土木工程结构中SMA耗能装置应用研究

蔡黎明 钟雨晴 李丽民 李成龙 马志昕

(湖南科技学院土木与环境工程学院 湖南永州 425199)

一、SMA耗能装置应用国内研究

形状记忆合金（SMA）耗能装置因其具有阻尼高及滞回耗能的优点，在土木工程结构抗震中得到了广泛关注。国内从SMA的参数、安装位置、应用理论及如何减小抗震损失等方面对其进行了大量研究。赵祥等对位移放大与耗能高的SMA阻尼器与粘滞阻尼器复合应用进行了仿真与试验研究，发现循环荷载下其与粘滞阻尼器协同工作性优良，可以显著提高SMA阻尼器的耗能减震能力。李惠等基于仿真分析和钢框架模振动台试验，对框架结构中SMA的超弹性进行研究，得到SMA抗震性能取决于其滞回曲线的圈数与荷载频率。孙彤等对多维SMA阻尼器的力学性能开展了相关研究，得到新的SMA阻尼器很好地实现扭转力与拉伸力之间的转换，实现阻尼力的多方向性，其初始应变、加载频率与幅值均会对其力学性能产生影响。郑晓蒙等基于框架结构和有限元仿真，对SMA抗震效果进行了研究，发现其耗能减震效果良好。王社良等对悬摆结构与SMA丝构成的减震装置展开了试验研究，发现在地震荷载与正弦波作用下，该抗震装置能很好地控制主体结构抗震。钱辉等对摩擦与SMA复合耗能装置开展了试验与仿真研究，发现提出的恢复力复合耗能装置力学模型仿真与试验结果有良好的一致性。刘明明等对金属铅与SMA复合耗能装置开展了试验与仿真研究，结果发现，该耗能装置的自复位性能好，能耗高，循环荷载下协同工作性能良好，耗能能力比单一SMA装置更好。展猛等基于二层框架模型对压电摩擦与SMA半主动复合抗震装置进行试验和理论研究，发现其混合控制比单一SMA控制更能减小结构的动力影响。陈云等基于有限元与试验数据对框架结构SMA耗能装置安装位置开展了研究，发现对反弯点处锚固装置安装SMA耗能装置，其累积塑性滞回耗能能力以及极限与屈服承载力明显提高。王社良等基于有限元分析对SMA耗能装置安装位置开展了研究，发现在梁柱节点安装SMA耗能装置的耗能减震效果良好，对框架结构的抗震有明显改善。王振营等基于结构损伤对框架剪力墙的SMA耗能装置进行了研究，发现SMA耗能装置能大大减小混凝土连梁在地震作用下的损伤。王凤华等基于地震仿真，对SMA耗能装置对古塔的抗震进行了研究，发现其能明显降低地震对古塔的影响，并推出其在古塔中的安装位置和数量。张振华等对SMA耗能装置的外界激励幅值与温度的影响开展了研究，发现其具调频和减震效果优越。唐显鹏等基于梁的碰撞分析研究了SMA耗能装置对碰撞的影响，发现其能明显降低梁的碰撞损伤。任文杰等基于5层框架结构对SMA耗能装置进行研究，提出了随机等价线性化法简化力学模型，并证明了其有效性。邢德进等基于框架结构对SMA耗能装置的设计进行研究，提出了其长度与刚度确定方法，得到了其耗能系数的影响规律，并发现其对框架结构的动力响应有明显抑制作用[1][2][3][4]。

二、SMA耗能装置应用国外研究

国外在SMA耗能装置理论模型、自复位性能、控制与改造加固等方面进行了系列研究。Ozbulut等基于桥梁结构对SMA耗能装置进行了研究，发现其与摩擦隔振支座协调工作性能良好，能有效减小桥梁结构的地震动力响应。Qian等对框架结构中自定心元件与SMA耗能装置的减震进行了研究，发现，该组合能更好地减少地震对结构的动力响应。Miller等对粘滞阻尼器与SMA耗能装置复合应用进行了研究，发现复合耗能装置对结构的抗震控制更好。Kari等对SMA与屈曲约束的双支撑系统进行了研究，发现SMA与屈曲约束协调工作性能好，能明显减少钢结构的残余变形和层间位移。Sado等开展了MR与SMA复合耗能装置的研究，发现其能耗能减震作用显著。Asgarian等基于框架结构研究了SMA自复位混合耗能装置，结果发现，其对结构的塑性变形、层间位移与加速度能有效控制。Dieng等基于斜拉索结构对SMA耗能装置进行了研究，发现其对斜拉索的位移幅值降低效果明显。Parulekar等进行双桶式SMA耗能装置研究，发现其能提高SMA的加固能力。Indirli等基于修复和加固对SMA耗能装置在清真寺与钟楼中的应用进行了研究，发现其加固性能好。Attansi等基于试验研究了SMA超弹性螺旋弹簧耗能装置，发现其卸载、加载段恢复力平台明显[5][6]。

三、结束语

SMA耗能装置在近几十年中在土木工程结构中的应用得到了广泛研究，取得了很大成果，它与其他抗震装置具有良好的工作协调性，能明显减小结构的抗震，具有自复位能力。但目前还有一些问题需要解决，如对大跨度结构，柱间SMA耗能装置应变小，影响其能耗效果，其耗能需要外界激励，对中小型地震耗能作用不佳，其本构关系大多进行了简化，不能准确反映其抗震的力学性能。