基于形状记忆合金的自复位钢连梁研究

发布时间：2020-07-23 00:26

【摘要】：连梁是偏心支撑框架和联肢剪力墙等抗震结构之中的耗能梁段,在地震中通过产生塑性变形来消散能量,但是塑性变形在震后无法恢复,使得结构震后修复困难。鉴于此,学界提出了自复位连梁的概念。在自复位连梁中,钢连梁本身在地震时不发生塑性变形,而是通过嵌入专门的耗能与自复位元件提供一定耗能能力,同时提供恢复力使结构恢复到接近初始的状态。其中,基于超弹性形状记忆合金(SMA)的自复位钢连梁是最新提出一种自复位连梁体系。本文提出了两种基于SMA自复位连梁体系,建立了理论分析模型,推导了荷载-变形关系,为此类自复位连梁体系的理论计算与设计提供了基本模型与方法。本文开展了 SMA棒材性试验的研究,分析了热处理参数、加载速率、应变幅值、循环次数及加工加热顺序等参数对SMA棒的应力-应变曲线、单位体积循环耗能、等效阻尼比(EVD)、残余应变、正向相变应力、弹性模量(EA)等力学性能的影响。试验结果表明:直径为14mm的狗棒状SMA棒试件,经过350℃C持续30分钟的热处理,然后用清水淬冷,其应力-应变曲线较为饱满,耗能较好,相变台阶明显,最大可恢复应变达到5%以上,力学性能稳定。根据试验结果,拟合得到了可供数值分析采用的SMA简化应力-应变模型。本文利用通用有限元软件分别对SMA棒本构模型和基于SMA的自复位钢连梁进行了有限元模拟分析。模拟结果表明:在循环荷载作用下,基于SMA的自复位钢连梁体系除了 SMA棒出现屈服外,其余构件都处于弹性范围内,超弹性的SMA棒可以使钢连梁回复到初始位置,并且能够提供一定的耗能能力。本文对两种基于SMA的自复位钢连梁进行了伪静力试验研究,试验主要分析了自复位能力、滞回耗能能力、刚度、承载力、变形能力、破坏模式、SMA棒的应变历程、钢连梁的应变分布规律等,并与有限元模拟结果进行了对比,主要比较两者的变形形状以及力-开口角曲线之间的差异,最后分析产生差异的原因。结果表明:基于SMA的自复位钢连梁在循环荷载作用下,当荷载卸载为零时,开口角恢复到闭合状态,自复位效果较好;同时由于连梁中的SMA棒仍旧存在一定的残余变形从而造成预应力松弛,使得体系的初始刚度无法完全恢复到加载前的状态,因此在应用基于SMA自复位钢连梁体系时,需要在震后再次预紧SMA拉杆以保证结构的初始刚度。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU391;TG139.6
【图文】：

奥氏体,马氏体,超弹性,试件

图１．１邋ＮｉＴｉ合金力学性能与温度关系图逡逑超弹性性能是指试件的温度高于々时，材料处于奥氏体稳定状态，马氏体处于不稳态，在此温度下，应力可以诱发马氏体发生相变。奥氏体仅仅在零应力状态下是稳定的。逡逑试件保持在高温环境中，如果试件被加载，材料将从奥氏体进入单变体马氏体，而当时，材料又将逆相变从单变体马氏体进入奥氏体，最后稳定在零应力状态。在整个加过程之中，没有永久残余应变存在，应力应变曲线是一个封闭的滞回环。和普通金属的弹性变形不同的是，形状记忆合金的可回复应变较大，而且应力应变关系呈现非线性钛合金的超弹性可随着热处理条件的变化而改变。逡逑形状记忆效应是指试件的温度低于Ｍｓ时，材料处于多变体马氏体状态，马氏体仅零应力状态下是稳定的。当试件保持在低温环境中，如果试件被加载，材料将从多变氏体进入单变体马氏体，典型的应力应变曲线如下图所示。当荷载去除后，材料将恢性应变，但是将存在非弹性残余变形。然而当材料的温度加热至々以上时，材料的非残余变形将得以恢复，温度诱发马氏体进入奥氏体。最后一旦冷却，奥氏体将再次相

连梁,构造形式

２．１连梁的分类逡逑基于ＳＭＡ的自复位钢连梁由钢连梁与ＳＭＡ连接拉杆组成。根据ＳＭＡ拉杆连接方式逡逑的不同可以分为Ｉ型和ＩＩ型连梁，如下图２－１所示。逡逑梁外梁逦梁外梁逡逑／／／－端板逦酬板广＼逦／邋ｙｆ－ｍｍ．逦锚固逡逑＇ＩＩ邋／邋＼｛］邋／ＳＭＡ螺栓逦／」｜邋＼｜邋．邋］［．．．／邋ｌｆ７邋／ＳＭＡ螺栓逦／逡逑逦１逦／邋ＴＴ＾逦＂邋．／逦，邋＂逦邋逦邋１逦／邋ＩＩ邋Ｎ邋Ｔ邋■逦，邋／逦｜邋——逡逑ｃ邋邋邋＇邋■逦）逦ｃ＇＝＝逦１邋３＞逦Ｃ邋■逦＂邋＝＂：＝＝：■逦１逦■邋３＞逡逑逦１逦ｌ－＾ｚ：逦＝３逦Ｉ逦逦＝逦１＝逦１逦＝逦ｃ＝逡逑Ｃ＾＝逦六连梁逦＝＝＝Ｓ＂逡逑Ｐ＝３ｂ＞逦＾邋＾逦逦－Ｆ—ｉ邋＾３１逡逑逦５逦Ｚ邋逦邋逦邋５逦Ｚ邋逦逡逑ｊ．逦？逦ｊ．逦；逦逦逦？逦１逡逑（ａ）邋Ｉ型连梁逦（ｂ）邋ＩＩ型连梁逡逑图２．１连梁的构造形式逡逑其中，Ｉ型自复位钢连梁体系的ＳＭＡ拉杆分开布置于连梁两端，ＳＭＡ拉杆的一端锚逡逑固在连梁的锚固板上，另一端锚固在梁外梁的锚固板上，类似于传统的拉杆连接。而ＩＩ型逡逑连梁的连接拉杆由ＳＭＡ棒与高强度钢棒姐合而成，组合拉杆贯穿整个连梁，并且都锚固逡逑于梁外梁的锚固板上。逡逑通过进一步的研究可以发现，ＩＩ型连梁对ＳＭＡ材料的利用率高于Ｉ型连梁，这是因逡逑为Ｉ型连梁出现开口角时，在ＳＭＡ拉杆布置高度相同的情况下，由于连梁开口角方向的逡逑不同

受力图,连梁,开角,开口角

需要的幵性要求。本次实验以连梁与梁外梁之间的开口角达到０．０８度为基准，计算出需逡逑要达到０．０８度开角所需要的ＳＭＡ杆长度，并根据连梁的长度ｅ和ＳＭＡ拉杆的工作长度＆逡逑设计两种不同构造形式的连梁，连梁与梁外梁之间产生开角后如下图２．３所示，连梁的受逡逑力图如下图２．４所示。逡逑（ａ）邋Ｉ型连梁逦（ｂ）邋ＩＩ型连梁逡逑图２．３产生开角后的连梁逡逑＼逦逡逑Ａ邋ｖ逡逑土：二—逦—逦ｄｃ邋Ｃ逦Ｔ逡逑匡＝Ｈ邋Ｋｐ－１邋ｖ逡逑／邋Ｍ逦／邋NB逡逑ｙｊｃｍａｘ逡逑逦ｅ／２逦逡逑图２．４连梁受力图逡逑如上图２．４所示，给定一个开口角对于丨型连梁，则ＳＭＡ拉杆的应变计算如下逡逑１０逡逑

【参考文献】