sma超彈性阻尼器在框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用

形狀記憶是一種具有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)激勵(lì)的敏感材料，其主要特點(diǎn)是形狀記憶效應(yīng)（sme）。196年，美國(guó)海軍武器研究所發(fā)現(xiàn)了niti系列中的形狀記憶效應(yīng)，并開(kāi)始了“形狀記憶”的真實(shí)階段。它的另一個(gè)特點(diǎn)是集群補(bǔ)償性能，這是一種特殊的扭轉(zhuǎn)能耗性能。基于這些特點(diǎn)，可以開(kāi)發(fā)出性能好的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制裝置。摩爾斯等人提出，利用sma可以控制建筑材料結(jié)構(gòu)。格拉斯和cousal將sma用作可能的新型振動(dòng)材料，然后利用sma進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，并取得了許多進(jìn)展。韓玉林等人回顧了1999年以來(lái)基于sma的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究現(xiàn)狀。1抗sma絲綢粘度分析1.1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)NiTiSMA不僅具有較好的耗能性能,而且具有很好的耐腐蝕、抗疲勞性能,因此,實(shí)驗(yàn)采用Ti-55.2%Ni(Ni原子數(shù)分?jǐn)?shù)為55.2%)合金絲制作阻尼器,SMA絲的直徑為0.75mm.圖1給出了353K時(shí)SMA絲的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn),曲線(xiàn)反映了SMA絲的超彈性效應(yīng).從圖中可以看出,當(dāng)加載時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系沿曲線(xiàn)o-a-b-c-d-e變化;若在e點(diǎn)卸載,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系沿曲線(xiàn)e-f-g-h-i-o變化;若在c點(diǎn)卸載,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系沿曲線(xiàn)c-g-h-i-o變化;若從c點(diǎn)開(kāi)始卸載,到達(dá)h點(diǎn)后開(kāi)始加載,SMA絲應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系將沿曲線(xiàn)c-g-h-b-c變化.當(dāng)SMA絲安裝在結(jié)構(gòu)上,并在結(jié)構(gòu)振動(dòng)下變形,則曲線(xiàn)c-g-h-b-c代表一個(gè)SMA絲的軸向振動(dòng)周期,曲線(xiàn)c-g-h-b-c所包圍的面積值即為SMA絲所耗的能量.1.2+ma絲超彈性阻尼器的能耗能力結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí),安裝在結(jié)構(gòu)中的阻尼器通常既要承受拉伸載荷,也要承受壓縮載荷.而SMA絲僅能承受拉伸載荷,所以如果不經(jīng)處理而直接使用SMA絲,則SMA絲將僅能在結(jié)構(gòu)振動(dòng)過(guò)程的一半時(shí)間里耗能.為了提高SMA絲超彈性阻尼器的耗能能力,本文設(shè)計(jì)的SMA超彈性阻尼器中的SMA絲將有適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)變.假定圖2(a)表示安裝在結(jié)構(gòu)中的無(wú)預(yù)應(yīng)變的SMA絲的變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),則圖2(b)表示有預(yù)應(yīng)變的SMA絲的變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn).根據(jù)圖2可得到下列結(jié)論:1)無(wú)預(yù)應(yīng)變時(shí),SMA絲僅在結(jié)構(gòu)振動(dòng)每一周的一半時(shí)間內(nèi)耗能.而在合適的預(yù)應(yīng)變?chǔ)?下,SMA絲可以在結(jié)構(gòu)振動(dòng)的整個(gè)周期內(nèi)都耗能.從圖2可以看出,當(dāng)預(yù)變形至合適量時(shí),SMA絲耗能能力可以是無(wú)預(yù)變形時(shí)的SMA絲的2倍多.所以,設(shè)定預(yù)應(yīng)變?chǔ)?是重要和有效的.2)設(shè)定ε0時(shí),要保證SMA絲在結(jié)構(gòu)振動(dòng)后半周期也耗能,同時(shí)必須保證SMA絲不會(huì)拉斷.2安裝sma超彈性阻尼器框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)2.1結(jié)構(gòu)的振動(dòng)對(duì)sma絲性能的影響實(shí)驗(yàn)采用的鋼制框架結(jié)構(gòu)為2層,高2m,長(zhǎng)1m,寬0.25m,如圖3所示,框架上安放4個(gè)均為20kg的質(zhì)量塊,8個(gè)SMA超彈性阻尼器被交叉安裝在框架每一層的對(duì)角線(xiàn)位置.每個(gè)SMA超彈性阻尼器包括2根鋼絲(?7mm),一根SMA絲(?0.75mm)用夾具連接2根鋼絲:鋼絲長(zhǎng)582mm,SMA絲長(zhǎng)250mm.由于?7mm鋼絲的抗拉剛度遠(yuǎn)大于?0.75mmSMA絲的抗拉剛度,所以當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起阻尼器拉伸變形時(shí),可以認(rèn)為變形全部由中間的SMA絲來(lái)承擔(dān),這樣,SMA絲將有效地耗能.實(shí)驗(yàn)時(shí),SMA絲被加熱到353K,當(dāng)框架振動(dòng)時(shí),阻尼器不斷地消耗框架的振動(dòng)能量.實(shí)驗(yàn)步驟如下:①首先確定SMA超彈性阻尼器的安裝位置,由于在層間,框架對(duì)角線(xiàn)兩端點(diǎn)的相對(duì)位移最大且易于安裝,所以實(shí)驗(yàn)中,拉索被安裝在框架的對(duì)角線(xiàn)上(如圖3所示).②根據(jù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特點(diǎn),計(jì)算安裝點(diǎn)間的相對(duì)位移.③由安裝點(diǎn)間的相對(duì)位移和SMA絲應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,計(jì)算SMA絲的工作長(zhǎng)度和預(yù)變形量.SMA絲的工作長(zhǎng)度指振動(dòng)控制時(shí)實(shí)際參加耗能的SMA絲長(zhǎng)度.設(shè)計(jì)SMA絲工作長(zhǎng)度時(shí)要防止SMA變形過(guò)度而斷裂.④預(yù)拉伸SMA絲至計(jì)算變形量,并將SMA阻尼器固定安裝在結(jié)構(gòu)中.⑤把耗能器中的SMA絲加熱至工作溫度353K,當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí),阻尼器消耗結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量.⑥在x方向上給框架的頂部一個(gè)初位移(見(jiàn)圖3),然后突然釋放框架頂部.框架主要以x方向的第1階模態(tài)振動(dòng).計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量記錄框架頂部的振動(dòng)位移變化.⑦保持SMA絲的溫度為353K,當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí),此阻尼器將不斷地耗能.2.2振動(dòng)衰減圖圖4(a)為未安裝SMA超彈性阻尼器的框架的振動(dòng)衰減圖,圖4(b)為安裝SMA超彈性阻尼器的框架的振動(dòng)衰減圖.由圖4(a)可見(jiàn),安裝SMA拉索的框架從初位移衰減到一半初位移的時(shí)間約為45s,由圖4(b)可見(jiàn),安裝阻尼器的框架在同樣條件下的衰減時(shí)間不足0.4s.3模型中的有限地震響應(yīng)分析3.1有限元模擬結(jié)果在有限元模擬時(shí),需要先確定框架的阻尼比才能進(jìn)行準(zhǔn)確的有限元?jiǎng)恿W(xué)分析.本文使用試算法確定框架的阻尼比,即先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取一個(gè)框架阻尼比參加有限元?jiǎng)恿Ψ治?然后將有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,不斷調(diào)整框架的阻尼比,直到有限元分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相同,此時(shí)的框架阻尼比就是所需的框架阻尼比.同樣用此法來(lái)確定SMA超彈性阻尼器的參數(shù).計(jì)算發(fā)現(xiàn),當(dāng)框架阻尼比為0.55%時(shí),有限元法所得振動(dòng)衰減過(guò)程(見(jiàn)圖5)在衰減速度和固有頻率上非常接近測(cè)量結(jié)果(見(jiàn)圖4(a)).在有限元模擬中,SMA阻尼器被簡(jiǎn)化為彈簧阻尼器.試算發(fā)現(xiàn),當(dāng)彈簧常數(shù)為18.8kN/m,阻尼系數(shù)為186N·s/m時(shí),框架振動(dòng)衰減過(guò)程(見(jiàn)圖6)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖4(b))的衰減速度和第1階固有頻率相吻合.3.2振動(dòng)衰減速度框架和SMA阻尼器的有限元計(jì)算參數(shù)確定后,為了檢驗(yàn)SMA超彈性阻尼器在結(jié)構(gòu)控制中的效果,采用有限元法對(duì)地震載荷作用下的未受控框架與受控框架振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算.將地震力以節(jié)點(diǎn)力的形式沿x方向作用在框架頂部(如圖3所示).在El-Centro地震波激勵(lì)(0～30s)下未受控框架與受控框架頂部沿x方向的振動(dòng)響應(yīng)的有限元模擬如圖7表示.圖7還顯示了其余部分(30s以后)未受任何激勵(lì)條件下的振動(dòng)衰減.通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),受控框架的最大振動(dòng)響應(yīng)是未受控框架的最大振動(dòng)響應(yīng)的5%,且振動(dòng)衰減速度快得多.這說(shuō)明SMA阻尼器既有效地減少了結(jié)構(gòu)響應(yīng),又顯著加快了振動(dòng)衰減速度.在Taft地震波激勵(lì)(前邊670個(gè)點(diǎn)的加速度峰值很小,所以前670個(gè)點(diǎn)忽略不計(jì))下未受控框架與受控框架頂部沿x方向的振動(dòng)響應(yīng)的有限元模擬如圖8所示.圖8還顯示了其余部分(10s以后)未受任何激勵(lì)條件下的振動(dòng)衰減.通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),受控框架的最大振動(dòng)響應(yīng)是未受控框架的最大振動(dòng)響應(yīng)的12%,且振動(dòng)衰減速度快得多.在天津地震波激勵(lì)下未受控框架與受控框架頂部沿x方向的振動(dòng)響應(yīng)的有限元模擬如圖9所示.圖9還顯示了其余部分(11s以后)未受任何激勵(lì)條件下的振動(dòng)衰減.通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),受控框架的最大振動(dòng)響應(yīng)是未受控框架的最大振動(dòng)響應(yīng)的5.3%,且振動(dòng)衰減速度快得多.上述計(jì)算說(shuō)明SMA阻尼器既有效地減少了結(jié)構(gòu)響應(yīng),又顯著加快了振動(dòng)衰減速度.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析本文討論了SMA絲的超彈性耗能原理,分析了預(yù)應(yīng)變和阻尼器耗能能力的關(guān)系.在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)制作了一種SMA超彈性阻尼器,并將其安裝在鋼制框架上進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,安裝阻尼器的框架的振動(dòng)衰減速率遠(yuǎn)快于未安裝阻尼器的框架.同時(shí)也可得出