SMA-橡膠支座隔震的研究進(jìn)展

1、論文題目：SMA-橡膠支座隔震的研究進(jìn)展指導(dǎo)老師：李愛群姓 名：俎相杰學(xué) 號：130930 日 期：2014.5.12SMA-橡膠支座隔震的研究進(jìn)展摘要：SMA-橡膠支座由于其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性等性能，具有良好的隔震耗能效應(yīng)，得到了廣泛的關(guān)注和研究。本文簡要梳理了國內(nèi)外SMA-橡膠支座的研究現(xiàn)狀，并指出了目前研究中存在的問題和解決方法。關(guān)鍵字：SMA-橡膠支座；研究現(xiàn)狀；關(guān)鍵問題Research progress of SMA- rubber bearing isolationAbstract: SMA- rubber bearing has good performance of i

2、solation and energy dissipation due to its unique shape memory effect and super elastic properties, so that this new kind of rubber bearing gets the extensive concern and has been researched a lot. This paper briefly reviews the domestic and foreign research status of SMA- rubber bearing, and points

3、 out the current problems and solutions.Keywords: SMA-rubber bearing; research status; key problems0 引言理論研究和工程實踐表明，結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)能顯著提高房屋建筑的抗震防災(zāi)性能。隔震作為主要的結(jié)構(gòu)振動控制措施之一，可顯著改善工程結(jié)構(gòu)的抗震安全性，同時能夠較好地維持地震災(zāi)害中結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部設(shè)備的正常使用功能，因此受到了國內(nèi)外研究和設(shè)計機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注1。隔震結(jié)構(gòu)通過隔震層的集中大變形和所提供的阻尼將地震能量隔離或耗散，地震能量不能向上部結(jié)構(gòu)全部傳輸，因而上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)大大減小，振動減輕，結(jié)構(gòu)破壞

4、減輕甚至不產(chǎn)生破壞2。支座隔震技術(shù)是一種常用的結(jié)構(gòu)減震手段。目前在工程隔震領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的隔震支座主要是通過增加結(jié)構(gòu)的柔性，提高結(jié)構(gòu)周期來達(dá)到隔震的目的。但是由于橡膠本身阻尼小耗能不足，會造成由于隔震層變形較大所導(dǎo)致的支座失穩(wěn)，所以它必須與其它阻尼器一起配合使用才能取得較好的隔震效果；鉛芯橡膠支座除利用疊層橡膠增加結(jié)構(gòu)的柔性外還可利用鉛剪切擠壓塑變機(jī)制耗能，耗能能力較強(qiáng)。但是鉛芯塑性變形后無法恢復(fù)自身原有形狀，從而大為降低了該型橡膠支座的自恢復(fù)能力。形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，縮寫為SMA）是一種新型功能材料和智能材料。與普通金屬材料相比，它具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)、超

5、彈性效應(yīng)等特性3。SMA的超彈性效應(yīng)指的是當(dāng)材料溫度超過馬氏體逆相變終了溫度Af（完全奧氏體）時，恒溫拉伸奧氏體SMA，且加載卸載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形成一個完整的滯回環(huán)，且卸載后的殘余應(yīng)變?yōu)榱恪Ｓ纱丝梢钥闯鯯MA不僅在應(yīng)力去除后應(yīng)變能完全消失，而且能夠提供較好的耗能效果。由于SMA的超彈性實際上是由于合金內(nèi)母相（奧氏體相）-馬氏體相和馬氏體相-母相（奧氏體相）之間發(fā)生相變而形成的，因此對材料沒有損傷，且抗腐蝕性能好，可制作不同類型的隔震和耗能裝置4-6?；谶@些優(yōu)異的性能，國內(nèi)外學(xué)者開始將SMA材料用于新型被動控制和主動控制裝置的理論研究和應(yīng)用。1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀霍永忠和Ho

6、ffimann（1996）7將SMA（NiTi）絲埋入石墨環(huán)氧樹脂板，通過控制SMA絲的溫度來控制復(fù)合材料薄板的振動，研究了預(yù)拉伸SMA絲對復(fù)合材料板的主動振動控制，試驗結(jié)果表明這種方法可以取得較好效果。王吉軍、崔立山、楊大智等（1997）8以SMA為驅(qū)動器，利用SMA（NiTi）絲形狀記憶效應(yīng)，加熱SMA絲產(chǎn)生回復(fù)力，改變高分子梁的剛度，達(dá)到控制振動的目的。陳健和林萍華（1999）9對SMA的超彈性效應(yīng)進(jìn)行研究，得出埋入SMA絲式阻尼器的復(fù)合材料的振動衰減規(guī)律；還利用預(yù)拉伸SMA絲的回復(fù)力效應(yīng)，研究了埋入預(yù)拉伸SMA絲式驅(qū)動器的復(fù)合材料梁的主動控制。王社良、巨生國、蘇三慶（1999）10對S

7、MA材料性能進(jìn)行了試驗研究，提出了SMA的相變偽彈性恢復(fù)力模型，并以此為基礎(chǔ)研究了SMA減振控制系統(tǒng)的動力響應(yīng)問題。模擬結(jié)果表明這種減振控制裝置對較強(qiáng)烈的振動有更好的抑制作用，并且控制其溫度即可使系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。李惠和毛晨曦（2001）11探討了基于形狀記憶合金超彈性的被動耗能減震體系的設(shè)計方法，分析了SMA耗能裝置的設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，給出了參數(shù)的合理取值范圍。韓玉林、李愛群（2002）12-13等在一個2層鋼框架結(jié)構(gòu)上安裝了由2根A7mm的鐵絲和一根A0.75mm的SMA絲串聯(lián)而成的SMA耗能器，進(jìn)行了框架結(jié)構(gòu)振動試驗，結(jié)果表明，該種耗能器可以顯著改變框架結(jié)構(gòu)的固有頻率，具

8、有很好的減振能力。隨后，又在同樣的框架上安裝了超彈性的SMA耗能器，同樣取得了很好的減振效果。閆曉軍（2003）14等設(shè)計了SMA擬橡膠金屬的減震器，試驗表明，引入SMA后，減振器可恢復(fù)變形、阻尼特性都有很大提高；而擬橡膠金屬的構(gòu)造方式，又使得減振器具有很大的承載力。李惠、毛晨曦（2003）5開發(fā)了兩種新型SMA被動耗能器拉伸型SMA耗能器和剪刀型SMA耗能器，并將其安裝在模型上進(jìn)行了地震模擬振動臺試驗，試驗結(jié)果表明，剪力型耗能器比拉伸型的減振效果好。薛素鐸，周乾（2004）15提出并設(shè)計了一種SMA-橡膠復(fù)合隔震支座（圖1），給出其力學(xué)模型，并將該支座應(yīng)用于空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計，分析表明可

9、有效減小網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，比普通橡膠支座具有更好的隔震效果。圖1 薛素鐸等設(shè)計的SMA-橡膠支座構(gòu)造薛素鐸，莊鵬，李彬雙（2005）16初步闡明了SMA-橡膠支座的設(shè)計思路和工作機(jī)理，通過實驗?zāi)Ｐ偷膫蝿恿υ囼?，考察了支座的水平和豎向剛度、耗能能力和等效阻尼比，研究了位移幅值、加載頻率、豎向荷載等參數(shù)對支座力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明SMA-橡膠支座性能穩(wěn)定，耗能能力較強(qiáng)。李黨等（2006）17在薛素鐸所設(shè)計的SMA-橡膠支座的基礎(chǔ)上增加彈簧，改善SMA耗能拉索的功能，設(shè)計了II型SMA-橡膠支座（圖2、圖3），其水平剛度和耗能能力有一定增加。 圖2 II型SMA-橡膠支座構(gòu)造圖3 滑塊處詳圖莊鵬

10、等（2006）18-19分析了SMA-橡膠支座的動力響應(yīng)，提出理論模型，表明SMA-橡膠支座水平剛度適中、耗能能力突出，具有更合理的位移響應(yīng)，同時建立了描述SMA-橡膠支座滯回性能的力學(xué)計算模型。劉海卿等（2008）20-21進(jìn)行了SMA-橡膠支座的振動臺試驗研究，并與普通橡膠支座對比，發(fā)現(xiàn)前者具有更大的恢復(fù)力和阻尼，水平位移幅值可達(dá)到普通橡膠支座規(guī)范要求的1.57倍而正常工作。此外，還分析了SMA-橡膠支座在底層框架砌體結(jié)構(gòu)抗震中的應(yīng)用，具有較好的抗震能力。任文杰等（2010）22提出了一種新的SMA-疊層橡膠支座模型（圖4），較好解決了橡膠支座的恢復(fù)力和耗能力的共同提高問題，并指出：預(yù)應(yīng)變

11、SMA絲可明顯提高支座的耗能能力和阻尼系數(shù)，未預(yù)應(yīng)變SMA絲可賦予支座很好的大變形恢復(fù)能力，二者結(jié)合可改善整體力學(xué)性能。圖4 新型SMA疊層橡膠支座模型簡圖陳鑫，李愛群等（2011）23設(shè)計出一種超彈性SMA隔震支座，并進(jìn)行了數(shù)值模擬和有限元結(jié)果對比，并研究了不同參數(shù)對支座隔震性能的影響。莊鵬，薛素鐸（2013）24提出了一種將線性最小二乘擬合技術(shù)和微分型恢復(fù)力模型用于SMA-橡膠支座水平力-位移滯回曲線的使用模擬方法，促進(jìn)其在工程實際中的應(yīng)用。1.2 國外研究現(xiàn)狀Feng和Li（1996）25研究了具有SMA支撐器件的單自由度質(zhì)量塊的非線性振動，結(jié)果表明利用SMA的超彈性效應(yīng)可以明顯抑制質(zhì)量

12、塊的振動。Mauro（2000）等4研制的一種自復(fù)位SMA隔振器通過改變兩部分的SMA絲的數(shù)量、性能和預(yù)應(yīng)變，可獲得多種力學(xué)性能。Wilde（2000）等26將SMA棒和疊層橡膠支座結(jié)合起來制成了一種新的隔震系統(tǒng)用于高架公路橋的隔震，在較強(qiáng)地震作用下SMA棒不僅可以耗能，還能起到位移控制器的作用。Mayes（2001）等27采用實驗方法研究了SMA彈簧隔震裝置的性能，表明通過控制SMA彈簧的超彈性反應(yīng)區(qū)域可以改變系統(tǒng)的共振頻率。Khan（2002）28分析了SMA彈簧用于單自由度系統(tǒng)的振動臺模擬地震實驗，發(fā)現(xiàn)只有在外加荷載頻率達(dá)到未加SMA彈簧系統(tǒng)的自振頻率時，彈簧才發(fā)揮最佳效果。Corbi（

13、2003）等29提出將SMA棒安裝于多層剪力墻結(jié)構(gòu)的底層用以隔震，數(shù)值分析顯示該隔震系統(tǒng)顯著地改善了結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)。L.Janke（2005）等30總結(jié)了SMA材料在土木工程中的應(yīng)用，提出了簡化的計算抵抗加熱后的SMA驅(qū)動器的激活時間的模型，改進(jìn)了用SMA對混凝土試件進(jìn)行主動控制的概念設(shè)計。Xue和Li（2007）31提出一種SMA-橡膠支座模型并將其應(yīng)用到單層球殼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中，分析表明可明顯減小地震位移、加速度和結(jié)構(gòu)內(nèi)力。G. Attanasi（2009）等32比較了SMA隔震裝置和傳統(tǒng)支座的動力響應(yīng)，結(jié)果表明SMA隔震裝置具有良好的耗能能力并減小內(nèi)力和位移。Matthew（2009）等33研

14、究了不同鎳鈦合金裝置并進(jìn)行循環(huán)加載試驗，結(jié)果表明鎳鈦合金螺旋絲具有很好的恢復(fù)力和阻尼作用。Donatello Cardone（2012）34將鋼-聚四氟乙烯滑動支座和基于SMA超彈性特征的輔助自復(fù)位裝置結(jié)合起來，并進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示其循環(huán)加載的雙旗幟型滯回曲線能保證良好的自復(fù)位能力。M S Alam（2012）等35對采用疊層橡膠支座和SMA限位器的三跨連續(xù)高架橋進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果顯示SMA限位器的引入提高了系統(tǒng)的脆性破壞可能性。Sourav Gur（2014）等36比較了SMA-橡膠支座和傳統(tǒng)支座在近斷層地震情況下的不同表現(xiàn)，結(jié)果表明SMA-橡膠支座在穩(wěn)健性、隔震效率、減小位移峰值和殘

15、余變形等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)支座，同時SMA-橡膠支座可有效抑制高頻地面頻率向樓層轉(zhuǎn)移，可用于對地震頻率敏感的結(jié)構(gòu)。F Hedayati（2014）等37研究了使用SMA絲的高阻尼橡膠支座的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)SMA高阻尼橡膠支座在地震中具有最佳的耗能能力，同時發(fā)現(xiàn)將SMA絲加入到高阻尼橡膠支座中對橋墩位移和甲板加速度影響很小。2 存在的主要問題及解決措施2.1 SMA材料的本構(gòu)模型Tanka等38從微觀角度研究了SMA的本構(gòu)行為并通過平均方法得到了其宏觀描述，但他們的工作限于應(yīng)力誘導(dǎo)的相變且難以推廣到逆相變與非比例加載過程。Sun等39引入平均相應(yīng)變作為附加內(nèi)變量參與相變過程中材料微結(jié)構(gòu)改變的描述，較好

16、地解釋了SMA在任意非比例加載下的超彈性和形狀記憶特性及其細(xì)觀機(jī)制，但較為復(fù)雜。Craesser等40在前人基礎(chǔ)上建立了一種相對簡單且比較實用的本構(gòu)模型，以確定形狀記憶合金拉索的恢復(fù)力，具體表達(dá)形式為：，其中，、為一維的應(yīng)力應(yīng)變，為一維背應(yīng)力，為彈性模量，為屈服應(yīng)力，、為與材料有關(guān)的常數(shù)，為由曲線的斜率決定的常數(shù)，表達(dá)式為，為SMA屈服時曲線的斜率。另外，和分別誤差函數(shù)和單位階躍函數(shù)。其表達(dá)式為：，上述本構(gòu)模型可較好地描述SMA材料在應(yīng)力和溫度誘發(fā)下的正、反方向的相變行為，解釋材料的形狀記憶效應(yīng)和超彈性性能。由于其形式簡單，物理意義明確，且基于熱力學(xué)的基本觀點(diǎn)，因被廣泛應(yīng)用。但是，由于上述本構(gòu)

17、關(guān)系中只引入了一個內(nèi)變量，故對相變時材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的描述是有限的，如對低溫馬氏體的重定向問題就不能很好地解釋，而這一問題在以細(xì)觀力學(xué)和能量耗散理論為基礎(chǔ)的本構(gòu)模型中可很好的解決。2.2 SMA材料的選擇目前已發(fā)現(xiàn)的SMA材料達(dá)到上百種，其中最具有使用價值的是NiTi、Cu基和Fe基三中合金材料，其中NiTi合金具有良好的形狀記憶效應(yīng)、超彈性效應(yīng)、高阻尼特性以及抗疲勞性能而得到廣泛應(yīng)用。張佳慧41通過實驗研究了不同NiTi含量的SMA-橡膠支座的隔震性能，結(jié)果表明不同元素含量有微小變化對合金性能影響很大，其試驗的三種配比合金絲對比發(fā)現(xiàn)，Ti-49.25Ni明顯實現(xiàn)形狀記憶性，而Ti-50.8

18、Ni-0.3Cr和Ti-50.8Ni明顯體現(xiàn)超彈性，而Ti-50.8Ni的超彈性更好，耗能能力更強(qiáng)更適用于工程隔震。2.3 SMA-橡膠支座的設(shè)計目前關(guān)于SMA-橡膠支座的設(shè)計還沒有統(tǒng)一的模式，但其基本原理或者基本構(gòu)造是相似的：在水平強(qiáng)震作用下，支座的疊層橡膠部分發(fā)生反復(fù)水平剪切變形，SMA拉索在疊層橡膠的帶動下發(fā)生伸縮變形，這樣在利用疊層橡膠隔離地震作用的同時可以利用SMA自身的超彈性滯回性能來進(jìn)一步吸收和消耗地震動能量。國內(nèi)以薛素鐸等設(shè)計的SMA-橡膠支座（圖1-圖4）為代表，國外主要以Choi等42所設(shè)計的模型為代表（圖5）。圖5 Choi等設(shè)計的SMA-橡膠支座：a. 豎直SMA絲；b

19、. 交叉SMA絲由上圖可知，Choi等設(shè)計的模型與薛素鐸等設(shè)計的模型類似，此種設(shè)計簡單可靠，經(jīng)過試驗16研究表明其效果明顯穩(wěn)定。國外還有如下幾種設(shè)計模式：圖6 a. 采用SMA棒的橡膠支座；b. 外包SMA材料的橡膠支座圖6（a）所示的模型設(shè)計中SMA棒與基礎(chǔ)筏板和地面平行，這樣在水平地震作用下SMA棒承受軸向力以便充分發(fā)揮其作用，這種方法由Attanasi等43提出。（b）用SMA材料將橡膠支座外包起來，加強(qiáng)了SMA材料與橡膠支座的連接，更加可靠。此外，國外研究表明，在橡膠支座中使用SMA彈簧44,45或者僅使用SMA棒44,46都是可行的。2.4 SMA-橡膠支座恢復(fù)力理論模型普通橡膠支座

20、的水平恢復(fù)力特性在實用范圍內(nèi)近似為線彈性，而SMA-橡膠支座則能夠提供明顯的水平力-位移滯回環(huán)，因此可采用描述非線性滯回效應(yīng)的計算模型模擬其恢復(fù)力特性。Wen認(rèn)為一個非線性滯回系統(tǒng)的恢復(fù)力由非滯回分量和滯回分量等兩部分組成47，即： （1）式中：是一個非滯回分量，通常是瞬時位移和瞬時速度的函數(shù)，表示無量綱滯回分量，它是位移的函數(shù)，滿足如下微分方程： （2）式中：為常數(shù)。在此基礎(chǔ)上，式（2）可進(jìn)一步簡化為下式48： （3）根據(jù)上述微分型模型，可將具有彈塑性滯回性能的隔震支座的水平恢復(fù)力表示如下： （4）式中：分別表示支座的屈服力和屈服位移，為剛度系數(shù)（支座屈服后剛度與初始剛度的比值），無量綱滯回

21、分量則滿足如下微分方程： （5）式中：為描述滯回曲線總體形狀的常數(shù)，在工程實踐中通常取。式（4）（5）所表達(dá)的微分型恢復(fù)力模型形式簡單，其中的參數(shù)便于通過實驗確定，因此在結(jié)構(gòu)隔震分析中得到了廣泛的應(yīng)用。盡管大多數(shù)研究設(shè)計都以上述理論模型為基礎(chǔ)，但目前還未形成具體統(tǒng)一、切實可靠的計算方法，這顯然制約了SMA-橡膠支座的推廣應(yīng)用，因此非常有必要加強(qiáng)該方面的試驗和研究。3 結(jié)語通過以上分析和研究，SMA-橡膠支座的優(yōu)良隔震性能已得到了廣泛的關(guān)注，國內(nèi)外眾多學(xué)者都對其進(jìn)行了大量的試驗和分析，試圖用SMA-橡膠支座取代傳統(tǒng)的隔震支座。但目前SMA-橡膠支座還存在很多實際的問題，除了上問題到的幾方面外，還

22、有合適的SMA材料焊接方法的研究、預(yù)應(yīng)變的調(diào)節(jié)方式49、SMA材料成本高昂50等問題需要解決。此外，將SMA-橡膠支座與其他類型的抗震設(shè)備（如磁流變阻尼器51）綜合利用進(jìn)行隔震減震也是未來一個很好的發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)1 楊迪雄, 李剛, 程耿東. 隔震結(jié)構(gòu)的研究概況和主要問題J. 力學(xué)進(jìn)展, 2003, 33(3):302-312.2 周云, 張文芳, 宗蘭, 等. 土木工程抗震設(shè)計M. 第二版. 北京:科學(xué)出版社, 2011:374-375.3 王社良. 形狀記憶合金在結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)用M. 西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社, 2000:4-25.4 Mauro Doice, Donatello

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