一种新型SMA-摩擦滑移复合支座的设计

(华南理工大学土木与交通学院 广东 广州 510640)

一、引言

形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)是一类对形状有记忆功能的材料，这种材料本身具有自感知、自诊断和自适应的功能。形状记忆效应(Shape Memory Effect，简称SME)最早1932年美国学者A.Olander在研究AuCd合金中发现。直到1963年，美国海军武器试验室的Buehler偶然在NiTi合金中发现了SME，自此对SMA的研究才真正开始[1-3]。

二、形状记忆合金特性

在 SMA 材料中，根据内部晶体架构状态可将其分为奥氏体状态和马氏体状态：处于奥氏体状态时材料的弹性模量大、不容易发生变形、在较高的温度中能保持稳定；而处于马氏体状态时材料的弹性模量小、容易发生变形、在较低的温度中能保持稳定。从奥氏体状态转变为马氏体状态的相变称为马氏体正应变，反之称为马氏体逆应变[4]。

形状记忆效应，是指由于SMA中的热弹性马氏体相变特性，当温度下降到 Ms点以下，马氏体晶核就会生成，并且急速长大到能观察到一定大小；随着温度的进一步降低，已生成的马氏体会继续长大，同时还有新的马氏体成核并长大；温度下降到 Mf点，马氏体长到最终大小，并不再长大。反之，当试样处于全部马氏体相状态时，对其进行加热，温度上升到 As点时，马氏体开始收缩；温度继续上升到 Af点时，马氏体就会完全消失[5]。

三、形状记忆合金(SMA)不足与展望

SMA本身价格较高，尚不能大规模应用于土木工程领域中，而这就有赖于技术水平和工业发展水平。只有当SMA的研究达到一定的高度，应用成本降下来了，该材料广泛应用于生活中才能成为现实。

四、SMA-摩擦滑移复合支座的构想

各国学者关于建筑结构隔震技术的研究，主要是针对橡胶隔震支座体系以及摩擦滑移体系。

摩擦滑移隔震体系作为最早提出的隔震技术，是通过设置低摩擦的滑移元件，通过其与建筑结构之间的滑移活动和摩擦耗能来限制地震能量向上部结构传递。但由于摩擦滑移支座不具备自动复位的功能，往往要配合限位器等一起使用。

而形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)是一类对形状有记忆功能的材料，这种材料本身具有自感知、自诊断和自适应的功能。目前SMA在土木工程领域主要应用于自复位阻尼器等。

SMA的超弹性和高阻尼特性等，正好能弥补摩擦滑移隔震支座的不足，而目前SMA材料与摩擦滑移隔震支座之间的复合应用还比较少。本文主要针对SMA-摩擦滑移复合支座提出一种新型设计。

(一)形状记忆合金(SMA)的简化本构模型

形状记忆合金的超弹性效应(Superelasticity Effect，简称SE)是指当使用温度超过Af时，处于奥氏体状态下的SMA在经历了较大的位移行程再恢复到原本状态时几乎不产生残余变形的特性。

本文所选用的形状记忆合金，考虑计算难度和设计难度，采用的是四折线模型。

(二)复合支座构造设计

SMA-摩擦滑移复合支座主要分为两部分，第一部分为SMA丝绞线，第二部分为水平摩擦滑移支座。

水平摩擦滑移支座需具备足够的竖向刚度和承载力，以承载上部结构的重量。

地震发生时，若地面激励比较小，摩擦滑移支座与SMA绞线能共同克服地震作用，防止结构滑动；当地面激励超过一定强度时，结构地震作用超过摩擦力，隔震滑动面产生滑动，进行隔震。

当上部结构与基础顶面发生相对水平位移时，SMA此时有两个作用：第一是通过发挥其超弹性特性，给复合支座提供自复位的功能；第二是地震作用发生时，SMA发挥自身的滞回效应，与摩擦滑移支座共同耗能，达到更好的减震效果。

(三)复合支座数值模拟

在SAP2000中设计一个四层框架结构(地上三层为上部结构，地下一层为基础)进行数值模拟分析，如图4-5所示。框架结构截面尺寸：梁截面为250×250，混凝土强度为C30，地上三层柱截面为500×500，混凝土强度为C30，地下层柱截面为600×600，混凝土强度为C40。梁、柱主筋采用HRB335，箍筋采用HPB235。假设结构各层的面荷载为10kN/m2。

建筑场地为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，抗震设防烈度为8度(0.2g)，框架抗震等级为二级。

无控结构计算下，该结构的第一平动自振周期为0.5220s。

在有控结构中，本文采用的SMA丝参数如下：化学成分Ni原子分数为50.8%，Ti原子分数为49.2%，该材料在常温下可提供超弹性效应。

在SAP2000中，可使用Link单元定义支座的属性，分别用Multilinear Elastic支座和Plastic(Wen)支座来模拟，而摩擦滑移支座用Friction Isolator来模拟。

SMA-摩擦滑移复合支座的属性，可将以上三种非线性单元并联来模拟。首层往下1000mm定义为支座单元区，框架柱与基础顶面连接处的柱子去掉，换上SMA-摩擦滑移复合支座，一共定义6个复合支座。

经计算，此时复合隔震支座第一自振周期为1.402s，较无控结构的第一自振周期0.5220s有了明显的延长。

SPA2000中再进行时程分析，选用El-Centro波为输入地震波，输入方向为X轴方向，峰值加速度为0.40g。

计算对比结果：无控结构基底剪力峰值为5425kN，有控结构为960kN。

其中，若隔震支座只使用Friction Isolator支座模拟，即只使用摩擦滑移支座，支座节点处位移峰值为83.84mm，而加上SMA模拟单元后，支座节点处位移峰值为52.60mm，证明SMA确实能降低水平方向的支座位移。

五、结论

SMA的超弹性和高阻尼特性等，能弥补摩擦滑移隔震支座的不足。本文通过SAP2000对一算例进行分析，只使用摩擦滑移支座，支座节点处位移峰值为83.84mm；而加上SMA模拟单元后，支座节点处位移峰值为52.60mm，证明SMA确实能提高摩擦滑移支座限制位移的效果。