sma阻尼器在斜拉桥模型上的振动试验研究

sma阻尼器在斜拉桥模型上的振动试验研究

1结构的弹性特性在地震和风的作用下，结构材料接受了大量的输入能量，结构材料的振动反应（速度、加速度和位移）。当输入的能量大于结构耗散的能量时,结构物发生破坏。因此,人们采用各种控制措施使结构的变形尽力控制在弹性范围内,以保护结构的完整性。结构消能减振(震)技术就是把结构的某些非承重构件(如支撑、剪力墙、连接件等)设计成消能杆件,或在结构的某些部位(层间、节点、连接缝等)装设消能装置,在小风或小震时,这些消能构件(或消能装置)和结构本身具有足够的侧向刚度以满足使用要求,结构处于弹性状态;当出现大风或大震时,随着结构侧向变形的增大,结构构件或消能装置率先进入非弹性状态,产生较大阻尼,大量消耗输入结构的地震或风振能量,迅速衰减结构的振动反应,使主体结构避免出现明显的非弹性状态,保护主体结构及构件在强震或大风中免遭破坏。形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,SMA)是一种具有形状记忆、超弹性和阻尼特性的新型功能材料。超弹性是指当材料温度超过马氏体逆相变终了温度Af(完全奥氏体状态)且加载应力超过弹性极限,即产生非弹性应变,应力除去后变形即行消失,应力应变关系表现出明显的非线性,且应力为零时应变也恢复到零,呈现出迟滞循环效应。形状记忆合金的超弹性效应是一种特殊的滞回耗能性能,它与普通材料相比有许多优点:较好的抗腐蚀能力、抗疲劳效应,较大的可恢复应变(达6%～8%),对温度不敏感(在Af相变点以上某一温度区间内保持比较稳定的超弹性平台),根据这些特性可研制出性能良好的耗能减振装置。近些年来各国研究人员在SMA耗能减振方面进行了许多重要的理论和试验研究工作。东南大学土木工程学院在国家自然科学基金项目的资助下,2001年6月初步完成了形状记忆合金超弹性阻尼器的研制工作,并于2001年11月将形状记忆合金阻尼器用于斜拉桥模型的振动控制实验。试验结果表明该阻尼器的耗能效果明显,在工程结构振动控制方面具有比较好的应用前景。2sma材料的力学性能由于NiTi合金具有良好的形状记忆效应、超弹性效应、滞后效应、阻尼特性、抗疲劳效应和很好的抗腐蚀能力,因而采用目前应用比较广泛的NiTi丝材作为SMA阻尼器的基本耗能元件。在阻尼器设计之前,对SMA材料的关键力学性能进行了试验研究。所使用的是深圳以太人公司提供的Ti-50.8at%Ni(Ni原子分数为50.8%)合金丝。所有的试验均参照相关的ASTM标准完成。试验结果表明所采用的形状记忆合金材料具有:(1)纯钛、扩大不锈钢研究表明,NiTi形状记忆合金的耐蚀性与纯钛、钴铬合金和316L不锈钢相当。NiTi合金在1%NaCl水溶液,0.05%盐酸中的腐蚀速率均小于6.8E-5mm/每年。(2)他们具有很强的可扩展性能力研究表明,NiTi形状记忆合金的非线性超弹性的最大应变达7.8%,出现非线性超弹性的温度区间达40℃,线性超弹性的最大应变达4%。(3)抗疲劳能力强研究表明,NiTi形状记忆合金的疲劳寿命达107次,性能指标衰减小于3%。3基于断裂板的断裂器设计方案研制的SMA阻尼器的结构简图如下所示。该阻尼器由内、外两个钢筒组成,两组奥氏体Ti-50.8at%Ni合金丝(Ni原子分数为50.8%),其超弹性温度区间为-5℃～45℃,通过专门研制的夹头分别与内外钢筒相连。内圈的SMA丝穿过内筒上开的孔与外筒相连。在将SMA丝安装在阻尼器上之前,通过预拉伸使两组SMA丝处于相同的应力水平。为了充分发挥SMA的超弹性性能,这里我们使SMA丝在安装前获得2.6%的预变形,即其处于超弹性平台的中点,如图2所示。阻尼器通过两端的联结装置可以布置在结构相对位移较大的位置,如框架结构的层间或桥梁主梁的跨中等。NiTi形状记忆合金具有较高的熔点,而且其在高温下性质可能会发生改变,这给SMA丝与其它工程材料的附合及联结带来困难。为此专门设计了一种简单、可靠的装夹装置,用于SMA丝和钢筒的联结。夹头的连结可靠性试验在Lloyd试验机上完成,试验样本如图3所示,采用0.56mmSMA丝,工作长度为200mm.控制样本的拉伸长度为6mm即应变为3%,一台计算机实时记录应力变化情况。试验结果表明应力松弛率小于2.7e-10/天。阻尼器的工作原理和意大利的MauroDolce等人提出的NRCD(nore-centringdevice)阻尼器相似,所有的SMA丝都预变形到超弹性平台的中点位置,使阻尼器获得较大的耗能能力。阻尼器工作的时候,内外钢筒发生相对运动,一组SMA丝被拉伸,另一组收缩,SMA丝的拉应力也相应地增大或减小。在这种情况下,一组SMA丝应力增大继续发生马氏体相变,另一组SMA丝应力减小发生马氏体逆相变。两组SMA丝类似于相互作用的两组弹簧,在加载的时候共同工作从而提供稳定的阻尼力。图6为在室温下阻尼器性能试验,加载频率为0.4Hz,阻尼器采用16根直径为1.2mm的奥氏体丝,SMA丝的预应变为2.6%。试验结果表明温度和加载频率对阻尼器的性能没有明显的影响。4梁内阻力监测系统的设计为了验证所研制的SMA阻尼器的减振效果,将两个缩尺的SMA阻尼器安装在斜拉桥模型的跨中位置。斜拉桥模型依据大跨斜拉桥的一些常规要求设计,全长3720mm,塔高410mm,采用双塔双索面结构,斜拉索成双面扇形布置,如图7所示。阻尼器采用8根直径为0.2mm的奥氏体丝。两个45mm高的力臂垂直安装在跨中的连梁下面,SMA阻尼器用螺栓水平安装在力臂上。设计力臂的目的是便于阻尼器的安装,并在一定程度上放大SMA阻尼器的位移。在跨中设置了压电传感器,监测桥梁模型跨中的横向振动。采用两种激振方案:4.1跨中振动的控制将三个总重为5kg的砝码用细绳绑住悬挂在跨中,静置一段时间待稳定后,快速地剪断细绳,让跨中振动至衰减结束。图9是装阻尼器和未装阻尼器时跨中的振动衰减曲线。4.2第三阶基频振动激振器安装在桥梁模型29号斜拉索位置的主梁处,输入正弦波以激起桥梁模型发生共振。当调整激振器的输出频率为10.4Hz(接近桥梁模型的第三阶基频),观察到跨中的振幅明显增大。然后在相同的频率下记录跨中安装阻尼器时的振动情况,跨中的振动情况如图10所示。从试验结果可以看出:(1)在安装SMA阻尼器后,跨中的振动衰减比未安装SMA阻尼器显著加快;(2)在正弦波激励下,跨中安装SMA阻尼器时的振幅显著减小。试验结果表明所研制的SMA阻尼器具有较强的耗能能力,可以有效地降低结构的振动反应。5基于sma的