形状记忆合金隔震支座设计与分析

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在土木工程领域,利用智能材料的独特性能开发和研制适于土木工程结构的减隔震装置,是国内外该领域研究的热点问题之一。本文以这一问题为研究背景,从形状记忆合金(SMA)材料的力学性能分析、SMA支座的设计和空间网架SMA隔震体系的动力分析三个方面开展了研究工作。本文主要工作和成果如下: 1、分析了形状记忆合金的超弹性特性,总结了影响形状记忆合金超弹性特性的因素:归纳总结了目前已有的一些形状记忆合金本构模型及其特点。在NiTi形状记忆合金丝拉伸试验的基础上,根据SMA的超弹性特性,基于塑性理论、马氏体相变动力学及SMA线性化模型,将马氏体体积百分数作为状态变量之一,建立了SMA简化的超弹性多维本构模型,该模型考虑温度、应变速率、应变幅值及初始马氏体体积分数的影响。对简化模型的计算结果与试验结果进行比较,结果表明,模型可以用来模拟复杂荷载条件下的SMA超弹性特性。 2、根据SMA的超弹性特性,设计了一种超弹性SMA隔震支座,根据该隔震支座的结构构造、工作原理,建立了它的理论计算模型,对该支座的力学特性进行分析。在分析超弹性SMA隔震支座受力特性的基础上,建立了有限元模型,进行理论模型的数值模拟并与有限元模型进行对比,结果比较吻合。就计算模型中的主要参数对隔震支座力学性能的影响规律进行了数值分析。分析结果表明,该支座呈现饱满的非线性滞回特性,可以用作工程结构的隔震装置。 3、以某空间网架结构厂房为背景工程,对网架结构SMA隔震体系进行了分析计算:对空间网架结构水平抗震体系和隔震体系的计算模型进行了简化分析,综合考虑多种因素,在网架结构中使用柱顶隔震体系较优。对超弹性SMA隔震支座的水平力学性能进行了双线性简化,利用Wen提出的滞回模型能够较好地模拟结构中SMA支座的力学性能。在空间网架结构柱顶安装与其参数相匹配的SMA支座,建立了有限元模型并进行了动力时程分析,结果表明,相较于抗震体系,网架结构SMA柱顶隔震体系能有效地降低结构各部分的地震响应,支座在结构罕遇地震作用下的最大位移小于支座的设计极限位移,且有一定的安全储备。
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