形状记忆合金在钢结构中的应用

吴 静

（太原学院建环系 山西 太原 030031）

1 引言

地震是人类面对的最严重的自然灾害之一[1]，防震减灾、建设韧性城市一直是建筑界的中心问题。钢结构因为自重轻、抗震性能好等优点在我国应用广泛，许多体育馆、机场、影视院等建筑中均可以见到钢结构的身影，在地震来临时，这些大跨度的钢结构公共建筑经常被用来当作地震避难所使用，所以钢结构的抗震性能对于整个城市的防灾减震具有重要的意义。传统的抗震方法主要是通过结构本身的塑性变形和滞回耗能来耗散能量，但是由于各种原因在大的地震下结构中的某些部位会发生严重的塑性变形甚至发生破坏影响到整个建筑的抗震性能，这些发生破坏的部位通常是结构的主要受力构件，其恢复也成了很多工程师困扰的问题，同时传统的抗震方法对控制建筑成本来说并不友好。而今拥有优异的形状记忆能力、高弹性、超强的恢复性、耐腐蚀性和抗疲劳性能的形状记忆合金走进工程师们的视野，成为对钢结构进行抗震控制的有效手段，引起了业界的关注[2]。

2 形状记忆合金的性能

早在1932年，ArneÖlander就发现Au-Cd合金可以记住其初始状态，遗憾的是这并未引起人们的重视。直到1963年，Buehler发现Ni-Ti合金具有良好的形状记忆能力，此后关于形状记忆合金的研究如雨后春笋般不断涌现。形状记忆合金一开始在航天航空和医疗领域应用，近年来随着人们对形状记忆合金研究的不断深入，该材料的价格也不断降低，使其在钢结构中作为耗能减震构件应用前景广阔[3]。与传统的建筑材料相比，形状记忆合金具有优越的形状记忆能力、超弹性等优点。

2.1 形状记忆能力

形状记忆合金在产生一定限度的变形后可以通过加热的方式使材料恢复至变形前的状态，我们称之为材料的形状记忆效应[4]。根据材料的记忆情况，又可以将材料的形状记忆效应分为单程、双程以及全程的形状记忆效应。单程的形状记忆效应是材料中的奥氏体和马氏体在达到对方的转换温度时可以相互转换，但是在逆变过程中马氏体会回到奥氏体原有的状态；双程的形状记忆效应是合金在马氏体相下由于外力作用产生了错位或者不可逆的变形，加热过程中马氏体中的可逆部分变为奥相体，低温时又形成一定量的马氏体，材料在反复的高温和低温状态下能反复回到高温和低温下的形状；全程的记忆效应在合金产生一定限度的变形后通过加热可以使材料回到初始的状态，但是通过冷却可以使材料变为与初始形状相反的方向。

2.2 超弹性

形状记忆合金产生非弹性塑性应变后如若继续加载，那么材料内部会出现热弹性马氏体形变，这种形变下的马氏体在应力解除后即便不加热也会回到母相状态，材料的变形也会随着逆变回到初始的状态，当应力降为零时，应变也会恢复为零，且应力与应变之间呈现明显的非线性特征，我们把形状记忆合金的这种特性称为材料的超弹性或者伪弹性效应[5]。形状记忆合金的施工工艺包括热处理、冷变形等，都会对材料的超弹性产生影响，所以在实际工程中应用形状记忆合金时需要对材料进行“处理训练”。此外，研究表明形状记忆合金的弹性模量还会随着温度的改变发生改变，这种特性成为控制结构振动的主要因素之一。

2.3 高阻尼性能

形状记忆合金的高阻尼性源自马氏体中相界面、孪界面及界面的运动。材料的阻尼特性可以用比阻尼来表示，比阻尼越大，表示材料的阻尼特性越好，钢结构中使用的普通低碳钢其比阻尼仅为6%，而形状记忆合金的比阻尼高达40%。钢结构正是利用形状记忆合金的高阻尼特性来达到耗能减震的效果。

2.4 高恢复力性

如若形状记忆合金在外力作用下产生了很大的塑性变形，那么在温度升高的过程中合金会由于约束在内部产生较大的恢复力，比如Ni-Ti合金所能产生的恢复力高达500～900 MPa，合金所处的温度、相变程度以及初始残余变形都对形状记忆合金产生的恢复力大小有很大影响。形状记忆合金高恢复力的原因是当合金温度升高时材料内的马氏体向奥氏体转变，奥氏体的弹性模量远大于马氏体，且合金的弹性模量随温度升高大幅增加，此时合金材料如果被约束将会产生巨大的恢复力。高恢复性是形状记忆合金构件对钢结构的振动和变形进行控制的重要因素之一。

3 形状记忆合金在钢结构中的应用

3.1 形状记忆合金拉索

形状记忆合金拉索主要是依靠合金材料的形状记忆能力和超弹性来对结构进行振动控制以达到耗能减震的目的[6]。拉索是一种只能承受拉力的特殊构件，在地震来临时部分拉索会受到压力或弯曲作用使其不能发挥应有的作用，所以需要在合金拉索中添加预应力使其在使用过程中一直承受拉力以达到稳定控制的效果。李化使用ANSYS对一应用形状记忆合金拉索的高层钢结构进行了振动控制分析，结果表明形状记忆合金对高层钢结构的位移控制效果显著，比不施加合金拉索的结构位移减小了50%左右，并且因为合金材料良好的耗能能力，可以阻止地震能力向上传递，合金拉索的隔震效果明显；浮忠元[7]对一施加形状记忆合金拉索的大跨钢网架结构进行了不同控制方案的有限元分析，结果表明在钢网架的柱间支撑上施加合金拉索对控制网架振动响应的效果显著，控制效果高达40%。

3.2 形状记忆合金螺杆

传统的钢框架将角钢节点作为主要的耗能部位，但是角钢节点的柔性较大，可使用的范围较小。哈工大何小辉[8]采用形状记忆合金螺杆与传统节点结合提出了新的梁柱节点来改善钢框架的抗震性能，并通过试验对比了施加钢螺杆和合金螺杆的节点的性能，结果表明施加螺杆可以明显改善节点的抗震能力，但钢螺杆节点在模拟地震力下破坏的脆性特征显著，而形状记忆合金螺杆由于合金材料良好的超弹性和抗疲劳性能使节点具有更稳定、更好的耗能能力和防倒塌能力。

3.3 形状记忆合金阻尼器

形状记忆合金阻尼器并不是一个新颖的话题，早在1995年，美国加州大学就研制出了一款合金阻尼器并得以应用；2010年，宋娃丽[9]提出在层间应用的合金阻尼器用以增大结构阻尼达到隔震减震的目的；2018年庄鹏，王文婷，韩淼等[10]将形状记忆合金弹簧和平板支座相结合的形状记忆合金弹簧-摩擦支座，建立了该支座的恢复力模型，并将该模型带入一钢网壳结构进行模拟分析，结果表明该支座控制钢网壳地震响应的效果显著。如今又出现了新型的形状记忆合金自复位阻尼器，该阻尼器主要由耗能、复位和约束连接3部分组成，自复位阻尼器的工作机制主要靠这3部分间的相互作用来实现。耗能装置主要由施加了预应力的合金丝组成，合金丝具有极强的耗能能力和抗疲劳能力，耗能减震效果极好；复位装置的主要工作构件是合金弹簧，虽然形状记忆合金具有良好的自恢复力，但在地震下合金的复位时间较长，预压弹簧可以很好地弥补这个不足；约束连接装置上的锚固系统起到连接阻尼器各部位的作用。

3.4 形状记忆合金驱动器

形状记忆合金驱动器是对钢结构进行主动控制的构件，主动控制是采用现代控制技术对输入结构的地震波和结构反应进行实时跟踪分析，通过分析结果利用驱动器对结构施加控制力，达到控制结构振动响应的目的。樊禹江[11]、翁光远等[12]设计了一种形状记忆合金主动杆件，并将其应用到一个钢网壳结构中进行模拟震动台试验，结果显示该主动杆件控制结构振动响应的效果显著。整体来说，使用主动驱动器对钢结构进行振动响应控制所需的控制系统较为复杂且经济性较差，在实际工程中应用难度较大。

4 结语

形状记忆合金由于良好的形状记忆能力、高弹性、高阻尼、高恢复力、良好的抗疲劳能力和耐腐蚀性在钢结构耗能减震方面应用广泛，对未来建设智能结构和智慧城市具有重要的意义。形状记忆合金也存在一些缺陷，比如合金材料中的马氏体和奥氏体在反复转变中难免会导致材料损伤，对相变过程中材料的抗疲劳性能会产生一定影响，且目前来说形状记忆合金的造价略高、加工难度较大，未来可以通过改善合金材料的加工工艺和水平以降低形状记忆合金价格使其具有更广阔的应用前景。