形状记忆合金混凝土梁柱节点抗震性能研究

发布时间：2020-07-21 22:18

【摘要】：中国是地震多发国家,在建筑行业中对结构的抗震性能要求极高。钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式之一,作为框架结构中重要组成部分,梁柱节点的抗震性能研究成为学者们研究热点及重点。形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)具有优异的形状记忆效应、超弹性、耐腐蚀、高阻尼、高电阻等特性。其中SMA的超弹性效应具有突出的滞回耗能及自恢复特性,可以使结构滞回耗能并且在荷载卸载时不产生残余变形或者较小的变形。这种具有自恢复及消能特性在结构防灾减灾领域中具有广泛的应用远景。以多层、高层框架结构为背景,在框架结构梁柱节点中配置纵向超弹性SMA筋并进行自恢复性能研究。采用理论分析、试验验证和数值模拟相结合的方法,旨在提出一种超弹性SMA混凝土梁柱节点,并建立一种以自恢复性能为主的抗震分析方法。主要研究内容包括:(1)建立SMA-Steel-Concrete三种材料本构关系,并完成程序编写。在Boyd和Lagoudas模型的基础上,建立SMA本构关系模型;将钢筋材料和混凝土材料的两种本构关系模型写入程序中;三种材料对应的应力应变关系计算简明,结果准确。(2)通过拟静力试验方法研究铁基合金梁柱节点自恢复性能。设计并制作了四组钢筋混凝土梁柱中节点试件,其中一个是普通钢筋混凝土梁柱节点,另外三个为铁基合金作为梁纵筋的梁柱中节点。试验部分详细介绍了梁柱节点试验的设计概况、加载制度、试验过程、观察到各个试验节点试件的破坏现象,分析并总结了 SMA配筋率和节点配箍率对试件的极限承载力、平衡点残余变形比以及平衡点自恢复力比和强度退化等抗震性能的影响规律。(3)利用ABAQUS软件进行了铁基合金梁柱节点有限元分析。将超弹性SMA埋入混凝土梁柱节点中,并以同尺寸、同配筋率的普通混凝土梁柱节点为参照物,通过在柱顶施加恒定竖向压力、在梁端采用拟静力加载,进行节点有限元数值计算,分析试件的力与位移曲线的耗能特点、极限承载能力、自恢复残余变形比及平衡点恢复力比等抗震性能。(4)利用ABAQUS软件进行镍钛(Ni-Ti)合金梁柱节点自修复性能的数值分析。为了研究不同SMA材料对节点抗震性能的影响,分析了不同预应变和配筋率对梁柱节点力与位移曲线、骨架曲线的影响,在此基础上分析平衡点残余变形比和自恢复力比的变化规律。试验结果和有限元分析结果均表明:超弹性SMA梁柱节点相比普通梁柱节点具有更好的自恢复性能,而且随着SMA配筋率的增大梁柱节点残余变形减小、平衡点处的自恢复力比明显减小及自恢复性能显著提高。
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU398.9;TU352.11
【图文】：

形状记忆效应

界条件作用下（加热或通电激励）使材料的温度高于奥氏体相变温度，材料便可以自身恢逡逑复部分变形或者全部恢复１３１Ｌ这种恢复变形能力可以高达８％左右。ＳＭＡ的形状记忆效应逡逑如图２．１所示。逡逑ａ逡逑Ｔ＜Ｍｊ逡逑孪氏马氏体逦NB逡逑0？逦Ｌ逦ｉ逦＞邋Ｅ逡逑加热恢复初始变形逦卸载后残余变形逡逑图２．１邋ＳＭＡ的形状记忆效应逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｓｈａｐｅ邋ｍｅｍｏｒｙ邋ｅｆｆｅｃｔ邋ｏｆ邋ｓｈａｐｅ邋ｍｅｍｏｒｙ邋ａｌｌｏｙ逡逑

超弹性,应力应变曲线

定的马氏体相变，从而发生显著的塑性变形。在产生这种大变形以后，此时卸掉外力作用，逡逑一般金属材料便产生了不可逆变形，而ＳＭＡ则发生相变转化，从而恢复大部分变形或者逡逑全部。由图２．２可以看到ＳＭＡ超弹性效应具有特殊的滞回特性，这一特性可以使结构在不逡逑产生较大的残余变形情况下消耗大量的能量。利用ＳＭＡ的超弹性可以用来设计阻尼器消逡逑耗结构在震动中产生的能量，而提高其抗震能力［３２］．当然这一特性还处在研宄应用阶段，逡逑因为这一特性承受很多因素的影响，因此在应用之前都需要对材料进行处理。逡逑Ｏ邋Ｍ逡逑马氏体正相变逡逑Ｚ逦＾逦＿载后无逡逑／逦ｙ邋／残余变形逡逑NB马氏体逆相变逡逑０邋逦＞￡逡逑图２．２邋ＳＭＡ超弹性应力应变曲线逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋ＳＭＡ邋ｓｕｐｅｒ－ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ｓｔｒａｉｎ邋ｃｕｒｖｅ逡逑ＳＭＡ除了以上两种特性之外，还具有高阻尼特性、较好的延展性、耐腐蚀性、抗疲劳逡逑性能等良好的特点。ＳＭＡ相比大多数金属材料而言，它的弹性模量并不会随着温度的升高逡逑而有太大的变化｜３３］，因此即便在严酷的天气或者遭遇高温环境下ＳＭＡ也可以较好的保持逡逑稳定性。即便ＳＭＡ展示了很多普通金属材料不具备的优点，但也有很多的缺点，限制其逡逑在实际工程中的广泛应用。比如，ＳＭＡ的形状记忆效应需要外界条件的激发才能发挥其作逡逑用

配筋图,试件尺寸,试件,梁柱中节点

３．４．１试件设计逡逑试件选取的原则是能较真实地反映实际工程中梁柱节点的受力情况，本文选取了多层、逡逑高层框架结构中反弯点之间的梁柱节点作为试验试件。图３．１（ａ）所示为框架结构变形曲线逡逑及试件选取位置，图３．１（ｂ）为梁柱中节点边界受力情况。逡逑馨■屮逡逑＼逦＼逦＼逦＼—逦ｖ＿４逡逑！ｍ邋ｉｍ逦！ｍ邋ｉｍ逦，Ｔ逡逑Ｎ逡逑（ａ）框架结构变形曲线逦（ｂ）中柱节点边界受力逡逑图３．１试件的选取逡逑Ｆｉｇ邋３．１邋Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ逡逑关于试件设计，由于试验材料ＳＭＡ价格昂贵和试验条件的限制，本文按普通框架结逡逑构的梁柱中节点按比例１：２进行缩尺。设计两种类型的梁柱节点，一种为普通混凝土梁柱逡逑中节点试件，另一种为埋有铁基合金的ＳＭＡ梁柱中节点试件。总共设计了邋４组试件，４逡逑个试件编号分别是ＸＪＤ－１、ＳＪＤ－１、ＳＪＤ－２和ＳＪＤ－３，设计试件的轴压比均为０．３．其中，ＸＪＤ－１逡逑中梁位置的几何尺寸为７７０ｍｍＸ１２０ｍｍＸ２４０ｍｍ邋（长Ｘ宽Ｘ高），梁纵筋采用对称配筋，逡逑其顶部和底部均配置受力纵筋４根ＨＲＢ４００①１０

【参考文献】