SMA阻尼器及相关被动控制结构的理论分析

发布时间：2017-11-27 08:20

  本文关键词：SMA阻尼器及相关被动控制结构的理论分析

  更多相关文章： 被动控制 SMA阻尼器 超弹性 Brinson本构 数学模型

【摘要】：在结构上安装耗能装置可以减少结构在地震等特殊荷载下的动力反应,通过耗能装置可以吸收全部或部分地震能量,从而降低主结构在地震作用下的响应,保证结构的安全。结构振动控制中被动控制因其构造简单,无需外部能源输入等优点在实际工程中得到了广泛的应用。形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)具有形状记忆效应、超弹性等特性,越来越多应用在土木工程结构振动控制中。目前已有学者利用SMA开发出多种被动控制阻尼器,本文针对课题组前期开发的自复位SMA阻尼器,分别采用基于材料本构和数学模型两种方法对阻尼器及相关被动控制结构进行理论分析,同时分析了在不同楼层位置安装阻尼器对结构振动控制效果的影响。具体工作如下:(1)采用基于材料本构的方法对SMA阻尼器的力学性能进行了数值模拟,并分析阻尼器参数变化对阻尼器耗能性能的影响。鉴于SMA阻尼器是位移驱动型阻尼器,首先针对课题组前期开发的阻尼器,建立阻尼器力与位移的平衡方程,输入位移激励求得SMA的应变,通过SMA的Brinson材料本构方程求解出丝组应力。在此基础上得到阻尼器力和位移的关系。考虑到SMA丝组长度、直径、预应变以及弹簧预应力等参数对阻尼器耗能性能有影响,设计了不同参数的阻尼器,并对这些阻尼器的力学性能进行数值模拟。分析了上述参数对单圈耗能量、等效切线刚度和等效阻尼比的影响。(2)首次在实验的基础上,采用数学模型对SMA阻尼器的力学性能进行了数值模拟。Bouc-Wen模型为无物理意义参数的数学方程,可以描述非线性迟滞系统的力与位移关系。针对实验基础上SMA阻尼器的滞回曲线,定义一组有物理意义的参数来描述此滞回曲线;分析Bouc-Wen模型中各参数对迟滞曲线的影响,确定数学模型中参数与上述阻尼器参数的关系;求得Bouc-Wen模型的参数,并在此基础上模拟阻尼器的力与位移的关系;对比试验结果,验证该方法的正确性。(3)采用基于材料本构和数学模型的方法对利用SMA阻尼器减震的钢框架性能进行分析。根据被动控制结构的动力方程,在层间剪切模型的计算模型的基础上,选取合理的地震激励,分别采用基于材料本构模型和基于数学模型两种方法来模拟控制力,进行被动控制结构的振动响应时程分析。针对底层安装SMA阻尼器的四层钢框架结构算例,采用上述两种方法对结构进行时程分析,模拟了在El-Centro波、Taft波和人工波作用下结构的振动响应,对比无控和两种模拟方法下有控结构的楼层位移、加速度峰值、最大层间位移角和楼层剪力,评价了阻尼器的减震效果。(4)分析在不同楼层位置处安装阻尼器对结构振动控制效果的影响,根据减震控制原则,确定目标函数和加权系数;制定不同楼层位置处设置阻尼器的减震方案,基于数学模型模拟不同减震方案下被动控制结构的振动响应,并求得目标函数;对比理论分析结果,确定阻尼器的最优布置。针对五层钢框架结构实例,提出安装单个阻尼器和两个阻尼器的结构布置方案,分析不同减震方案下结构的振动响应,根据目标函数,确定阻尼器的最优布置。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU352.1

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