SMA-橡胶支座隔震的研究进展

1、论文题目：SMA-橡胶支座隔震的研究进展指导老师：李爱群姓 名：俎相杰学 号：130930 日 期：2014.5.12SMA-橡胶支座隔震的研究进展摘要：SMA-橡胶支座由于其独特的形状记忆效应和超弹性等性能，具有良好的隔震耗能效应，得到了广泛的关注和研究。本文简要梳理了国内外SMA-橡胶支座的研究现状，并指出了目前研究中存在的问题和解决方法。关键字：SMA-橡胶支座；研究现状；关键问题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 引言理论研究和工程实践表明，结构振动控制技术能显著提高房屋建筑的抗震防灾性能。隔震作为主要的结构振动控制措施之一，可显著改善工程结构的抗震安全性，同时能够较好地维持地震灾害中结构及其内部设备的正常使用功能，因此受到了国内外研究和设计机构的广泛关注1。隔震结构通过隔震层的集中大变形和所提供的阻尼将地震能量隔离或耗散，地震能量不能向上部结构全部传输，因而上部结构的地震反应大大减小，振动减轻，结构破坏

4、减轻甚至不产生破坏2。支座隔震技术是一种常用的结构减震手段。目前在工程隔震领域应用最为广泛的隔震支座主要是通过增加结构的柔性，提高结构周期来达到隔震的目的。但是由于橡胶本身阻尼小耗能不足，会造成由于隔震层变形较大所导致的支座失稳，所以它必须与其它阻尼器一起配合使用才能取得较好的隔震效果；铅芯橡胶支座除利用叠层橡胶增加结构的柔性外还可利用铅剪切挤压塑变机制耗能，耗能能力较强。但是铅芯塑性变形后无法恢复自身原有形状，从而大为降低了该型橡胶支座的自恢复能力。形状记忆合金（Shape Memory Alloy，缩写为SMA）是一种新型功能材料和智能材料。与普通金属材料相比，它具有独特的形状记忆效应、超

5、弹性效应等特性3。SMA的超弹性效应指的是当材料温度超过马氏体逆相变终了温度Af（完全奥氏体）时，恒温拉伸奥氏体SMA，且加载卸载的应力-应变曲线形成一个完整的滞回环，且卸载后的残余应变为零。由此可以看出SMA不仅在应力去除后应变能完全消失，而且能够提供较好的耗能效果。由于SMA的超弹性实际上是由于合金内母相（奥氏体相）-马氏体相和马氏体相-母相（奥氏体相）之间发生相变而形成的，因此对材料没有损伤，且抗腐蚀性能好，可制作不同类型的隔震和耗能装置4-6。基于这些优异的性能，国内外学者开始将SMA材料用于新型被动控制和主动控制装置的理论研究和应用。1 国内外研究现状1.1 国内研究现状霍永忠和Ho

6、ffimann（1996）7将SMA（NiTi）丝埋入石墨环氧树脂板，通过控制SMA丝的温度来控制复合材料薄板的振动，研究了预拉伸SMA丝对复合材料板的主动振动控制，试验结果表明这种方法可以取得较好效果。王吉军、崔立山、杨大智等（1997）8以SMA为驱动器，利用SMA（NiTi）丝形状记忆效应，加热SMA丝产生回复力，改变高分子梁的刚度，达到控制振动的目的。陈健和林萍华（1999）9对SMA的超弹性效应进行研究，得出埋入SMA丝式阻尼器的复合材料的振动衰减规律；还利用预拉伸SMA丝的回复力效应，研究了埋入预拉伸SMA丝式驱动器的复合材料梁的主动控制。王社良、巨生国、苏三庆（1999）10对S

7、MA材料性能进行了试验研究，提出了SMA的相变伪弹性恢复力模型，并以此为基础研究了SMA减振控制系统的动力响应问题。模拟结果表明这种减振控制装置对较强烈的振动有更好的抑制作用，并且控制其温度即可使系统处于最佳工作状态。李惠和毛晨曦（2001）11探讨了基于形状记忆合金超弹性的被动耗能减震体系的设计方法，分析了SMA耗能装置的设计参数对结构地震反应的影响，给出了参数的合理取值范围。韩玉林、李爱群（2002）12-13等在一个2层钢框架结构上安装了由2根A7mm的铁丝和一根A0.75mm的SMA丝串联而成的SMA耗能器，进行了框架结构振动试验，结果表明，该种耗能器可以显著改变框架结构的固有频率，具

8、有很好的减振能力。随后，又在同样的框架上安装了超弹性的SMA耗能器，同样取得了很好的减振效果。闫晓军（2003）14等设计了SMA拟橡胶金属的减震器，试验表明，引入SMA后，减振器可恢复变形、阻尼特性都有很大提高；而拟橡胶金属的构造方式，又使得减振器具有很大的承载力。李惠、毛晨曦（2003）5开发了两种新型SMA被动耗能器拉伸型SMA耗能器和剪刀型SMA耗能器，并将其安装在模型上进行了地震模拟振动台试验，试验结果表明，剪力型耗能器比拉伸型的减振效果好。薛素铎，周乾（2004）15提出并设计了一种SMA-橡胶复合隔震支座（图1），给出其力学模型，并将该支座应用于空间网壳结构的隔震设计，分析表明可

9、有效减小网壳结构的地震响应，比普通橡胶支座具有更好的隔震效果。图1 薛素铎等设计的SMA-橡胶支座构造薛素铎，庄鹏，李彬双（2005）16初步阐明了SMA-橡胶支座的设计思路和工作机理，通过实验模型的伪动力试验，考察了支座的水平和竖向刚度、耗能能力和等效阻尼比，研究了位移幅值、加载频率、竖向荷载等参数对支座力学性能的影响，结果表明SMA-橡胶支座性能稳定，耗能能力较强。李党等（2006）17在薛素铎所设计的SMA-橡胶支座的基础上增加弹簧，改善SMA耗能拉索的功能，设计了II型SMA-橡胶支座（图2、图3），其水平刚度和耗能能力有一定增加。 图2 II型SMA-橡胶支座构造图3 滑块处详图庄鹏

10、等（2006）18-19分析了SMA-橡胶支座的动力响应，提出理论模型，表明SMA-橡胶支座水平刚度适中、耗能能力突出，具有更合理的位移响应，同时建立了描述SMA-橡胶支座滞回性能的力学计算模型。刘海卿等（2008）20-21进行了SMA-橡胶支座的振动台试验研究，并与普通橡胶支座对比，发现前者具有更大的恢复力和阻尼，水平位移幅值可达到普通橡胶支座规范要求的1.57倍而正常工作。此外，还分析了SMA-橡胶支座在底层框架砌体结构抗震中的应用，具有较好的抗震能力。任文杰等（2010）22提出了一种新的SMA-叠层橡胶支座模型（图4），较好解决了橡胶支座的恢复力和耗能力的共同提高问题，并指出：预应变

11、SMA丝可明显提高支座的耗能能力和阻尼系数，未预应变SMA丝可赋予支座很好的大变形恢复能力，二者结合可改善整体力学性能。图4 新型SMA叠层橡胶支座模型简图陈鑫，李爱群等（2011）23设计出一种超弹性SMA隔震支座，并进行了数值模拟和有限元结果对比，并研究了不同参数对支座隔震性能的影响。庄鹏，薛素铎（2013）24提出了一种将线性最小二乘拟合技术和微分型恢复力模型用于SMA-橡胶支座水平力-位移滞回曲线的使用模拟方法，促进其在工程实际中的应用。1.2 国外研究现状Feng和Li（1996）25研究了具有SMA支撑器件的单自由度质量块的非线性振动，结果表明利用SMA的超弹性效应可以明显抑制质量

12、块的振动。Mauro（2000）等4研制的一种自复位SMA隔振器通过改变两部分的SMA丝的数量、性能和预应变，可获得多种力学性能。Wilde（2000）等26将SMA棒和叠层橡胶支座结合起来制成了一种新的隔震系统用于高架公路桥的隔震，在较强地震作用下SMA棒不仅可以耗能，还能起到位移控制器的作用。Mayes（2001）等27采用实验方法研究了SMA弹簧隔震装置的性能，表明通过控制SMA弹簧的超弹性反应区域可以改变系统的共振频率。Khan（2002）28分析了SMA弹簧用于单自由度系统的振动台模拟地震实验，发现只有在外加荷载频率达到未加SMA弹簧系统的自振频率时，弹簧才发挥最佳效果。Corbi（

13、2003）等29提出将SMA棒安装于多层剪力墙结构的底层用以隔震，数值分析显示该隔震系统显著地改善了结构的动态响应。L.Janke（2005）等30总结了SMA材料在土木工程中的应用，提出了简化的计算抵抗加热后的SMA驱动器的激活时间的模型，改进了用SMA对混凝土试件进行主动控制的概念设计。Xue和Li（2007）31提出一种SMA-橡胶支座模型并将其应用到单层球壳网架结构中，分析表明可明显减小地震位移、加速度和结构内力。G. Attanasi（2009）等32比较了SMA隔震装置和传统支座的动力响应，结果表明SMA隔震装置具有良好的耗能能力并减小内力和位移。Matthew（2009）等33研

14、究了不同镍钛合金装置并进行循环加载试验，结果表明镍钛合金螺旋丝具有很好的恢复力和阻尼作用。Donatello Cardone（2012）34将钢-聚四氟乙烯滑动支座和基于SMA超弹性特征的辅助自复位装置结合起来，并进行了数值模拟，结果显示其循环加载的双旗帜型滞回曲线能保证良好的自复位能力。M S Alam（2012）等35对采用叠层橡胶支座和SMA限位器的三跨连续高架桥进行数值分析，结果显示SMA限位器的引入提高了系统的脆性破坏可能性。Sourav Gur（2014）等36比较了SMA-橡胶支座和传统支座在近断层地震情况下的不同表现，结果表明SMA-橡胶支座在稳健性、隔震效率、减小位移峰值和残

15、余变形等方面都优于传统支座，同时SMA-橡胶支座可有效抑制高频地面频率向楼层转移，可用于对地震频率敏感的结构。F Hedayati（2014）等37研究了使用SMA丝的高阻尼橡胶支座的力学性能，发现SMA高阻尼橡胶支座在地震中具有最佳的耗能能力，同时发现将SMA丝加入到高阻尼橡胶支座中对桥墩位移和甲板加速度影响很小。2 存在的主要问题及解决措施2.1 SMA材料的本构模型Tanka等38从微观角度研究了SMA的本构行为并通过平均方法得到了其宏观描述，但他们的工作限于应力诱导的相变且难以推广到逆相变与非比例加载过程。Sun等39引入平均相应变作为附加内变量参与相变过程中材料微结构改变的描述，较好

16、地解释了SMA在任意非比例加载下的超弹性和形状记忆特性及其细观机制，但较为复杂。Craesser等40在前人基础上建立了一种相对简单且比较实用的本构模型，以确定形状记忆合金拉索的恢复力，具体表达形式为：，其中，、为一维的应力应变，为一维背应力，为弹性模量，为屈服应力，、为与材料有关的常数，为由曲线的斜率决定的常数，表达式为，为SMA屈服时曲线的斜率。另外，和分别误差函数和单位阶跃函数。其表达式为：，上述本构模型可较好地描述SMA材料在应力和温度诱发下的正、反方向的相变行为，解释材料的形状记忆效应和超弹性性能。由于其形式简单，物理意义明确，且基于热力学的基本观点，因被广泛应用。但是，由于上述本构

17、关系中只引入了一个内变量，故对相变时材料内部结构和状态的描述是有限的，如对低温马氏体的重定向问题就不能很好地解释，而这一问题在以细观力学和能量耗散理论为基础的本构模型中可很好的解决。2.2 SMA材料的选择目前已发现的SMA材料达到上百种，其中最具有使用价值的是NiTi、Cu基和Fe基三中合金材料，其中NiTi合金具有良好的形状记忆效应、超弹性效应、高阻尼特性以及抗疲劳性能而得到广泛应用。张佳慧41通过实验研究了不同NiTi含量的SMA-橡胶支座的隔震性能，结果表明不同元素含量有微小变化对合金性能影响很大，其试验的三种配比合金丝对比发现，Ti-49.25Ni明显实现形状记忆性，而Ti-50.8

18、Ni-0.3Cr和Ti-50.8Ni明显体现超弹性，而Ti-50.8Ni的超弹性更好，耗能能力更强更适用于工程隔震。2.3 SMA-橡胶支座的设计目前关于SMA-橡胶支座的设计还没有统一的模式，但其基本原理或者基本构造是相似的：在水平强震作用下，支座的叠层橡胶部分发生反复水平剪切变形，SMA拉索在叠层橡胶的带动下发生伸缩变形，这样在利用叠层橡胶隔离地震作用的同时可以利用SMA自身的超弹性滞回性能来进一步吸收和消耗地震动能量。国内以薛素铎等设计的SMA-橡胶支座（图1-图4）为代表，国外主要以Choi等42所设计的模型为代表（图5）。图5 Choi等设计的SMA-橡胶支座：a. 竖直SMA丝；b

19、. 交叉SMA丝由上图可知，Choi等设计的模型与薛素铎等设计的模型类似，此种设计简单可靠，经过试验16研究表明其效果明显稳定。国外还有如下几种设计模式：图6 a. 采用SMA棒的橡胶支座；b. 外包SMA材料的橡胶支座图6（a）所示的模型设计中SMA棒与基础筏板和地面平行，这样在水平地震作用下SMA棒承受轴向力以便充分发挥其作用，这种方法由Attanasi等43提出。（b）用SMA材料将橡胶支座外包起来，加强了SMA材料与橡胶支座的连接，更加可靠。此外，国外研究表明，在橡胶支座中使用SMA弹簧44,45或者仅使用SMA棒44,46都是可行的。2.4 SMA-橡胶支座恢复力理论模型普通橡胶支座

20、的水平恢复力特性在实用范围内近似为线弹性，而SMA-橡胶支座则能够提供明显的水平力-位移滞回环，因此可采用描述非线性滞回效应的计算模型模拟其恢复力特性。Wen认为一个非线性滞回系统的恢复力由非滞回分量和滞回分量等两部分组成47，即： （1）式中：是一个非滞回分量，通常是瞬时位移和瞬时速度的函数，表示无量纲滞回分量，它是位移的函数，满足如下微分方程： （2）式中：为常数。在此基础上，式（2）可进一步简化为下式48： （3）根据上述微分型模型，可将具有弹塑性滞回性能的隔震支座的水平恢复力表示如下： （4）式中：分别表示支座的屈服力和屈服位移，为刚度系数（支座屈服后刚度与初始刚度的比值），无量纲滞回

21、分量则满足如下微分方程： （5）式中：为描述滞回曲线总体形状的常数，在工程实践中通常取。式（4）（5）所表达的微分型恢复力模型形式简单，其中的参数便于通过实验确定，因此在结构隔震分析中得到了广泛的应用。尽管大多数研究设计都以上述理论模型为基础，但目前还未形成具体统一、切实可靠的计算方法，这显然制约了SMA-橡胶支座的推广应用，因此非常有必要加强该方面的试验和研究。3 结语通过以上分析和研究，SMA-橡胶支座的优良隔震性能已得到了广泛的关注，国内外众多学者都对其进行了大量的试验和分析，试图用SMA-橡胶支座取代传统的隔震支座。但目前SMA-橡胶支座还存在很多实际的问题，除了上问题到的几方面外，还

22、有合适的SMA材料焊接方法的研究、预应变的调节方式49、SMA材料成本高昂50等问题需要解决。此外，将SMA-橡胶支座与其他类型的抗震设备（如磁流变阻尼器51）综合利用进行隔震减震也是未来一个很好的发展方向。参考文献1 杨迪雄, 李刚, 程耿东. 隔震结构的研究概况和主要问题J. 力学进展, 2003, 33(3):302-312.2 周云, 张文芳, 宗兰, 等. 土木工程抗震设计M. 第二版. 北京:科学出版社, 2011:374-375.3 王社良. 形状记忆合金在结构振动控制中的应用M. 西安:陕西科学技术出版社, 2000:4-25.4 Mauro Doice, Donatello

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