基于形状记忆合金超弹性阻尼器的结构振动控制和地震时程分析

　　形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)是一种兼具感知和驱动的机敏材料,其最独特的特性是形状记忆效应(SME).1962年,美国海军军械研究所发现了NiTi合金中的形状记忆效应,开创了“形状记忆”的实用阶段.它的另一特性是超弹性效应,这是一种特殊的滞回耗能性能.根据这些特性可研制出性能良好的结构振动控制装置.Rogers等[1]提出使用SMA对复合材料结构进行振动控制,Graesser和Cozzarelli[2]把SMA作为可能的新型隔震材料进行了研究,其后采用SMA进行结构振动控制的理论与实验研究,并取得了不少进展[1~5].韩玉林等[6]回顾了1999年以来基于SMA的结构振动控制的研究现状.

　　1　SMA丝超弹性耗能原理分析

　　1·1　SMA丝的耗能原理

　　NiTi SMA不仅具有较好的耗能性能,而且具有很好的耐腐蚀、抗疲劳性能,因此,实验采用Ti-55·2%Ni (Ni原子数分数为55·2%)合金丝制作阻尼器,SMA丝的直径为0·75 mm.图1[7]给出了353K时SMA丝的应力应变关系曲线,曲线反映了SMA丝的超弹性效应.从图中可以看出,当加载时,应力应变关系沿曲线o-a-b-c-d-e变化;若在e点卸载,应力应变关系沿曲线e-f-g-h-i-o变化;若在c点卸载,应力应变关系沿曲线c-g-h-i-o变化;若从c点开始卸载,到达h点后开始加载,SMA丝应力应变关系将沿曲线c-g-h-b-c变化.当SMA丝安装在结构上,并在结构振动下变形,则曲线c-g-h-b-c代表一SMA丝的轴向振动周期,曲线c-g-h-b-c所包围的面积值即为SMA丝所耗的能量.

　　1·2　阻尼性能与SMA丝预应变的关系

　　结构振动时,安装在结构中的阻尼器通常既要承受拉伸载荷,也要承受压缩载荷.而SMA丝仅能承受拉伸载荷,所以如果不经处理而直接使用SMA丝,则SMA丝将仅能在结构振动过程的一半时间里耗能.为了提高SMA丝超弹性阻尼器的耗能能力,本文设计的SMA超弹性阻尼器中的SMA丝将有适当的预应变.

　　假定图2(a)表示安装在结构中的无预应变的SMA丝的变形应力应变曲线,则图2(b)表示有预应变的SMA丝的变形应力应变曲线.根据图2可得到下列结论:

　　1)无预应变时,SMA丝仅在结构振动每一周的一半时间内耗能.而在合适的预应变ε0下,SMA丝可以在结构振动的整个周期内都耗能.从图2可以看出,当预变形至合适量时,SMA丝耗能能力可以是无预变形时的SMA丝的2倍多.所以,设定预应变ε0是重要和有效的.

　　2)设定ε0时,要保证SMA丝在结构振动后半周期也耗能,同时必须保证SMA丝不会拉断.

　　2　安装SMA超弹性阻尼器的框架结构振动控制实验

　　2.1　框架结构和SMA超弹性阻尼器

　　实验采用的钢制框架结构为2层,高2 m,长1m,宽0·25m,如图3所示,框架上安放4个均为20kg的质量块, 8个SMA超弹性阻尼器被交叉安装在框架每一层的对角线位置.