结构工程硕士答辩PPT.ppt

1、a，1。超弹性形状记忆合金阻尼器框架填充墙抗震性能的理论研究，李，导师：教授，2。第一章绪论，1.1研究意义，钢筋混凝土框架-砌体填充墙结构是一种广泛应用于工程中的建筑结构。填充墙作为非结构构件，通常不承受竖向重力荷载，但在地震荷载作用下，墙体对框架的贡献主要取决于连接方式，即墙体与框架的刚性连接、墙体与柱的分离或柔性连接。近年来，填充墙框架结构在国内外大地震中均遭到不同程度的破坏，且主体框架破坏较轻，但填充墙普遍破坏严重。填充墙本身的损坏不仅影响建筑物的使用功能，还会增加维修费用。在严重情况下，甚至危及生命安全或影响紧急疏散，因此地震工程界往往将填充墙的破坏程度作为判断结构正常使用功能和地震

2、下生命安全的依据。结构振动控制是抵抗地震作用的一种有效方法，一般可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制，其中被动控制因其结构简单、成本低、易于维护和不需要外部能量而受到工程界的广泛关注。在现有的阻尼材料中，形状记忆合金作为一种重要的功能材料，具有独特的形状记忆效应和超弹性效应，具有可恢复应变大、阻尼性能好、高温弹性模量高、抗疲劳和抗腐蚀能力强等优点，是结构被动控制的理想选择。1.2框架填充墙简介框架填充墙结构是当前结构形式中常见的一种，具有结构布置灵活的优点。目前，我国工程设计普遍忽视填充墙的作用。通常的做法是将填充墙作为荷载施加到框架梁上。填充墙与框架的相互作用过程可分为以下几个阶段

3、：(1)弹性阶段：填充墙与框架均处于弹性状态，填充墙与框架周边的接触处出现界面裂缝。(2)弹塑性阶段：随着侧向荷载的增加，界面裂缝不断扩大，填充墙与框架之间的对角接触部分局部断裂，墙体上没有贯通的“X”形裂缝。此时，框架仍处于弹性工作状态，填充墙承担大部分侧向力。随着侧向力的不断增大，填充墙中部出现微裂缝，并发展成贯通的斜裂缝，框架柱出现裂缝并开始扩展。此时，填充墙的侧向阻力达到极限值，整个结构处于弹塑性状态。(3)塑性阶段：当框架填充墙结构达到极限承载力状态时，框架梁、柱形成明显的塑性铰，整个结构表现出明显的塑性特征。1.3形状记忆合金的功能特性，形状记忆合金材料的主要功能特性：形状记忆效应

4、、超弹性和高阻尼等。超弹性超弹性是指当形状记忆合金温度超过奥氏体转变完成温度Af且加载应力超过弹性极限时，即产生非弹性应变后，会发生应力诱发的马氏体转变，但这种马氏体会随着应力的消失而消失。即使不加热，也会产生马氏体逆相变，并返回到其原始母相(奥氏体相)，应力引起的宏观变形将随着逆相变的进行而完全消失，如图1.1所示。图1.1超弹性原理图，A，5，1.4本文的研究内容：(1)对直径为0.8毫米和2.1毫米的两种超弹性形状记忆合金丝进行力学试验，研究循环次数、加载速率和应变幅值对形状记忆合金丝力学性能参数(相变应力、能耗、损耗因子、变形模量和残余应变)的影响，并比较两种直径形状记忆合金丝的各项力

5、学指标。在实验的基础上，建立了形状记忆合金本构模型。(2)提出了超弹性形状记忆合金阻尼器连接框架填充墙的设计方案。包括：设计(3)以单自由度和多自由度框架填充墙结构为例，利用Matlab数学仿真软件计算了裸框架和SMA阻尼器连接框架填充墙在不同地震输入下的地震响应，证明该装置不仅能在一定程度上抑制框架体的振动，而且能保护填充墙的安全。2.1试验概述2 . 1 . 1 NiTi形状记忆合金丝的直径分别为0.8毫米和2.10毫米，试样长度为200毫米。两种材料的Af值约为6。2.1.2试验设备中使用的试验机是SANS微机控制的电子万能试验机，如图2.1所示。用力传感器测试试样的轴向力，测量范围为5

6、 kN。轴向变形用引伸计测量，其标距为25毫米。试验采用等位移加载，加载的停止条件由应变计的应变控制。测试结果由计算机自动采集，采样频率为每秒30点。图2.1试验装置，A，7，2.1.3试验方案，对形状记忆合金钢丝进行单轴拉伸试验，考虑循环次数、加载速率和应变幅值的影响，室温25。具体工作条件如下：(1)1)等应变幅形状记忆合金钢丝的循环拉伸试验：直径为0.8毫米的钢丝：30个循环，应变幅为6%，加载速率为20毫米/分钟。直径为2.1毫米的钢丝：30个周期，应变幅值为5.5%，加载速率为10毫米/分钟。(2)2)形状记忆合金线材在不同环境因素下的拉伸试验：直径为0.8毫米的线材：应变幅值为1%

7、-2%-3%-4%-5.5%，加载速率分别为3毫米/分钟-10毫米/分钟-20毫米/分钟-30毫米/分钟-60毫米/分钟。直径为2.1毫米的钢丝：应变幅值为1%-2%-3%-4%-5%-5.5%，加载速率分别为3毫米/分钟-10毫米/分钟-30毫米/分钟-60毫米/分钟。在测试前，这两种直径的钢丝已经进行了30次拉伸循环，达到了稳定的性能。2.2试验结果和分析，A、8、(A)、(b)，循环次数对超弹性形状记忆合金钢丝机械性能的影响图2.2(a)是直径为0.8毫米的形状记忆合金钢丝在30次循环试验后的滞后曲线。2.2.1直径为0.8毫米的超弹性形状记忆合金钢丝的力学性能，(c)图2.2周期时间对

8、形状记忆合金力学性能的影响，A，9应变幅值和加载速率对超弹性形状记忆合金力学性能的影响，以及图2.3(a)-(e)分别是不同应变幅值和加载速率下形状记忆合金钢丝的应力-应变曲线。应变幅值分别为1%-2%-3%-4%-5%-5.5%。图2.3(f)是当应变幅值为5%时，不同加载速率下的滞后曲线图。(A)、(b)、(c)、(D)、(e)、(f)，图2.3-D=不同加载速率下0.8毫米形状记忆合金钢丝的滞回特性，图2.4，10为不同加载速率下0.8毫米直径形状记忆合金钢丝在应变幅值为4%时的能量耗散和损耗因子图。(a)、(b)，图2.4不同加载速率下形状记忆合金丝的能耗比较，图2.5显示了不同加载速

9、率下应变幅值对损耗因子的影响。图2.5能量耗散应变幅值曲线，A，11，2.2.2直径为2.1毫米的超弹性形状记忆合金丝的力学性能，循环次数对超弹性形状记忆合金丝力学性能的影响，直径为2.1毫米的形状记忆合金丝在循环过程中的力学性能与直径为0.8毫米的形状记忆合金丝相似，但没有明显的屈服平台。循环磁滞曲线如图2.6所示：图2.6循环次数对形状记忆合金力学性能的影响，图12，应变幅值和加载速率对超弹性形状记忆合金力学性能的影响，(A)、(b)、(c)、(d)、(e)，图2.7不同加载速率下d=2.1mm毫米形状记忆合金钢丝的磁滞曲线，图2.8不同加载速率下形状记忆合金钢丝能耗的比较，图2.9描述了

10、不同加载速率下应变幅值对形状记忆合金钢丝损耗因子的影响。图2.9损耗因子的应变幅值曲线，不同直径形状记忆合金丝力学性能的比较，以及循环次数对不同直径形状记忆合金丝力学性能的影响。在图2.10(a)中，直径为0.8毫米的超弹性形状记忆合金丝的能耗明显大于直径为2.1毫米的形状记忆合金丝的能耗.然而，随着循环次数的增加，能耗差异逐渐减小。图2.10(b)显示了超弹性形状记忆合金的损耗因子w，(A)、(b)，图2.9不同直径形状记忆合金的能量消耗和损耗因子的比较，图15，应变幅值和加载速率对不同直径超弹性形状记忆合金线材力学性能的影响。图2.10显示，当加载速率为3毫米/分钟，应变幅值按相同顺序为1

11、%、2%、3%、4%和5%时，不同直径的形状记忆合金丝将具有不同的机械性能。(a)能量耗散应变图，(b)损耗因子应变图，图2.10两种不同直径形状记忆合金的力学性能图，图2.11给出不同直径形状记忆合金超弹性丝在不同加载速率下的能量耗散应变关系。图中，当最大应变幅值达到5%时，能量消耗由加载速率和直径决定，从大到小的顺序为d=2.1毫米、3毫米/分钟、d=0.8毫米、3毫米/分钟、d=2.1毫米、30毫米/分钟、d=0.8毫米、30毫米/分钟。结果表明，在相同的加载速率下，大直径形状记忆合金丝消耗更多的能量；相同直径和较小加载速率的形状记忆合金钢丝消耗更多的能量。图2.11不同加载速率下能量耗

12、散与应变的关系，A，16，第3章形状记忆合金阻尼器的设计原理，3.1绕组形状记忆合金阻尼器，1。超弹性形状记忆合金线；2.形状记忆合金丝固定夹具；3.1号主钢板；图3.1为4.2号主钢板，图3.2为缠绕式形状记忆合金阻尼器结构图，图3.2为形状记忆合金阻尼器连接框架填充墙的结构设计，图3.2为缠绕式形状记忆合金阻尼器连接框架填充墙的连接结构。图3.2 SMA阻尼器连接框架填充墙结构，A，17，3.2.2地震作用下的工作原理，由于框架填充墙刚度远大于框架刚度，框架与框架填充墙产生水平位移。当阻尼器的最大输出力较小，填充墙的抗剪承载力较小时，阻尼器进入工作状态。如图3.2所示。3.3框架填充墙抗剪

13、承载力计算公式，3.1，A:填充墙水平截面面积；ft:砌块混凝土填充墙的抗拉强度；b:如果纵横比小于1.0，取b=1.0如果纵横比大于b=1.5，取实际值。=h/l。墙安全系数的1/2类型。图3.3框架填充墙，A，18，第4章超弹性形状记忆合金阻尼器连接的框架填充墙地震反应分析，4.1.1设计概述，4.1单自由度超弹性形状记忆合金阻尼器连接的框架填充墙地震反应分析，选取了硬土、中硬土和软土场地三种有代表性的地震动记录，分别为EL-Centro波、迁安波和天津波。为了便于比较，局部振动的加速度峰值统一为0.35米/秒2。一，十九。选择第2.4节中介绍的直径为2.1毫米的形状记忆合金丝作为阻尼器的

14、参数。有关其机械参数，请参见前一章。如果最大有效工作应变为4%，单根钢丝的最大输出荷载为1.298千牛顿，根据公式(3.1)，填充墙的抗剪强度和承载力为=25.02千牛顿.以被控框架层间位移角的1/550为界限，确定形状记忆合金钢丝的长度为10厘米。因此，每个阻尼器中的形状记忆合金的量是19，它们被均匀地布置。4.1.2计算结果和分析表4.1给出了三种地震波作用下单自由度框架结构相对于地面的峰值位移和阻尼比。从数据可以看出，在三种不同的地震波作用下，形状记忆合金阻尼器对结构的水平位移有很好的控制效果。阻尼率相当大，最大阻尼率为35.3%。A，20，表4.1不同地震波作用下结构位移响应峰值，图4

15、.1 El-Centro波作用下位移时程曲线，图4.2迁安波作用下位移时程曲线，图4.3天津波作用下位移时程曲线，图4.4表示不同地震波作用下阻尼器恢复力与位移的关系曲线。图4.4不同地震波下阻尼器的恢复力-位移关系曲线，4.2连接超弹性形状记忆合金阻尼器的框架填充墙的多自由度地震反应分析，A，23，表4.2基本结构参数表，4.2.1计算概图，结构各参数尺寸选择一个对称的四层框架结构，尺寸和参数见表4.2和图4.7。阻尼比是0.05。阻尼器参数和位置根据公式计算图4.7框架图，A，24，表4.3多自由度结构在El-Centro波作用下的绝对位移响应峰值，表4.4多自由度结构在El-Centro

16、波作用下的相对位移响应峰值，4.2.2计算结果和分析图4.6，4.7，4.8和4.9分别显示了各楼层在受控和非受控条件下的相对位移和时间的时程关系曲线。图4.6、图4.7、图4.8、图4.9和图4.9、图25、图27，第5章，结论和展望。本文提出了一种填充墙与框架主体连接的新技术，即填充墙与框架的连接。在对这种连接技术进行理论研究的基础上，得出以下结论：(1)通过两种超弹性NiTi形状记忆合金的力学试验，得到了不同工作条件(不同循环次数、不同应变幅值和不同加载速率)下形状记忆合金滞回曲线的变化规律。直径为0.8毫米和2.1毫米的形状记忆合金丝的力学性能相同：在相同的加载速率下，随着应变幅值的增加，形状记忆合金丝的能耗逐渐增加；在加载速率和应变幅值不变的情况下，随着循环次数的增加，形状记忆合金丝的滞回曲线面积逐渐减小并趋于稳定。当加载速率不同，应变幅值和循环次数相同时，形状记忆合金丝的耗能能力随着加载速率的增加而降低。直径为0.8毫米和2.1毫米的形状记忆合金丝力学性能的差异在于直径为0.8毫米的形状记忆合金丝具有显著的能量耗散能力，损耗因子大于直径为0.8毫米的形状记忆合金丝。此外，从其磁滞曲线可以看出，直径为2.1毫米的形状记忆合