新型形状记忆合金阻尼器的试验研究

　　1　前言

　　在地震或风作用下,结构物接受了大量的输入能量,从而引起结构物的振动反应(速度、加速度和位移)。当输入的能量大于结构耗散的能量时,结构物发生破坏。因此,人们采用各种控制措施使结构的变形尽力控制在弹性范围内,以保护结构的完整性。结构消能减振(震)技术就是把结构的某些非承重构件(如支撑、剪力墙、连接件等)设计成消能杆件,或在结构的某些部位(层间、节点、连接缝等)装设消能装置,在小风或小震时,这些消能构件(或消能装置)和结构本身具有足够的侧向刚度以满足使用要求,结构处于弹性状态;当出现大风或大震时,随着结构侧向变形的增大,结构构件或消能装置率先进入非弹性状态,产生较大阻尼,大量消耗输入结构的地震或风振能量,迅速衰减结构的振动反应,使主体结构避免出现明显的非弹性状态,保护主体结构及构件在强震或大风中免遭破坏[1]。

　　形状记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA)是一种具有形状记忆、超弹性和阻尼特性的新型功能材料。超弹性是指当材料温度超过马氏体逆相变终了温度Af(完全奥氏体状态)且加载应力超过弹性极限,即产生非弹性应变,应力除去后变形即行消失,应力应变关系表现出明显的非线性,且应力为零时应变也恢复到零,呈现出迟滞循环效应。形状记忆合金的超弹性效应是一种特殊的滞回耗能性能,它与普通材料相比有许多优点:较好的抗腐蚀能力、抗疲劳效应,较大的可恢复应变(达6%~8%),对温度不敏感(在Af相变点以上某一温度区间内保持比较稳定的超弹性平台),根据这些特性可研制出性能良好的耗能减振装置[2]。近些年来各国研究人员在SMA耗能减振方面进行了许多重要的理论和试验研究工作[3-6]。东南大学土木工程学院在国家自然科学基金项目的资助下,2001年6月初步完成了形状记忆合金超弹性阻尼器的研制工作,并于2001年11月将形状记忆合金阻尼器用于斜拉桥模型的振动控制实验。试验结果表明该阻尼器的耗能效果明显,在工程结构振动控制方面具有比较好的应用前景。

　　2　形状记忆合金的关键力学性能

　　由于NiTi合金具有良好的形状记忆效应、超弹性效应、滞后效应、阻尼特性、抗疲劳效应和很好的抗腐蚀能力,因而采用目前应用比较广泛的NiTi丝材作为SMA阻尼器的基本耗能元件。在阻尼器设计之前,对SMA材料的关键力学性能进行了试验研究。所使用的是深圳以太人公司提供的Ti-50.8at%Ni(Ni原子分数为50.8%)合金丝。所有的试验均参照相关的ASTM标准完成。

　　试验结果表明[7]所采用的形状记忆合金材料具有:

　　(1)较好的耐蚀性

　　研究表明,NiTi形状记忆合金的耐蚀性与纯钛、钴铬合金和316L不锈钢相当。NiTi合金在1%NaCl水溶液,0.05%盐酸中的腐蚀速率均小于6.8E-5mm/每年。