(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣東 廣州 510640)

一、引言

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡(jiǎn)稱SMA)是一類對(duì)形狀有記憶功能的材料，這種材料本身具有自感知、自診斷和自適應(yīng)的功能。形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect，簡(jiǎn)稱SME)最早1932年美國學(xué)者A.Olander在研究AuCd合金中發(fā)現(xiàn)。直到1963年，美國海軍武器試驗(yàn)室的Buehler偶然在NiTi合金中發(fā)現(xiàn)了SME，自此對(duì)SMA的研究才真正開始[1-3]。

二、形狀記憶合金特性

在 SMA 材料中，根據(jù)內(nèi)部晶體架構(gòu)狀態(tài)可將其分為奧氏體狀態(tài)和馬氏體狀態(tài)：處于奧氏體狀態(tài)時(shí)材料的彈性模量大、不容易發(fā)生變形、在較高的溫度中能保持穩(wěn)定；而處于馬氏體狀態(tài)時(shí)材料的彈性模量小、容易發(fā)生變形、在較低的溫度中能保持穩(wěn)定。從奧氏體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體狀態(tài)的相變稱為馬氏體正應(yīng)變，反之稱為馬氏體逆應(yīng)變[4]。

形狀記憶效應(yīng)，是指由于SMA中的熱彈性馬氏體相變特性，當(dāng)溫度下降到 Ms點(diǎn)以下，馬氏體晶核就會(huì)生成，并且急速長(zhǎng)大到能觀察到一定大??；隨著溫度的進(jìn)一步降低，已生成的馬氏體會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大，同時(shí)還有新的馬氏體成核并長(zhǎng)大；溫度下降到 Mf點(diǎn)，馬氏體長(zhǎng)到最終大小，并不再長(zhǎng)大。反之，當(dāng)試樣處于全部馬氏體相狀態(tài)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行加熱，溫度上升到 As點(diǎn)時(shí)，馬氏體開始收縮；溫度繼續(xù)上升到 Af點(diǎn)時(shí)，馬氏體就會(huì)完全消失[5]。

三、形狀記憶合金(SMA)不足與展望

SMA本身價(jià)格較高，尚不能大規(guī)模應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域中，而這就有賴于技術(shù)水平和工業(yè)發(fā)展水平。只有當(dāng)SMA的研究達(dá)到一定的高度，應(yīng)用成本降下來了，該材料廣泛應(yīng)用于生活中才能成為現(xiàn)實(shí)。

四、SMA-摩擦滑移復(fù)合支座的構(gòu)想

各國學(xué)者關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)的研究，主要是針對(duì)橡膠隔震支座體系以及摩擦滑移體系。

摩擦滑移隔震體系作為最早提出的隔震技術(shù)，是通過設(shè)置低摩擦的滑移元件，通過其與建筑結(jié)構(gòu)之間的滑移活動(dòng)和摩擦耗能來限制地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞。但由于摩擦滑移支座不具備自動(dòng)復(fù)位的功能，往往要配合限位器等一起使用。

而形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡(jiǎn)稱SMA)是一類對(duì)形狀有記憶功能的材料，這種材料本身具有自感知、自診斷和自適應(yīng)的功能。目前SMA在土木工程領(lǐng)域主要應(yīng)用于自復(fù)位阻尼器等。

SMA的超彈性和高阻尼特性等，正好能彌補(bǔ)摩擦滑移隔震支座的不足，而目前SMA材料與摩擦滑移隔震支座之間的復(fù)合應(yīng)用還比較少。本文主要針對(duì)SMA-摩擦滑移復(fù)合支座提出一種新型設(shè)計(jì)。

(一)形狀記憶合金(SMA)的簡(jiǎn)化本構(gòu)模型

形狀記憶合金的超彈性效應(yīng)(Superelasticity Effect，簡(jiǎn)稱SE)是指當(dāng)使用溫度超過Af時(shí)，處于奧氏體狀態(tài)下的SMA在經(jīng)歷了較大的位移行程再恢復(fù)到原本狀態(tài)時(shí)幾乎不產(chǎn)生殘余變形的特性。

本文所選用的形狀記憶合金，考慮計(jì)算難度和設(shè)計(jì)難度，采用的是四折線模型。

(二)復(fù)合支座構(gòu)造設(shè)計(jì)

SMA-摩擦滑移復(fù)合支座主要分為兩部分，第一部分為SMA絲絞線，第二部分為水平摩擦滑移支座。

水平摩擦滑移支座需具備足夠的豎向剛度和承載力，以承載上部結(jié)構(gòu)的重量。

地震發(fā)生時(shí)，若地面激勵(lì)比較小，摩擦滑移支座與SMA絞線能共同克服地震作用，防止結(jié)構(gòu)滑動(dòng)；當(dāng)?shù)孛婕?lì)超過一定強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)地震作用超過摩擦力，隔震滑動(dòng)面產(chǎn)生滑動(dòng)，進(jìn)行隔震。

當(dāng)上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)頂面發(fā)生相對(duì)水平位移時(shí)，SMA此時(shí)有兩個(gè)作用：第一是通過發(fā)揮其超彈性特性，給復(fù)合支座提供自復(fù)位的功能；第二是地震作用發(fā)生時(shí)，SMA發(fā)揮自身的滯回效應(yīng)，與摩擦滑移支座共同耗能，達(dá)到更好的減震效果。

(三)復(fù)合支座數(shù)值模擬

在SAP2000中設(shè)計(jì)一個(gè)四層框架結(jié)構(gòu)(地上三層為上部結(jié)構(gòu)，地下一層為基礎(chǔ))進(jìn)行數(shù)值模擬分析，如圖4-5所示?？蚣芙Y(jié)構(gòu)截面尺寸：梁截面為250×250，混凝土強(qiáng)度為C30，地上三層柱截面為500×500，混凝土強(qiáng)度為C30，地下層柱截面為600×600，混凝土強(qiáng)度為C40。梁、柱主筋采用HRB335，箍筋采用HPB235。假設(shè)結(jié)構(gòu)各層的面荷載為10kN/m2。

建筑場(chǎng)地為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，框架抗震等級(jí)為二級(jí)。

無控結(jié)構(gòu)計(jì)算下，該結(jié)構(gòu)的第一平動(dòng)自振周期為0.5220s。

在有控結(jié)構(gòu)中，本文采用的SMA絲參數(shù)如下：化學(xué)成分Ni原子分?jǐn)?shù)為50.8%，Ti原子分?jǐn)?shù)為49.2%，該材料在常溫下可提供超彈性效應(yīng)。

在SAP2000中，可使用Link單元定義支座的屬性，分別用Multilinear Elastic支座和Plastic(Wen)支座來模擬，而摩擦滑移支座用Friction Isolator來模擬。

SMA-摩擦滑移復(fù)合支座的屬性，可將以上三種非線性單元并聯(lián)來模擬。首層往下1000mm定義為支座單元區(qū)，框架柱與基礎(chǔ)頂面連接處的柱子去掉，換上SMA-摩擦滑移復(fù)合支座，一共定義6個(gè)復(fù)合支座。

經(jīng)計(jì)算，此時(shí)復(fù)合隔震支座第一自振周期為1.402s，較無控結(jié)構(gòu)的第一自振周期0.5220s有了明顯的延長(zhǎng)。

SPA2000中再進(jìn)行時(shí)程分析，選用El-Centro波為輸入地震波，輸入方向?yàn)閄軸方向，峰值加速度為0.40g。

計(jì)算對(duì)比結(jié)果：無控結(jié)構(gòu)基底剪力峰值為5425kN，有控結(jié)構(gòu)為960kN。

其中，若隔震支座只使用Friction Isolator支座模擬，即只使用摩擦滑移支座，支座節(jié)點(diǎn)處位移峰值為83.84mm，而加上SMA模擬單元后，支座節(jié)點(diǎn)處位移峰值為52.60mm，證明SMA確實(shí)能降低水平方向的支座位移。

五、結(jié)論

SMA的超彈性和高阻尼特性等，能彌補(bǔ)摩擦滑移隔震支座的不足。本文通過SAP2000對(duì)一算例進(jìn)行分析，只使用摩擦滑移支座，支座節(jié)點(diǎn)處位移峰值為83.84mm；而加上SMA模擬單元后，支座節(jié)點(diǎn)處位移峰值為52.60mm，證明SMA確實(shí)能提高摩擦滑移支座限制位移的效果。