形状记忆合金自复位耗能连梁节点滞回性能研究

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形状记忆合金(SMA)因其优异的超弹性,在抗震应用中显示出巨大的潜力。为了促进SMA在结构抗震中的应用,本文依托国家自然科学基金重大项目:钢结构高效抗震体系研究(51890902),对SMA材料性能和SMA自复位耗能连梁节点的滞回性能开展了系统的研究,主要工作和结论如下:首先对SMA板的热力学性能进行测试,确定了相变特征温度。随后进行了58个SMA板的单调拉伸、循环拉伸和循环拉压试验,分析了试件厚度、试验温度、训练方案和加载制度等试验参数对SMA板滞回性能(峰值强度、自复位能力、耗能能力)的影响。试验结果表明:三种厚度(4、6、8 mm)SMA板的极限强度最大相差16.6%,残余应变最大相差68%。试验温度对SMA板的强度和自复位能力产生影响,在25℃时SMA板的极限强度比0℃时提高64.3%,然而0℃时SMA板的残余应变达到25℃时的7.11倍。最适用的训练方案为4%拉伸训练,能使SMA板的残余应变减小35.5%,极限强度提高8.6%,而SMA板在承受循环拉压荷载时无需进行训练。SMA板在循环拉压荷载下应力-应变曲线表现出明显的非对称特征,相同应变时压应力高于拉应力,而且受压响应的可恢复应变更小。与循环拉伸相比,循环拉压时SMA板的残余应变从0.64%降低到0.19%,因为反向压缩载荷可以有效抑制SMA板中的马氏体的局部滑移。提出了考虑残余应变和拉压非对称特性的SMA本构模型,可以准确预测超弹性SMA的应力-应变性能。基于损伤控制的抗震理念,提出了一种新型SMA自复位耗能连梁节点,对15个连梁节点进行了拟静力试验,试验参数包括连接板材料、连接板层数、SMAQ160/铝合金(ALA)刚度比、螺栓预紧力和加载制度,分析了连梁节点的抗弯强度、刚度、延性、自复位能力和耗能能力等滞回性能。试验分析结果表明:配置两层SMA试件的抗弯强度和刚度分别为配置一层SMA的1.96和1.79倍。所有连梁节点的转动能力均大于4%转角。只配置超弹性SMA的连梁节点表现出良好的自复位性能,从4%转角卸载时,最大残余转角仅为0.35%。配置SMA-Q160/ALA并联体系使连梁节点的耗能能力得到显著提高,总耗能和等效粘滞阻尼系数分别达到SMA连梁节点的2.96和3.73倍,而且,SMA-Q160/ALA连梁节点最高能够恢复79.2%的加载转角。与利用螺栓滑动摩擦耗能相比,采用SMA-Q160/ALA并联体系是提高连梁节点耗能能力的更优方法,其耗能能力达到螺栓滑动摩擦耗能试件的3倍,而且残余转角仅为螺栓滑动摩擦耗能试件的66.9%。利用ABAQUS建立了SMA自复位耗能连梁节点的精细有限元模型,系统研究了SMA-Q160刚度比和SMA-ALA刚度比对连梁节点滞回性能的影响。数值分析结果表明:SMA-Q160/ALA刚度比对抗弯强度、自复位能力和耗能能力产生耦合影响,当SMA和Q160/ALA厚度比分别从0.08增加到0.58和0.33时,无量纲抗弯强度从0.13增加到0.74,SMA厚度从2 mm增加到20 mm时,残余转角减小86.8%,Q160/ALA厚度从2 mm增加到20 mm时,总耗能增加6倍。基于本文提出的SMA本构模型,通过对SMA自复位耗能连梁节点滞回性能的综合分析,提出了连梁节点的滞回性能计算方法,推导了弯矩-转角骨架曲线和抗弯强度的计算公式,根据有限元参数分析的结果,利用遗传算法拟合了残余转角的计算公式,并将理论值与试验、有限元值进行了对比。理论分析结果表明:理论公式得到的骨架曲线能准确反映连梁节点的弯矩随转角的变化趋势,而且理论公式能准确计算连梁节点的抗弯强度和残余转角。
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