absorption control. So on this basis, SMA helical spring energy dissipation brace is proposed in this paper, which consists of SMA helical spring and ordinary steel wire. It is simple and easy to manufacture and install the new energy dissipation brace. It not only provides energy dissipation, but also has the ability of self recovery due to the superior properties of SMA materials.

Firstly, the SMA helical spring used for energy dissipation brace is trained by hot working method. Since the mechanical properties of SMA helical spring are significantly different from those of SMA wire when it is subjected to external force, the constitutive model of SMA wire can not be simply applied. Therefore, the tensile tests of SMA helical spring are carried out for its mechanical properties. Based on the research and analysis, a model of the force-displacement relationship of SMA helical spring is established.

In order to study the energy dissipation effect of SMA helical spring brace, a numerical model of the two-story frame with the new energy dissipation brace is established to simulate the response of the frame subjected to an earthquake. As found,compared with the uncontrolled case, the SMA helical spring energy dissipation brace proposed in this paper can dissipate the input seismic energy well under different seismic waves, and it can also simultaneously reduce the displacement and acceleration response of the structure, which shows superior vibration control effect. Compared with the steel spring brace, the SMA helical spring energy dissipation brace can exert the shock absorption function under different earthquake and provide better vibration reduction effects. Considering its capabilities of energy dissipation as well as fully re-centering, the SMA helical spring energy dissipation brace has a great potential for frame structural vibration reduction.

Key words: shape memory alloy, SMA helical spring, energy dissipation brace, structural control

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1被动控制 1

1.1.2半主动控制 2

1.1.3主动控制 2

1.1.4 混合控制 3

1.2研究目的及意义 4

1.3国内外研究现状 5

1.4本文研究内容 6

第2章 SMA螺旋弹簧的力-位移关系模型的建立 7

2.1 SMA螺旋弹簧的制作 7

2.2 SMA螺旋弹簧拉伸试验 8

2.2.1 温度对SMA弹簧超弹性的影响 9

2.2.2 线径比对SMA弹簧超弹性的影响 10

2.3 SMA螺旋弹簧力位移关系模型的建立 11

第3章 SMA螺旋弹簧耗能支撑钢框架结构的数值仿真理论 13

3.1仿真模型的提出 13

3.2框架模型动力方程的建立与求解 13

3.3仿真模型动力学参数的确定 15

第4章 SMA螺旋弹簧耗能支撑钢框架结构的仿真分析 16

4.1数值仿真 16

4.1.1工况一 16

4.1.2工况二 16

4.1.3工况三 17

4.2减震效果分析 18

第5章 结论 22

参考文献 23

致谢 25

绪论

1.1研究背景

地震是由于地壳的运动而引起的一种突发性的自然灾害。地震对人类的生命财产带来了巨大的损失的同时，还对身体和精神造成了无法愈合的伤痛。据统计，2008 年中国四川汶川大地震共造成近7万人死亡，1.8万人失踪，3.7万人受伤。由于地震的不可预测的随机性和巨大的破坏性，所以做好震前的防震减震工作逐渐引起了人们的重视。

地震灾害具有以下特点（1）难以预测和突发性；（2）破坏范围大、区域性强；（3）具有续发性和多发性；（4）具有灾难性；（5）具有社会性；（6）地震救灾具有艰巨性。 在这种情况下，结构振动控制技术应运而生。自从20世纪初结构控制的方法被提出，70年代美国华裔科学家姚治平首先提出将结构控制运用到土木工程领域，并主要被应用于土木工程抗震。

一般来说，土木工程结构振动控制可以分为4类：被动控制、半主动控制、主动控制和混合控制。

1.1.1被动控制

被动控制是指在结构中安设被动控制装置后，不需要另外提供外部能源且不依靠结构反应的结构控制方法^【1】。地震发生后，通过安装在结构中的控制装置来耗散地震在结构中产生的巨大能量，从而保护结构的安全。由于其形式多种多样、构造相对简单、较为经济、方便安装维护等诸多优点，被动控制技术在国内外都得到了非常广泛的使用。

隔震有层间隔震和基础隔震两类。层间隔震顾名思义就是在建筑物中间的柱和楼板之间安设隔震装置。而基础隔震则是指在建筑物或构筑物的基础顶面安装隔震装置。层间隔震是直接通过装置隔离或消耗传入结构的地震能量，从而阻止或减少能量在结构中的传递。而基础隔震则是利用隔震装置阻止地震能量传递到上部结构，与此同时还能改变结构自身频率从而减小结构振动、保护主体结构。研究表明，基础隔震技术除了能应用于新建房屋外，还能用于已建成建筑的抗震加固；不仅能用于一般房屋，还能用于某些重要的结构物中。

调谐减震技术是指在建筑主体结构的特定部位设置子结构，改变结构的固有周期，避开振动时的共振区域，或是在主结构上施加与其运动方向相反的作用力，进而减小主体结构的振动反应。调谐减震技术的使用原理是通过某种方式将子结构的自振频率进行相应调整，让其尽可能地靠近主结构的基频，在主体结构发生振动的时候子结构也会随之振动，此时子结构产生的惯性力与主结构的振动方向相反，此惯性力作用到主结构上，使得主结构的振动响应得到相应的衰减。

耗能减震是指把耗能装置安设在结构的某些特定部位，在遇到强烈的地震作用时，所安装的耗能装置会首先进入非弹性状态，此时装置会耗散或吸收地震传入到结构中的大量能量，使得主体结构的振动反应得到控制，进而保护强震发生时主体结构及其构件的安全。

1.1.2半主动控制

半主动控制以被动控制为主，主动控制为辅，结合了两者的特点，施加部分外力或是改变结构的参数和工作状态。半主动控制与主动控制一样同样需要控制算法与结构反应的监测和反馈，然后再根据需要由半主动控制系统通过某种方式改变阻尼大小或结构的动力特性，从而减小结构响应^【3】。半主动控制同被动控制相比，可以调节其控制力；相较于主动控制，半主动控制需要输入的能量很小，因此更加便于实施且其造价要低得多，是现阶段拥有较高性价比、工程前景较好的一种控制方法。

目前，日本利用半主动控制技术建成的建筑已经有十多座。在国内，刘季等人^【4】研发出基于半主动控制技术的AVS装置；孙作玉等人研发了AVD装置。

1.1.3主动控制

主动控制需要通过外界来提供能量，在结构发生振动时利用外部能源对结构受到地震作用时输入的地震响应和结构反应进行监控反馈，然后按照给定的算法提供控制力或是通过自动控制系统改变结构的动力特性，来减小结构的地震反应。主动控制的系统包括三个部分，即传感器、运算器和作动器。其工作原理是首先利用传感器监控地震作用下结构的动力反应和输入的地震激励，然后将监测到的信息输入到运算器中，运算器会依据设定好的算法计算出应施加力的大小，最后通过作动器生成计算得出的控制力将其施加在结构上。

主动控制的控制效果很好，但由于昂贵的造价，对控制实施过程的精度要求较高，而且主动控制技术起步相对较晚，目前技术尚不成熟广泛应用仍需进一步研究。1990年，Soong等人^【2】首次利用主动控制技术进行了一系列的试验。在同年，日本东京利用AMD建成了第一座建筑。1999年东南大学程文瀼、李爱群教授等将主动控制装置安装在南京电视塔上来对结构进行减震。从众多研究中可以看出，主动控制在一般情况下其控制效果比被动控制要好，但与此同时也存在一些问题亟待解决。

1.1.4 混合控制

随着建筑结构发展的愈发复杂，单一的控制方法总是不能满足要求。混合控制就是利用主动控制或半主动控制来完善被动控制特性的一种方法。在一个结构中同时装配两种或两种以上的控制装置，吸收各种装置的优点，从而实现更好的减震效果。因此混合控制系统可以减小单独控制系统中所存在的缺陷，与此同时其可靠性也得到了明显的提升。

耗能减震是被动控制的其中一种类型。结构采用耗能减震技术的原理是当地震来临时安装在主结构中的耗能装置或构件率先发生作用进入非弹性状态，使得由地震传入结构的能量能够得到耗散，而主结构承受的地震作用也就随之减小，结构的振动反应可以得到有效控制从而达到保护主体结构的目的。

目前可应用的耗能减震装置种类多种多样，相对来讲现阶段应用较为广泛的阻尼器主要有金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器。

对于金属阻尼器，其形式也丰富多样，包括梁式耗能器、铅阻尼器、加劲耗能装置还有非常常见的屈曲耗能支撑等。1972年，美国的Kelly与Skinner最早提出将金属阻尼器安设在结构上吸收输入到结构中的地震能量。1976年，Robinson等人提出了铅挤压阻尼器。Whittaker等人研发出一种X形加劲耗能支撑装置并进行了大量的试验研究，之后中国的王亚勇等人针对Whittaker提出的加劲阻尼器（ADAS）进行一定的改进，将其称为制震板。在国内，周云在20世纪80年代进行了由弯曲钢构件组成的耗能支撑的实验研究。此后，周云等人又开发了包括屈曲约束支撑在内的多种金属阻尼器。

摩擦阻尼器的提出是受到了汽车刹车原理的启发。1980年，Paul等人提出了将摩擦阻尼器应用于结构的耗能减震，Paul等人发明了一种用于框架结构交叉支撑系统，且已经用于多项实际工程中。Aiken等人提出了一种Sumitomo摩擦耗能器。除此之外，加拿大的一栋民航大楼上曾安装了58个摩擦阻尼器。在国内，吴波等人将Paul型摩擦阻尼器进行改造后用于东北的政府大楼的抗震加固中。吴斌等人也利用摩擦阻尼器进行减震，将其安装到中学的教学楼和食堂结构中。

早在航空领域和机械工程中粘弹性阻尼器就得到了广泛的应用，而它在建筑结构领域中的应用要追溯到20世纪60年代，纽约世贸中心的双子塔中的每栋塔楼里都安设了大约一万个粘弹性阻尼器以控制结构的风振响应在1993年，粘弹性阻尼器被应用在美国Santa Clarn County Building的抗震加固改造中。除此之外还有法国的原子能反应性建筑，加利福尼亚州的一栋13层高的钢框架结构中。大量的实际工程表明，粘弹性阻尼器能够有效控制风和地震作用下的结构动力响应。

粘滞阻尼器在机械、航空及军事等领域的耗能减震中最早开始应用。随着减震技术的发展，粘滞阻尼器也渐渐运用到建筑结构的减震控制中。目前技术较为成熟的粘滞耗能器有粘滞阻尼墙和筒式流体耗能器。我国市场上的粘滞耗能器产品主要为筒式粘滞耗能器，而阻尼墙由于成本过高所以在我国的应用还较少。研究表明，粘滞阻尼器非常适用于多维震动和复杂结构，故其在一些超高层建筑尤其是钢结构中有着广泛的应用。

从以上阐述的各种耗能阻尼器的发展和应用可以看出，耗能减震结构由于其结构形式灵活、安全性高、性能稳定、成本较低等优点成为国内外建筑市场非常具有潜力的一种结构形式。

1.2研究目的及意义

状记忆合金是一种新型功能材料，它具有两大特殊的性质：形状记忆性和超弹性^[13]。这两种性质能使材料在一定的变形范围内恢复到原始状态，并且在应力-应变中消耗一部分能量。形状记忆合金在不同情况下，具有奥氏体和马氏体两种相。奥氏体相在高温低应力区稳定存在，马氏体相在低温高应力区稳定存在。两种相在温度和应力发生变化时会发生可逆转换，这就使形状记忆合金具有两种特殊的宏观力学特性，即形状记忆效应和超弹性效应。

形状记忆效应是指SMA材料经过加热可以使变形后的材料恢复原始形状的能力。超弹性是指当形状记忆合金材料处在比较高的环境温度时，对其施加应力使其产生较大变形，当应力释放后，SMA仍能回复到变形前的形状的现象。基于形状记忆合金的这两种特性，可以将其应用到结构震动装置中，这样既能利用其滞回耗能特性减小地震能量，也能将其产生的回复力用于装置的复位。随着高科技技术的不断发展和各种新型智能材料的相继开发，各学科的相互融合，将新型智能材料运用到减震控制中已成为一种新的发展方向，通过利用其特有的材料及力学特性从而达到耗能减震的效果，形状记忆合金是近年来在减震控制中有较好发展前景的智能材料。

综上所述，将形状记忆合金应用到减震控制中，将会极大的扩大其在工程领域里的应用。在采用耗能减震技术时，对耗能装置的要求比较高，必须保证耗能装置或材料的耐久性和长期性能稳定性，许多其它材料虽然也能够通过塑性变形耗散振动能量, 但形状记忆合金的塑性变形是通过材料组织变化发生的，一般情况下SMA材料内不会产生残余应变，所以SMA材料制作的耗能装置使用寿命长，并且变形结束后可以通过加热使其恢复初试状态。将两者结合起来既能发挥SMA材料的特有性能扩大其在减震控制中的应用，又能为减震控制提供可供选择的新型材料，以使其更加方便于工程应用。

1.3国内外研究现状

哈尔滨工业大学的黄兵民^[5]等将直径为3.2mm的镍钛合金丝材冷拔至1mm，然后进行热加工下以探讨它的超弹性性能。他们在热加工上得到的结论和吴波等相同，即400℃下保温30min可获得良好的超弹性，同时他们指出冷拔也对SMA丝的超弹性有很大的影响，增大冷拔量能提升SMA丝材的相变温度区间，增大材料的超弹性性能。

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