新型材料—形狀記憶合金阻尼器SMA的減振技術(shù)和工程應(yīng)用

1、摘要形狀記憶合金是一種在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景的智能材料。本文介紹形狀記憶合金最顯著的兩個(gè)性質(zhì)：狀記憶效應(yīng)和超彈性，并詳細(xì)的總結(jié)了形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用。關(guān)鍵字：形狀記憶合金；減振；應(yīng)用ABSTRACTThe shape memory alloy is an intelligent material，which has a goodprospect in the field of structural vibration controlThis thesis introduces that the shape memory alloy has two very impor

2、tant characteristics：shape memory effect and super elastic，and an overview of SMA applications in structuralvibration control are summarizedKEYWORDS：Shape memory alloy； Damping；Application1 前言 形狀記憶合金(Shape Memory Alloys,簡稱SMAs)是一種具有多種特殊力學(xué)性能的新型功能材料,利用形狀記憶合金超彈性效應(yīng)(Superelastic Effect,簡稱SE)設(shè)計(jì)的被動(dòng)耗能器與其他的金

3、屬耗能器相比,具有耐久性和耐腐蝕性能好、使用期限長、允許大變形并且變形可回復(fù)等一系列優(yōu)點(diǎn),因此在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景1-4。 形狀記憶合金被設(shè)計(jì)成耗能器用于土木工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制是從上世紀(jì)90年代初開始的,并且到目前為止,大多數(shù)研究主要針對(duì)形狀記憶合金的超彈性性能展開。例如,Graesser5等人提出的用于橋梁結(jié)構(gòu)的2 形狀記憶合金的發(fā)展歷程形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)早在1932年就被美國學(xué)者Olander在AuCd合金中發(fā)現(xiàn)了，在1948年蘇聯(lián)學(xué)者庫爾久莫夫等曾預(yù)測到有一部分具有馬氏體相變的合金會(huì)出現(xiàn)熱彈性馬氏體相變，在1951年張祿經(jīng)和T.A.Read報(bào)道了原子比為1:1的C

4、sCI型AuCd合金在熱循環(huán)中會(huì)反復(fù)出現(xiàn)可逆相變，但是都未引起人們足夠的注意。形狀記憶合金作為一種新型功能新材料為人們所認(rèn)識(shí)，并成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科分支是始于1963年，當(dāng)時(shí)美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室的W.J.Buehler博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在一次偶然的情況下發(fā)現(xiàn)Ni-Ti合金的工作性能因溫度不同，敲擊時(shí)發(fā)出的聲音也有明顯不同的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象說明該合金的聲阻尼性能與溫度有關(guān)，通過進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)近等原子比的Ni-Ti合金具有良好的形狀記憶效應(yīng)(shape memory effect，簡稱SME)，并且報(bào)道了通過X射線衍射等試驗(yàn)的研究結(jié)果。以后Ni-Ti合金作為商品進(jìn)入市場給近等原子比的Ni-Ti合金商品

5、取名為Nitinol。70年代初,又發(fā)現(xiàn)Cu-Al-Ni合金也具有良好的形狀記憶效應(yīng)，到1975年左右，相繼開發(fā)出具有形狀記憶效應(yīng)的合金達(dá)20種。并在1975年在加拿大多倫多大學(xué)召開了國際上第一次形狀記憶效應(yīng)及其應(yīng)用研討會(huì)，從此與形狀記憶合金有關(guān)的相變和力學(xué)行為的研究一直是國際馬氏體相變會(huì)議及新材料會(huì)議的重要議題之一。1975年至l 980年左右，對(duì)形狀記憶合會(huì)的形狀記憶效應(yīng)機(jī)制、以及和形狀記憶效應(yīng)密切相關(guān)的相變偽彈性效應(yīng)，或叫超彈性、擬彈性機(jī)制展開了世界性規(guī)模的研究，研究中發(fā)現(xiàn)的雙程形狀記憶效應(yīng)、全方位形狀記憶效應(yīng)、R相變等現(xiàn)象,為形狀記憶合會(huì)的應(yīng)用開拓了更廣闊的前景。80年代初，經(jīng)歷了將近

6、20年的時(shí)間，科學(xué)研究工作者們終于突破了Ni-Ti合金金研究中的難點(diǎn)，研究和建立了形狀記憶合金本構(gòu)關(guān)系，成為當(dāng)時(shí)形狀記憶合金的標(biāo)志性學(xué)術(shù)成果。從那以后，形狀記憶合金成了許多國家的熱門學(xué)科。不僅如此，形狀記憶合金在市場上付諸實(shí)際應(yīng)用的例子已逾上百種，應(yīng)用涉及的領(lǐng)域及其廣泛,包括電子、機(jī)械、宇航、運(yùn)輸、建筑、化學(xué)、醫(yī)療、能源、家電、以及日常生活用品等。從此以后，形狀記憶合金引起了人們廣泛的重視并進(jìn)行研究，從而使形狀記憶合金材料的研究與開發(fā)應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。尤其是近年來，隨著智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究的迅速發(fā)展和崛起，人們又將形狀記憶合金材料的應(yīng)用推向了更廣泛的研究領(lǐng)域，使得形狀記憶合會(huì)逐漸成為智

7、能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究中不可缺少的一種功能性傳感和驅(qū)動(dòng)材料，從而在智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的應(yīng)用研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。3形狀記憶合金的基本性能形狀記憶合金是指在外界溫度等環(huán)境因素變化的條件下可以改變自身形狀并具有可逆變化的一類金屬材料。通俗地說，就是一種對(duì)形狀具有記憶能力（即形狀記憶效應(yīng)）的合金金屬。形狀記憶合金(SMA)作為一種功能性材料，它集感知和驅(qū)動(dòng)為一體，輸入熱量即可以對(duì)外做功，因此被作為一種重要的智能材料而應(yīng)用于當(dāng)前迅速發(fā)展的智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究中。形狀記憶合金最顯著的特征就是形狀記憶效應(yīng)和超彈性。此外，它還具有高阻尼、高回復(fù)力和感知與驅(qū)動(dòng)等特性。這些特性與合金的熱彈性馬氏體相變緊密相

8、關(guān)。形狀記憶合金所呈現(xiàn)的特征主要與四個(gè)相變的特征溫度有關(guān)：馬氏體相變開始溫度Ms及結(jié)束溫度Mf、奧氏體相變開始溫度As及結(jié)束溫度Af,如圖1所示。圖1 馬氏體相變的特征溫度圖3.1形狀記憶效應(yīng)一般金屬材料受到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達(dá)到屈服后，產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)外力撤除后就會(huì)留下永久變形。而形狀記憶合金(SMA)材料，在產(chǎn)生塑性變形以后，若加熱升溫到某一確定溫度后，能夠恢復(fù)到受力前的形狀，它是SMA最顯著的特性。形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)是在馬氏體相變中發(fā)現(xiàn)的，通常把馬氏體相變中的高溫相叫做母相或奧氏體相，低溫相叫做馬氏體相，從母相到馬氏體相的相變叫做馬氏體正相變，或叫馬氏體相變，從馬氏體

9、相到母相的相變叫做馬氏體逆相變。形狀記憶效應(yīng)是指具有熱彈性馬氏體相變的材料能記憶它在高溫奧氏體下的形狀。當(dāng)環(huán)境溫度T<Af時(shí)，在外應(yīng)力作用下，產(chǎn)生了一定的殘余變形，但在加熱到Af以上，殘余應(yīng)變消失，材料能恢復(fù)到加載前的形狀和體積。形狀記憶效應(yīng)主要是由于熱誘發(fā)馬氏體相變而引起的。圖2給出了處于馬氏體狀態(tài)下的形狀記憶合金和普通金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，從曲線可以看出，一般金屬所產(chǎn)生的塑性變形在應(yīng)力消除后，留下了永久變形，而形狀記憶合金在發(fā)生塑性變形后經(jīng)過加熱到Af溫度之上，殘余應(yīng)變完全消失。a) 普通金屬材料 b)形狀記憶合金圖2 形狀記憶合金與普通金屬拉伸曲線對(duì)比形狀記憶效應(yīng)由于它的熱彈性馬

10、氏體相變特性，只要溫度下降到馬氏體相變溫度點(diǎn)(Ms)，馬氏體晶核就會(huì)生成，并且急速長到能觀察到一定大小，隨著溫度的進(jìn)一步下降，已生成的馬氏體會(huì)繼續(xù)長大，同時(shí)還可有新的馬氏體形成并長大。溫度下降到Mf點(diǎn)，馬氏體長到最大，再繼續(xù)冷卻，馬氏體不再長大。反之，當(dāng)試樣處于全部馬氏體狀態(tài)后加熱，溫度上升到奧氏體相變開始溫度點(diǎn)(As)后，馬氏體開始收縮，加熱到Af溫度點(diǎn)，還處于可以觀察到的大小的馬氏體突然完全消失。在馬氏體隨著溫度的變化而發(fā)生馬氏體大小和量的變化時(shí)，宏觀上則表現(xiàn)為形狀記憶合金(SMA)的形狀變化。3.2超彈性性質(zhì)形狀記憶合金(SMA)材料的相變超彈性是指在產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的形狀記憶合金中

11、，當(dāng)溫度TAf且加載應(yīng)力超過彈性極限，即產(chǎn)生非彈性應(yīng)變后，繼續(xù)加載將產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變，并且這種相變產(chǎn)生的馬氏體只有在應(yīng)力作用下才能穩(wěn)定地存在。應(yīng)力一旦解除，即使不加熱也會(huì)立即產(chǎn)生逆相變而回到原來的母相狀態(tài)，應(yīng)力作用下產(chǎn)生的宏觀變形也將隨著逆相變的發(fā)生和進(jìn)行而完全消失，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系表現(xiàn)出明顯的非線性特征，并且應(yīng)力為零時(shí)應(yīng)變也會(huì)恢復(fù)到零，這一特性被稱為相變偽彈性或相變超彈效應(yīng)。超彈性效應(yīng)主要是由于應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的不穩(wěn)定而引起的。圖3為簡化的形狀記憶合金(SMA)超彈性相變模型圖。由圖可看到理想的形狀記憶合金(SMA)超彈性相變過程：B點(diǎn)以前的變形是由母相的彈性變形引起的，并且對(duì)應(yīng)于

12、B點(diǎn)，試樣中將開始出現(xiàn)應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體，即合金內(nèi)穩(wěn)定的奧氏體相在應(yīng)力的作用下開始向馬氏體相轉(zhuǎn)變；從B點(diǎn)到C點(diǎn)的應(yīng)變?cè)隽渴怯捎趹?yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變所致，即由于在相變過程中合金的彈性模量大大降低，就好像發(fā)生了塑性屈服一樣，隨著奧氏體相不斷地向馬氏體轉(zhuǎn)變，其應(yīng)力一應(yīng)變曲線出現(xiàn)了應(yīng)力平臺(tái)；而在C點(diǎn)，試樣中的奧氏體幾乎已經(jīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體單晶，所以從C點(diǎn)到D點(diǎn)的變形原則上是由馬氏體相的彈性變形所引起的。卸載時(shí)，試樣受到的應(yīng)變首先是彈性恢復(fù)到E點(diǎn)，然后再通過馬氏體逆相變恢復(fù)到A點(diǎn)附近，最后通過母相的彈性應(yīng)變恢復(fù)為零。卸載時(shí)產(chǎn)生逆相變的主要原因是因?yàn)樵诟哂贏f點(diǎn)溫度時(shí)，只要應(yīng)力在改變(減小)，馬氏體就會(huì)處于

13、完全不穩(wěn)定的狀態(tài)。這樣，在一個(gè)加載與卸載的循環(huán)中，應(yīng)力一應(yīng)變曲線將形成一個(gè)完整的遲滯環(huán)，表明了形狀記憶合會(huì)材料可以提供優(yōu)越的耗能性能。圖3 簡化的SMA超彈性本構(gòu)關(guān)系實(shí)際上，形狀記憶合金(SMA)的相變偽彈性效應(yīng)與形狀記憶效應(yīng)在本質(zhì)上是同一個(gè)現(xiàn)象，區(qū)別僅僅在于相變偽彈性是在應(yīng)力解除時(shí)產(chǎn)生的馬氏體逆相變使材料恢復(fù)到母相狀態(tài)。因此，能夠產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的大部分合金事實(shí)上都具有形狀記憶效應(yīng)和相變偽彈性性能。4.形狀記憶合金超彈性的應(yīng)用 相變超彈性效應(yīng)也是形狀記憶合金材料的一個(gè)重要特性，但該效應(yīng)只能在Af以上的某一溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)。若材料的溫度或環(huán)境溫度在此范圍之外，則其性能將受到一定程度的影響，因

14、此應(yīng)用該效應(yīng)時(shí)對(duì)環(huán)境溫度或材料的溫度有一定的要求。目前，相變偽彈性效應(yīng)在土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用研究主要表現(xiàn)為：(1)將常溫下為奧氏體狀態(tài)的形狀記憶合金與隔震裝置相結(jié)合，一方面在地震過程中利用形狀記憶合金的超彈性滯回能耗散地震能量，另一方面當(dāng)裝置在地震作用后產(chǎn)生殘留變形時(shí)，利用形狀記憶合金超彈性性能產(chǎn)生的恢復(fù)力，使隔震裝置復(fù)位。(2)將常溫下為奧氏體狀態(tài)的形狀記憶合金制成各種耗能器，并與結(jié)構(gòu)的有限離散點(diǎn)連接。當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，利用形狀記憶合金的超彈性滯回耗能，耗散結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量，降低結(jié)構(gòu)反應(yīng)。(3)使用一個(gè)簡單的恒溫控制器將奧氏體狀態(tài)下的形狀記憶合金的溫度控制在某一特定的溫度上并使其產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)變，這

15、樣就可以更加準(zhǔn)確地利用形狀記憶合金的相變偽彈性性能吸收和耗散地震能量，而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的更加有效和準(zhǔn)確的控制。(4)將常溫下為奧氏體狀態(tài)的形狀記憶合金與結(jié)構(gòu)的離散點(diǎn)相聯(lián)接，當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，利用形狀記憶合金的完全超彈性性能(初始剛度大，第二剛度小)，使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率在變形稍大時(shí)迅速減小，避開共振，降低結(jié)構(gòu)反應(yīng)。(5)由于形狀記憶合金有超彈性性能、相變滯后性能，其應(yīng)力一應(yīng)變曲線形成滯回環(huán)，說明此過程吸收了大量的能量，因此可以利用形狀記憶合金制成被動(dòng)耗能器。形狀記憶合金耗能器一般安裝在結(jié)構(gòu)的層間，使之感受層間變形，以達(dá)到消耗能量的目的。試驗(yàn)表明，在安裝形狀記憶合金耗能器后，近一半的地震可以被耗能器

16、吸收，結(jié)構(gòu)的位移得到了明顯的控制。(6)在常溫下將形狀記憶合金絲預(yù)加載至彈性極限附近，然后隨同其他建筑材料一同植入基材內(nèi)。這樣，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，形狀記憶合金絲就可以吸收和消耗大量的地震能量，減小或抑制建筑物的地震相應(yīng)，其效果也十分顯著。5.形狀記憶合金的本構(gòu)模型15.1 Tanaka模型（1） 本構(gòu)模型 SMA的一維本構(gòu)方程如下 （1）式中 、分別表示初始應(yīng)力和某一狀態(tài)的應(yīng)力；、分別表示初始應(yīng)力和某一狀態(tài)的應(yīng)變；、分別表示初始溫度和某一狀態(tài)的溫度；、分別表示馬氏體相變初始體積數(shù)和某一狀態(tài)的相變體積數(shù)；材料的彈性模量 （2）、分別表示奧氏體、馬氏體下的彈性模量；熱系數(shù)；最大相變應(yīng)變；相變系數(shù)， （

17、3）（2） 相變方程在本構(gòu)方程中，反映材料相變變化的內(nèi)變量是非常重要的參數(shù)，其值通過相變動(dòng)力學(xué)方程確定：當(dāng)發(fā)生馬氏體相變時(shí)，即：奧氏體相A馬氏體相M轉(zhuǎn)變時(shí) （4）當(dāng)發(fā)生奧氏體相變時(shí)，即：馬氏體相M奧氏體相A轉(zhuǎn)變時(shí) （5） （6） （7） （8） （9）式中 、分別為奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的應(yīng)力與溫度等效轉(zhuǎn)換系數(shù)；、分別為馬氏體相變開始溫度和結(jié)束溫度；、分別為奧氏體相變開始溫度和結(jié)束溫度；5.2 Liang and Rogers模型（1） 本構(gòu)方程本構(gòu)方程同Tanaka模型的本構(gòu)方程式。（2） 相變方程Liang 和 Rogers對(duì)Tanaka模型進(jìn)行了改進(jìn)，主要體現(xiàn)在馬氏體相

18、變動(dòng)力學(xué)方程，提出內(nèi)變量（馬氏體相變體積分?jǐn)?shù)）和溫度、應(yīng)力之間呈余弦關(guān)系，相變方程采用余弦函數(shù)。同時(shí)還考慮了內(nèi)變量在發(fā)生馬氏體相變和奧氏體相變時(shí)初始條件的影響：當(dāng)發(fā)生馬氏體相變時(shí)，即：奧氏體相A馬氏體相M轉(zhuǎn)變時(shí) （10）當(dāng)發(fā)生奧氏體相變時(shí)，即：馬氏體相M奧氏體相A轉(zhuǎn)變時(shí) （11） （12） （13） （14） （15）式中 、分別為AM和MA的初始相變體積數(shù)；其他符號(hào)同前。5.3 Brinson模型（1） 本構(gòu)模型在Tanaka和Liang等提出的本構(gòu)模型中，不能解決低溫時(shí)馬氏體相的重取向問題，針對(duì)這一不足，Brinson把馬氏體相變體積數(shù)分成兩部分，其中一部分為溫度變化誘發(fā)的馬氏體相變數(shù)，另

19、一部分則由應(yīng)力變化誘發(fā)的馬氏體相變數(shù)。其本構(gòu)方程為 （16） （17）式中 應(yīng)力變化誘發(fā)的馬氏體相變數(shù)；溫度變化誘發(fā)的馬氏體相變數(shù)。（2） 相變方程 在材料處于超彈性狀態(tài)下(),確定式中內(nèi)變量()的相變方程如下：當(dāng)發(fā)生馬氏體相變時(shí)，即：奧氏體相A馬氏體相M轉(zhuǎn)變時(shí) （18） （19）當(dāng)發(fā)生奧氏體相變時(shí)，即：馬氏體相M奧氏體相A轉(zhuǎn)變時(shí) （20） （21） （22）式中 、分別為馬氏體相變開始和結(jié)束應(yīng)力；下標(biāo)為0的參數(shù)為初始狀態(tài)，其他參數(shù)同前。5.4簡化的本構(gòu)模型 根據(jù)SMA處于彈性狀態(tài)時(shí)應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變變化規(guī)律將SMA本構(gòu)模型進(jìn)一步簡化。簡化后的超彈性SMA的本構(gòu)關(guān)系曲線如圖所示。（1） 本構(gòu)方

20、程由于SMA在超彈性狀態(tài)下工作,其相變應(yīng)變遠(yuǎn)大于熱膨脹引起的應(yīng)變，故可忽略熱應(yīng)變的影響，此時(shí)，SMA的本構(gòu)方程為 （23）式中材料的彈性模量，在相變過程中，相變應(yīng)變?yōu)榧虞d時(shí) （24）卸載時(shí) （25）、分別表示馬氏體、奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的最大相變應(yīng)變，它們之間的關(guān)系為 （26）式中 馬氏體相變開始應(yīng)力；馬氏體相變結(jié)束應(yīng)力；奧氏體相變開始應(yīng)力；奧氏體相變結(jié)束應(yīng)力其值分別為 （27） （28） （29） （30）若、小于零，則取等于零。馬氏體相變開始應(yīng)變；馬氏體相變結(jié)束應(yīng)變；奧氏體相變開始應(yīng)變；奧氏體相變結(jié)束應(yīng)變。 （31） （32） （33） （34）式中 環(huán)境溫度；、分別為SMA的材料常數(shù)。（2） 相

21、變方程本構(gòu)方程中的內(nèi)變量為反映馬氏體相變變化規(guī)律的相變體積數(shù)，其值應(yīng)根據(jù)熱力學(xué)定律而得到相應(yīng)的相變方程來確定，一般較為復(fù)雜。為簡化計(jì)算，本文根據(jù)SMA的超彈性相變特性的分析，可表示如下：在直線OAB段（奧氏體狀態(tài)） 在直線DCE段（馬氏體狀態(tài)） 在直線BC段（奧氏體狀態(tài)向馬氏體轉(zhuǎn)變狀態(tài)） 在直線EA段（馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變狀態(tài)） 6.兩種新型SMA被動(dòng)耗能器及其工作原理 在目前國內(nèi)生產(chǎn)的NiTi產(chǎn)品中,絲材是最常見的產(chǎn)品形式,而且絲材的性能比較穩(wěn)定。針對(duì)這種情況,本文利用形狀記憶合金絲的超彈性特性,研制了兩種新型被動(dòng)耗能器,分別稱為拉伸型SMA耗能器和剪刀型SMA耗能器,安裝在結(jié)構(gòu)層間使NiTi

22、絲隨結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生拉伸彈塑性變形,消耗結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動(dòng)能量,從而減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。兩種耗能器的構(gòu)造分別如圖2和圖3所示。上述兩種耗能器的特點(diǎn)是通過耗能器的設(shè)計(jì)使得其中的NiTi絲在隨結(jié)構(gòu)振動(dòng)過程中始終處于拉伸狀態(tài),避免失穩(wěn)屈服,該耗能器中NiTi絲的拉伸變形與結(jié)構(gòu)層間變形相等或是結(jié)構(gòu)層間變形的若干倍。以下分別詳細(xì)介紹兩種耗能器及其工作原理。6.1 拉伸型SMA耗能器構(gòu)造及工作原理 圖4所示為拉伸型SMA耗能器的示意圖,由圖中可以看出: (1)該耗能器由一根NiTi絲、一塊T形鋼板、兩塊可動(dòng)鋼擋板、四塊固定擋板組成,其中T形鋼板上方通過焊接斜撐與結(jié)構(gòu)相連。 (2)T形鋼板左右兩端有兩塊垂直放置

23、的可動(dòng)擋板,NiTi絲縱向穿過T形鋼板及兩端的可動(dòng)擋板并在板的另一側(cè)用夾具錨固,這樣,可動(dòng)擋板通過NiTi絲的連接緊緊頂在T形鋼板的左右兩端。 (3)在T形鋼板的前后兩側(cè)還各有兩塊固定擋板,該固定擋板固定在結(jié)構(gòu)本層樓板上,其具體位置見圖4,圖中畫斜線的部分為固定擋板。 (4)該耗能器的工作原理為:T形鋼板通過斜撐與本層框架頂部相連,當(dāng)結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生層間變形時(shí),T形鋼板的水平移動(dòng)與結(jié)構(gòu)的層間位移相等(忽略斜撐變形)。當(dāng)T形鋼板隨結(jié)構(gòu)振動(dòng)向左移動(dòng)時(shí),帶動(dòng)左端的可動(dòng)擋板一起向左運(yùn)動(dòng),而此時(shí),右端的可動(dòng)擋板被固定擋板擋住,不能向左運(yùn)動(dòng),因此T形鋼板前后兩側(cè)的NiTi絲被拉伸,卸載時(shí),NiTi絲的

24、超彈性特性使其與可動(dòng)擋板和“T”型鋼板一起返回起始位置。同理,當(dāng)T形鋼板隨結(jié)構(gòu)振動(dòng)向右移動(dòng)時(shí),帶動(dòng)右端的可動(dòng)擋板一起向右運(yùn)動(dòng),由于左端的可動(dòng)擋板被固定擋板擋住,不能向右運(yùn)動(dòng),因此NiTi絲又被拉伸。上述過程隨結(jié)構(gòu)的振動(dòng)過程周而復(fù)始,NiTi絲被反復(fù)拉伸,通過SMA的超彈性滯回環(huán)耗散結(jié)構(gòu)所遭受的地震的能量,減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)。該種耗能器給結(jié)構(gòu)附加的恢復(fù)力模型如圖5(a)所示。圖中所示參數(shù)fyh、fph、fzh分別表示耗能器中所有NiTi絲的屈服力、極限力以及滯回環(huán)結(jié)束的卸載力總和,他們分別為該耗能器在不同階段向結(jié)構(gòu)提供的控制力,而$yh、$ph、$zh則分別表示耗能器中NiTi絲的屈服位移、極限位移和

25、滯回環(huán)結(jié)束的卸載位移,在該種耗能器中,耗能器的變形與結(jié)構(gòu)的層間位移保持一致。圖中kh1、kh2分別表示該種耗能器在初始階段及NiTi絲屈服后給結(jié)構(gòu)附加的剛度。 圖4拉伸型SMA耗能器 (a) (b) 圖5兩種耗能器滯回模型6.2 剪刀型SMA耗能器及工作原理 圖4所示為剪刀型SMA耗能器的示意圖,從圖中可以看出: (1)該耗能器由兩塊可移動(dòng)擋板、兩塊固定擋板、固定轉(zhuǎn)軸、一根或多根NiTi絲及一塊與結(jié)構(gòu)斜撐相連的活動(dòng)鋼板組成。 (2)該種耗能器的工作原理類似一把“剪刀”。兩塊可動(dòng)擋板通過固定轉(zhuǎn)軸聯(lián)結(jié),組成兩個(gè)“剪刀臂”。在固定轉(zhuǎn)軸的一側(cè),兩個(gè)“剪刀臂”由一根NiTi絲聯(lián)結(jié),而在固定轉(zhuǎn)軸的另一側(cè),

26、兩個(gè)“剪刀柄”緊緊夾在一塊與結(jié)構(gòu)斜撐相連的活動(dòng)鋼板兩側(cè)。根據(jù)減震要求,“剪刀臂”與“剪刀柄”的長度之比取為LB1(L>1)。 (3)兩個(gè)“剪刀臂”內(nèi)側(cè)分別安裝一塊固定擋板,以阻止其向耗能裝置內(nèi)側(cè)移動(dòng)。 (4)該種耗能器的工作原理為:活動(dòng)鋼板通過斜撐與本層框架頂部相連,當(dāng)結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生振動(dòng)時(shí),活動(dòng)鋼板隨結(jié)構(gòu)斜撐一起水平移動(dòng)并與結(jié)構(gòu)層間變形相等(忽略斜撐變形)。當(dāng)活動(dòng)鋼板隨結(jié)構(gòu)向左振動(dòng),則帶動(dòng)左側(cè)的“剪刀柄”一起向左移動(dòng),同時(shí)帶動(dòng)了右側(cè)“剪刀臂”向右移動(dòng),而此時(shí),左側(cè)“剪刀臂”被固定擋板擋住,同時(shí)右側(cè)“剪刀柄”也固定不動(dòng);因此固定在“剪刀臂”一側(cè)的NiTi絲產(chǎn)生拉伸變形。由于“剪刀臂”

27、的設(shè)計(jì)長度取為“剪刀柄”長度的L倍,此時(shí)右側(cè)“剪刀臂”向右移動(dòng)的距離恰為結(jié)構(gòu)層間變形的L倍,亦即此時(shí)NiTi絲的伸長變形為結(jié)構(gòu)層間位移的L倍。當(dāng)結(jié)構(gòu)隨地震作用向右振動(dòng)時(shí),NiTi絲的伸長變形自動(dòng)回復(fù)并重復(fù)上述工作過程。 (5)該種耗能器的優(yōu)點(diǎn)為:NiTi絲的伸長變形是結(jié)構(gòu)層間位移的若干倍(大于1),因此,當(dāng)結(jié)構(gòu)層間位移較小時(shí),仍能保證NiTi絲有較大的變形量,從而充分發(fā)揮NiTi絲的大變形能力,消耗更多的地震能量,實(shí)現(xiàn)較好的減振效果。此外,利用杠桿原理,該種耗能器為結(jié)構(gòu)提供的控制力是NiTi絲拉力的L倍,從而在結(jié)構(gòu)上安裝較少的合金絲也能達(dá)到較好的控制效果,并使耗能器的設(shè)計(jì)更方便。 (6)該種耗

28、能器向結(jié)構(gòu)提供的控制力的滯回模型如圖5(b)所示。 圖6剪力型SMA耗能器7.形狀記憶合金在建筑結(jié)構(gòu)抗震方面的應(yīng)用前景形狀記憶合會(huì)因其獨(dú)特而優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)使得其研究與應(yīng)用發(fā)展十分迅速。由形狀記憶合金制作的器件和系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空航天、儀器儀表、自動(dòng)控制、能源、機(jī)器人、醫(yī)學(xué)和土木工程等領(lǐng)域。在土木工程結(jié)構(gòu)控制領(lǐng)域中研制的形狀記憶合金(SMA)振動(dòng)控制裝置主要有兩類：一類是形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動(dòng)器，一類則是形狀記憶合金(SMA)被動(dòng)阻尼器。前者利用形狀記憶合金(SMA)的形狀記憶效應(yīng)，形狀記憶合金(SMA)材料一般處于拉伸狀態(tài)；后者利用形狀記憶合金(SMA)的超彈性特性，

29、形狀記憶合金(SMA)材料可以處于拉伸狀態(tài)，也可以處于剪切狀態(tài)。Graesser和Gozzarellls用形狀記憶合金(SMA)的超彈性提出了自復(fù)位形狀記憶合金(SMA)隔震體系，并研究了形狀記憶合金(SMA)隔震器的力學(xué)模型。結(jié)構(gòu)隔震計(jì)算表明，形狀記憶合金(SMA)隔震器比橡膠隔震墊的隔震效果更好。witting和cozzarelh進(jìn)行了棒型形狀記憶合金(SMA)阻尼器控制框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的試驗(yàn)，并與粘彈性阻尼器的減震效果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，該耗能器可有效地減小模型結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的反應(yīng)，但其減震效果略低于粘彈性阻尼器。Higashino等研制了預(yù)拉伸絲超彈性形狀記憶合金(SMA)阻尼

30、器，制作了四個(gè)參數(shù)各不相同的這種形狀記憶合金(SMA)阻尼器，并從加載頻率、溫度等方面進(jìn)行了性能試驗(yàn)，對(duì)一裝有這種形狀記憶合金(SMA)阻尼器的六層框架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。耗能器安裝在結(jié)構(gòu)層間，控制結(jié)構(gòu)層間變形，從而達(dá)到消耗地震能量的目的。王社良3等提出了利用形狀記憶合金(SMA)獨(dú)特的超彈性性能被動(dòng)控制建筑結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的力學(xué)分析和計(jì)算模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中的形狀記憶合金(SMA)拉索被動(dòng)控制方案把預(yù)應(yīng)力的概念和形狀記憶合金材料的相變偽彈性性能結(jié)合起來，通過在工作前對(duì)所有形狀記憶合金(SMA)拉索進(jìn)行合理的預(yù)拉以避免拉索在結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)過程中出現(xiàn)壓屈松弛現(xiàn)象。通過對(duì)一個(gè)三層框架有控結(jié)構(gòu)與無控

31、結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行分析，檢驗(yàn)了形狀記憶合會(huì)(SMA)被動(dòng)拉索的控制效果，探討了其控制機(jī)理和規(guī)律。研究結(jié)果表明，形狀記憶合會(huì)(SMA)被動(dòng)拉索可以有效地減小和抑制結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，并且提出拉索的初始工作長度和工作溫度對(duì)控制效果影響明顯，應(yīng)進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)計(jì)。韓玉林等介紹了形狀記憶合金的一種本構(gòu)關(guān)系，討論了形狀記憶合會(huì)(SMA)耗能器的工作原理，設(shè)計(jì)和制造了一種用于框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的形狀記憶臺(tái)會(huì)(SMA)耗能器，并將該種耗能器安裝在兩層框架結(jié)構(gòu)模型上進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)。結(jié)果表明其耗能效果明顯，并可以顯著改變框架結(jié)構(gòu)的固有頻率。Adaehi和unjoh用形狀記憶合金(SMA)的形狀記憶效應(yīng)、超彈性效應(yīng)和高

32、阻尼特性，設(shè)計(jì)了一種形狀記憶合會(huì)(SMA)板彈簧阻尼器用于橋梁結(jié)構(gòu)的隔震，研究表明，該阻尼器常溫下處于馬氏體狀態(tài)的形狀記憶合金形狀記憶合金(SMA)阻尼器不僅能耗能，而且在振動(dòng)結(jié)束后能利用形狀記憶合金(SMA)的形狀記憶效應(yīng)使橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)位。Reginald ocsRoches提出了用“智能”限位器形狀記憶合金(SMA)限位器來取代傳統(tǒng)的限位器，以提高橋梁抗震性能，減小橋梁結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)害，形狀記憶合金(SMA)限位器設(shè)置在多框架橋梁的中間伸縮縫處，形狀記憶合會(huì)(SMA)限位器有如下三種作用：1) 限制框架之問的相對(duì)位移，防止在伸縮縫處框架移位引起落梁的發(fā)生；2) 減小框架之間的橋梁碰撞造成的梁體

33、損壞；3) 把破壞和能量耗散集中在形狀記憶合會(huì)(SMA)限位器上從而可以降低多框架橋梁中對(duì)單榻框架的要求。分析研究表明，形狀記憶臺(tái)會(huì)(SMA)限位器作為一種被動(dòng)阻尼器，能有效的減小框架之間的相對(duì)位移，減少梁體的碰撞破壞，而且能夠適應(yīng)更廣泛的地面運(yùn)動(dòng)和橋梁類型。Higasino和Aizawa等利用形狀記憶合余(SMA)的超彈性效應(yīng)制成耗能器，并研究了這種被動(dòng)式耗能器的減震性能。對(duì)一個(gè)安裝了這種耗能器的6層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了減震試驗(yàn)，耗能器安裝在結(jié)構(gòu)層間，用以感受層間變形。試驗(yàn)結(jié)果表明，該耗能器性能良好，對(duì)外界溫度適應(yīng)性也好，結(jié)構(gòu)位移得到了明顯控制，結(jié)構(gòu)柱子的水平剪力明顯減小但加速度有時(shí)會(huì)被放大。Atta

34、nasio，F(xiàn)aravelli和Marioni利用形狀記憶合金(SMA)的良好的阻尼特性制成耗能器，用于橋梁的隔震。形狀記憶合金(SMA)耗能器工作時(shí)發(fā)生塑性變形，耗散振動(dòng)能量。振動(dòng)結(jié)束后，可以加熱形狀記憶合金(SMA)，利用形狀記憶合金(SMA)的回復(fù)力使橋梁復(fù)位。wilde，Gardoni和Fuiin。因從理論和試驗(yàn)兩方面研究了形狀記憶合金(SMA)用作基礎(chǔ)隔震阻尼裝霞的可行性，并利用形狀記憶合會(huì)(SMA)的超彈性效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種由疊層橡膠支座和形狀記憶臺(tái)金(SMA)阻尼器組成的智能隔震系統(tǒng)，利用形狀記憶臺(tái)會(huì)(SMA)在不同應(yīng)變下反應(yīng)的不同來控制在不同激勵(lì)下橡膠支座的位移。通過一個(gè)3層框架的試驗(yàn)，比較了形狀記憶合金(SMA)智能基礎(chǔ)隔震、疊層橡膠支座隔震、鉛芯疊層橡膠支座隔震和無隔震時(shí)的地震響應(yīng)。Wilde和zheng等基于形狀記憶合會(huì)(SMA)的超彈性效應(yīng)，對(duì)一個(gè)形狀記憶合金(SMA)桿進(jìn)行了拉壓和彎曲試驗(yàn)，比較了兩種不同熱處理后的形狀記憶合會(huì)(SMA)桿在不同大小循環(huán)荷載下的試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明，一種形狀記憶合金(SMA)桿(熱處理：400C6005+wQ)的彎曲殘余位移比另一種形狀記憶臺(tái)金(SMA)桿(熱處理：400C 1 8005+wQ)小，且滯回曲線更穩(wěn)定。從形狀記憶合金(SMA)材料的發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在為止，由于材料技術(shù)和加工技術(shù)等方面的原因，形狀記憶合