结构工程硕士答辩

超弹性形状记忆合金阻尼器连接框架填充墙抗震性能理论研究李栖彤指导教师：任文杰教授第一章课题简介1.1研究意义钢筋混凝土框架-砌体填充墙结构是工程中普遍应用的一种建筑结构形式。填充墙作为非结构构件，通常不承担竖向重力荷载，但在地震荷载下，墙对框架的贡献主要取决于二者的连接方式，即：墙与框架的刚性连接、墙与柱脱开或柔性连接。近几年国内外大地震中填充墙框架结构均发生了不同程度的破坏，框架主体震害较轻，但填充墙普遍破坏严重。填充墙本身的破坏不仅影响建筑的使用功能，增加修复费用，严重时甚至危及生命安全或影响紧急疏散，以至于地震工程界往往将填充墙的破坏程度看作是结构使用功能正常发挥和地震下生命安全的判断依据。结构振动控制是结构抵御地震作用的有效方法，通常可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制，其中被动控制因其构造简单、造价低、易于维护且无需外部能源等优点引起了工程界广泛关注。在现有的阻尼材料中，形状记忆合金作为一类重要的功能材料，具有独特的形状记忆效应和超弹效应，可恢复应变大，耗能力及阻尼性好，高温下能保持较高的弹性模量，抗疲劳和耐腐蚀能力强，是实现结构被动控制的理想选择。1.2框架填充墙简介在目前的结构形式中框架填充墙结构是常见的一种，其具有结构平面布置灵活的优点。我国目前在工程设计中一般是忽略填充墙的作用的。普遍做法是单一的把填充墙体作为荷载作用到框架梁上。填充墙和框架的共同作用过程可以分为成以下几个阶段：（1）弹性阶段：填充墙和框架均处于弹性状态两者共同作用,填充墙与框架周边相接触的地方产生界面裂缝。（2）弹塑性阶段：随着侧向荷载的加大，界面裂缝也不断地扩展，填充墙和框架对角接触部分出现局部的破裂现象，墙面未出现贯穿的“X”型裂缝，此时,框架仍处于弹性工作状态，这时填充墙承担了大部分的侧向力；随着侧力继续加大，填充墙的中间部分出现微裂缝并发展成贯通的斜裂缝，框架柱也出现裂缝并开始扩大，此时，填充墙的抗侧能力达到极限值，整个结构呈弹塑性状态。（3）塑性阶段：框架填充墙结构达到承载能力极限状态时，框架梁柱形成明显的塑性铰，整个结构现出明显的塑性特点。1.3形状记忆合金的功能特性形状记忆合金材料的主要功能特性：形状记忆效应、超弹性和高阻尼性等。超弹性超弹性是指当SMA温度超过奥氏体相变完成温度Af，加载应力超过弹性极限，即产生非弹性应变后，持续加载将产生应力诱发的马氏体相变，但这种马氏体随着应力的消失而消失，即使不加热也会产生马氏体逆相变而恢复到原来的母相（奥氏体相）状态，应力作用下产生的宏观变形也将随着逆相变的进行而完全消失，如图1.1所示。图1.1超弹性示意图1.4本文研究内容•（1）对直径为0.8mm和2.1mm的两种超弹性SMA丝材进行力学试验，研究循环次数、加载速率和应变幅值对SMA力学性能参数(相变应力、耗能量、损耗因子、变形模量和残余应变)的影响，比较两种直径的SMA丝的各项力学指标。在试验基础上，建立SMA本构模型。•（2）提出超弹性SMA阻尼器连接框架填充墙的设计方案。包括：设计一种缠绕式超弹性SMA阻尼器，对其工作原理进行分析，并建立力学模型；提出超弹性SMA阻尼器连接框架填充墙的构造设计，分析工作原理，建立计算模型。•（3）分别以单自由度和多自由度框架填充墙结构为例，利用Matlab数学模拟软件计算不同地震输入下裸框架和SMA阻尼器连接框架填充墙的地震反应，证明所提出的装置不仅能一定程度上抑制框架主体的振动，而且保护填充墙的安全。第二章超弹性形状记忆合金力学性能研究2.1试验概况2.1.1试验试样NiTi形状记忆合金丝直径分别为0.8mm和2.10mm，试件的长度为200mm。两种材料的Af值均为6℃左右。2.1.2试验设备试验采用的试验机为SANS微机控制电子万能试验机，如图2.1所示。试件的轴向力由力传感器测试，其量程为5kN；轴向变形由引伸计测量，其标距为25mm。试验采取等位移加载，加载的停止条件是由引伸计的应变进行控制。试验结果由计算机自动采集，采样频率为每秒30点。图2.1试验装置2.1.3试验方案试验时对SMA丝进行单轴拉伸试验，考虑循环次数、加载速率和应变幅值的影响，室温25℃。具体工况如下：（1）SMA丝的等应变幅值循环拉伸测试：①直径0.8mm丝材：循环30次，应变幅值6%，加载速率为20mm/min。②直径2.1mm丝材：循环30次，应变幅值5.5%，加载速率为10mm/min。（2）SMA丝在不同环境因素下的拉伸试验：①直径0.8mm丝材：应变幅值依次为1%-2%-3%-4%-5%-5.5%，加载速率分别为3mm/min-10mm/min-20mm/min-30mm/min-60mm/min。②直径2.1mm丝材：应变幅值依次为1%-2%-3%-4%-5%-5.5%，加载速率分别为3mm/min-10mm/min-30mm/min-60mm/min。两种直径丝材在测试前均经历拉伸循环30次已达到性能稳定。2.2试验结果与分析0.000.010.020.030.040.050.060.070100200300400500600700应力(Mpa)应变(mm)20mm/min(a)0510152025300246810121416耗能循环次数d=0.8mm20mm/min(b)①循环次数对超弹性SMA丝力学性能的影响图2.2(a)是直径为0.8mm的SMA丝在循环试验30圈时的滞回曲线。2.2.1直径为0.8mm的超弹性SMA丝的力学性能0510152025300.0000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0140.0160.0180.0200.0220.0240.0260.0280.0300.0320.034损耗因子循环次数d=0.8mm20mm/min(c)图2.2循环次数对SMA力学性能的影响②应变幅值和加载速率对超弹性SMA力学性能的影响图2.3(a)-(e)分别是不同应变幅值和加载速率下SMA丝的应力-应变曲线。应变幅值分别为1%-2%-3%-4%-5%-5.5%。图2.3(f)是应变幅值为5%时不同加载速率下的滞回曲线图形。0.000.010.020.030.040.050.060100200300400500600应力(Mpa)应变3mm/min0.000.010.020.030.040.050.060100200300400500600应力(Mpa)应变10mm/min0.000.010.020.030.040.050.060100200300400500600应力(Mpa)应变20mm/min(a)(b)(c)0.000.010.020.030.040.050.060100200300400500600应力(Mpa)应变30mm/min0.000.010.020.030.040.050.060100200300400500600应力(Mpa)应变60mm/min0.000.010.020.030.040.050.060100200300400500600应力(Mpa)应变(mm)3mm/min10mm/min20mm/min30mm/min60mm/min5%(d)(e)(f)图2.3d=0.8mm的SMA丝在不同加载速率下的滞回特性图2.4是直径为0.8mm的SMA丝当应变幅值为4%时，在不同加载速度下耗能及损耗因子的图形。3mm/min10mm/min30mm/min60mm/min0.00.51.01.52.02.53.03.54.0耗能加载速率d=0.8应变0.043mm/min10mm/min30mm/min60mm/min0.0000.0050.0100.015损耗因子加载速率d=0.8应变0.04（a）(b)图2.4不同加载速率对SMA丝耗能情况对比图2.5给出了不同加载速率情况下应变幅值对损耗因子的影响。0.00.10.20.30.40.50.60.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030损耗因子应变幅值3mm/min20mm/min30mm/min60mm/min图2.5耗能—应变幅值曲线2.2.2直径为2.1mm的超弹性SMA丝的力学性能①循环次数对超弹性SMA丝力学性能的影响直径为2.1mm的SMA丝与直径为0.8mm的SMA丝在循环时的力学性能相似，但没有表现出明显的屈服平台。循环的滞回曲线如图2.6所示：0.000.010.020.030.040.050.060100200300400500600应力(Mpa)应变(mm)10mm/min05101520253001234567891011耗能循环次数stress应力10mm/min0510152025300.000.010.020.030.040.05损耗因子循环次数d=2.1mm10mm/min图2.6循环次数对SMA力学性能的影响②应变幅值和加载速率对超弹性SMA力学性能的影响0.000.010.020.030.040.05050100150200250300350400450应力(Mpa)应变3mm/min0.000.010.020.030.040.050100200300400500应变(Mpa)应变20mm/min(a)(b)0.000.010.020.030.040.050.060100200300400500600应力(Mpa)应变30mm/min0.000.010.020.030.040.050.060100200300400500600应力(Mpa)应变60mm/min0.000.010.020.030.040.050100200300400500600应力(Mpa)应变(mm)3mm/min20mm/min30mm/min60mm/min5%(c)(d)(e)图2.7d=2.1mm的SMA丝在不同加载速率下的滞回曲线图2.8是直径为2.1mm的SMA丝，当应变幅值为4%时，在不同加载速度下耗能及损耗因子的图形。3mm/min10mm/min30mm/min60mm/min0.00.51.01.52.02.53.03.54.0耗能加载速率d=2.1mm应变0.043mm/min10mm/min30mm/min60mm/min0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030损耗因子加载速率d=2.1mm应变0.04(a)(b)图2.8不同加载速率对SMA丝耗能情况对比图2.9描绘了SMA丝材在不同加载速度下，应变幅值对损耗因子的影响。0.000.010.020.030.040.050.060.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.035损耗因子应变3mm/min10mm/min30mm/min60mm/min图2.9损耗因子—应变幅值曲线2.3.3两种不同直径SMA丝力学性能比较①循环次数对不同直径的超弹性SMA丝力学性能的影响图2.10(a)中直径为0.8mm的超弹性SMA丝的耗能量明显大于直径为2.1mm的SMA丝的耗能量。但是随着循环次数的增加，耗能量相差大小逐渐缩小。图2.10(b)表明直径为2.1mm的超弹性SMA丝的损耗因子明显比直径为0.8mm的SMA丝要大，这就说明，大直径的SMA丝的耗能能力要强于小直径的SMA丝。0510152025300246810121416耗能循环次数d=0.8mmd=2.1mm0510152025300.0000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0140.0160.0180.0200.0220.0240.0260.0280.0300.0320.0340.0360.038损耗因子循环次数d=0.8mmd=2.1mm（a）（b）图2.9不同直径的SMA耗能及损耗因子的对比②应变幅值和加载速率对不同直径的超弹性SMA丝力学性能的影响图2.10显示在加载速率为3mm/min、应变幅值依次为相同的1%、2%、3%、4%、5%时，不同直径的SMA丝的耗能和损耗因子与应变的关系。0.000.010.