工程结构的SMA超弹性阻尼研究

　　优良的被动控制装置可以有效地改善和提高土木工程结构的性能,大幅度地减轻土木工程结构(包括建筑结构、高耸结构和桥梁结构等)在强风和地震作用下的反应,确保其在强振下的安全性和舒适性.工程上现有的一些减振装置在应用中体现出一些局限性[1],例如老化和耐久性,长期工作的可靠性,在强振后的更新和替换,力学性能依赖于温度以及在强振后无法恢复等问题.在土木工程领域,利用智能材料的独特性能开发和研制适于土木结构耗能减振阻尼器件和阻尼结构,已经成为研究的一个热点形状记忆合金(shape meomry alloy, SMA)的超弹性效应是一种特殊的滞回耗能性能,它与普通材料相比具有许多优点[2]:较好的抗腐蚀能力、抗疲劳效应,较大的可恢复应变(6%~8%)、在工程应用的温度和频率区间具有稳定的力学性能等等.根据这些特性可研制出性能良好的减振装置.《建设抗震设计规范》(GB50011—2001)首次以国家标准的形式对房屋消能减振(震)设计的这种新技术的设计要点做出了规定,而SMA消能减振技术也将被列入国家标准.

　　东南大学土木工程学院从2000年1月开始行工程结构SMA超弹性阻尼减振技术的系统研究.2000年1月进行了装有SMA拉索的框架振动控制试验[3],2001年11月进行了SMA耗能器和斜拉桥模型复合的振动控制实验[4].2002年3月初步完成了基于SMA的超弹性阻尼器的设计.本文分析了SMA超弹性阻尼减振技术的减振机理,介绍了国外对于SMA超弹性阻尼的最新研究成果,讨论温度、加载频率、循环次数及预变形等因素对SMA超弹性阻尼的影响,研究结果表明利用SMA的超弹性阻尼特性可以研制出性能良好的耗能减振装置,有效地改善和提高土木工程结构的性能.

　　1　SMA的超弹性阻尼

　　图1为SMA丝材在温度高于Af相变点时的超弹性应力应变关系曲线.加载到A点后,SMA奥氏体丝由于应力诱发马氏体相变,开始产生非弹性应变,进入超弹性平台,当变形到B点时几乎变成完全马氏体单晶.B点以后的变形是由马氏体的弹性变形引起的.卸载时,首先弹性恢复到D点,然后通过马氏体逆相变恢复到C点,最后通过母相(奥氏体相)的弹性应变恢复为零.卸载时产生逆相变的原因是因为在高于Af点温度时,只要没有应力作用,马氏体就处于完全不稳定状态.从图1可以看出,在一个加载循环中,SMA可以吸收相当多的能量,能量的大小与迟滞环的面积成正比.进一步研究表明,相变迟滞环的大小和形状与温度、初应变、加载频率、循环次数等因素密切相关,而且在一定加载卸载条件下,迟滞环中还会出现子环现象[5].研究这些因素对SMA材料超弹性阻尼的影响,以及SMA超弹性阻尼器的工程应用具有重要的意义.