[01383361]形状记忆合金隔振器的非线性动力学设计及应用

1、任务来源 本课题属于河南省科技厅科技攻关项目（编号：132102210252） 2、应用领域和技术原理 应用领域：主要应用于桥梁、建筑结构的抗震减灾。 技术原理：该技术是将伪弹性形状记忆合金（SMA）和滑动支座复合在一起构造桥梁隔振支座。伪弹性形状记忆合金有大变形自回复能力和一定的耗能能力,在地震作用下,和滑动摩擦元件一起来耗散地震输入能量,并且利用其大变形自回复力在震后消除残余变形,该隔振器能够有效地减小桥梁上部结构的动力学响应量和震后的残余变形。 3、性能指标 本项目在构造高架桥梁SMA-滑动支座复合隔振器（S-FBI）的同时,选取了南加州历史上发生的6次近场地震作为外激励,研究了隔振桥梁的自然周期、SMA装置的屈服位移和滑动支座的摩擦系数对隔震桥梁动力学响应量峰值的影响规律,进而进行了参数的优化选取。优化后的隔振桥梁的动力学响应比无隔振桥梁动力学响应量明显降低,并且和纯摩擦隔振系统相比,S-FBI隔振桥梁桥面的相对位移峰值和加速度峰值降低70-85%,并且震后的残余变形可以自回复。从研究的结果来看,S-FBI隔振器能够有效地降低桥面运动的加速度和桥面的相对位移,从而有效的减小了桥梁的破坏程度和桥面垮落的概率,并且在震后隔振器能够自主回复变形。因为S-FBI具有以上的效果,震后桥面的破坏风险减小,并且减小了震后修复的成本和工作量。 4、与国内外同类技术比较 该项技术与传统的橡胶支座、纯摩擦支座相比具有较强的耗能能力和震后变形自回复能力,并且SMA元件具有的伪弹性可同时实现耗能和自复位功能,简化了隔振支座的结构,该项技术处于国际领先水平。 5、成果的创造性、先进性 （1） 在原Graesser微分本构模型中增加用于描述曲线硬化及其过渡阶段的多项式,并引入应变幅值与SMA卸载时弹性模量的关系,从而提出了改进的SMA弹塑性本构模型;确定出控制滞后特征的关键参数 与相变临界应力和弹性模型之间的具体表达式,提高了该参数确定的效率;提出的本构模型与原Graesser模型相比能够很好的拟合SMA不同应变幅值下拉伸试验的加卸载应力-应变关系,验证了所提本构模型的准确性。所提出的本构模型形式简单,准确性较高,且参数容易确定,便于工程应用,为SMA在土木结构振动控制领域的研究提供一种简洁有效的理论基础。 （2） 构造了SMA-摩擦复合桥梁隔振（S-FBI）系统,并对近场地震作用下高速桥的S-FBI隔振系统进行参数优化研究,研究结果表明该隔振器与传统纯摩擦隔振器相比具有优秀的隔振性能。S-FBI隔振系统由钢-聚四氟乙烯滑动支座和形状记忆合金装置组成。滑动支座使上部结构和桥墩解耦,并切到耗散能量的作用,而形状记忆合金装置则提供了自回复力和额外的阻尼。通过时间历程分析研究了隔振桥梁多个响应量峰值与S-FBI隔振器的系统自然周期、摩擦系数和屈服位移关系,并对这些参数进行优化选取。优化后的隔振桥梁的动力学响应比无隔振桥梁动力学响应量明显降低,并且和纯摩擦隔振系统相比,S-FBI隔振桥梁桥面的相对位移峰值和加速度峰值降低70-85%,并且震后的残余变形可以自回复。从研究的结果来看,S-FBI隔振器能够有效地降低桥面运动的加速度和桥面的相对位移,从而有效的减小了桥梁的破坏程度和桥面垮落的概率,并且能够自主回复变形。