SMA半主动隔震支座的研制及其工作机理分析

本文在以往SMA绞线-叠层橡胶复合支座研究的基础上,利用SMA的形状记忆效应,加上温感控制器,研制出SMA半主动隔震支座。分析研究新型支座的构造和工作机理,以及应用新型支座的基础隔震结构的运动方程,为半主动控制和工程实践提供了一定的理论基础。

间隙式SMA隔震支座性能分析及负刚度改进研究

与传统隔震支座相比,形状记忆合金(shape memory alloys,SMA)隔震支座能够提升结构的自复位和耗能能力。然而过早介入的SMA可能会增加中、小震时上部结构的内力和加速度响应。为解决这一问题,在SMA隔震支座中引入间隙形成间隙式SMA隔震支座,以满足不同设防目标的隔震需求。首先,提出了间隙式SMA支座的物理构造形式,并开展了SMA丝循环拉伸试验;随后,以两自由度的框架结构简化模型为例,探讨间隙长度以及SMA屈服力对隔震效果的影响;最后,旨在降低大震、巨震下间隙式SMA隔震支座的内力与加速度响应,进一步引入负刚度机制改进间隙式SMA隔震体系,并探究了负刚度-间隙式SMA支座隔震的可行性。计算结果显示,间隙式SMA隔震支座可以有效降低中震、小震时上部结构的内力与加速度响应;上部结构加速度响应与间隙长度负相关,与SMA屈服力正相关;下部结构位移响应与间隙长度正相关,与SMA屈服力负相关。引入负刚度后,间隙式SMA支座可在有效控制大震或巨震下支座位移响应的同时,显著减小上部结构内力与加速度响应。

建筑结构隔震技术研究进展

建筑结构隔震技术通过在建筑结构底部或中间楼层设置隔震装置,延长结构的自振周期,并提供适当的阻尼使得结构的响应大幅度减小,能够更有效地保护房屋结构以及室内设备的安全,可显著提升建筑震后功能可恢复能力。目前建筑结构隔震技术已经有较为成熟的技术产品和工程应用,已广泛应用于住宅、医院、学校、博物馆和图书馆等建筑中。随着《建设工程抗震管理条例》的颁布,预期隔震技术将有更广阔的应用场景。隔震建筑也将逐步从低层、简单建筑结构向高层、复杂建筑结构的方向发展。目前常用的隔震装置存在着抗拉能力不足、对竖向地震或竖向环境振动减振效果不足、控制频宽窄、适应性不足以及使用状态及损伤状态难以监测等问题。为此,众多学者针对以上问题进行了深入研究,开发了抗拉隔震支座、三维隔震(振)支座、半主动隔震支座和隔震支座的健康监测系统,为扩展隔震技术的应用范围提供了解决方法。目前,相关研究偏重于新型隔震装置的性能研究,未来应全面考虑新型隔震装置对于建筑的影响,提出配套的设计方法,并进行示范性工程应用,加快隔震技术的推广。

应用SMA复合橡胶支座的桥梁隔震

本文提出了一种基于形状记忆合金的复合橡胶支座 (简称SMA复合橡胶支座 )的智能桥梁隔震系统 ,应用SMA复合橡胶支座对一受ElCentro地震激励的多跨简支桥的一标准跨进行了时程分析 ,并与应用普通橡胶支座进行了减震、隔震效果的比较。结果表明 ,应用SMA复合橡胶支座隔震 ,不仅能取得更为显著的减震、隔震效果 ,而且能使地震后隔震桥梁的梁体得以复位 ,从而验证了SMA复合橡胶支座在桥梁隔震中的有效性、智能性和自恢复能力。

SMA-橡胶复合支座在空间网壳结构中的隔震研究

为了减轻大跨屋盖地震灾害,在综合普通橡胶支座与形状记忆合金(SMA)特点的基础上,提出并设计了一种SMA-橡胶复合隔震支座,给出了隔震支座的力学模型.将设计的复合支座应用于空间网壳结构,探讨了其隔震控制理论,建立了隔震网壳结构的运动方程.通过对一单层柱面网壳的隔震分析表明,SMA-橡胶复合支座可有效减小网壳结构的地震响应,并且比普通橡胶支座具有更好的隔震效果.

SMA三维隔震复合支座单层柱面网壳结构的地震响应

大跨空间结构具有空间跨度大,结构整体刚度大、受力合理、耗材少、重量轻等优点,在世界各地应用前景非常广阔。但在强震作用下,此种结构破坏严重,经济损失惨重。震害经验与理论研究表明地震动是一种复杂的多维运动,只考虑单分量水平地震作用是不够的,还应考虑竖向地震分量对整体结构的影响。在作者研制的SMA-叠层橡胶支座的基础上,针对竖向刚度大、竖向隔震效果不明显的问题,研制一种在上部串联加入碟形弹簧的新型三维隔震支座,并建立一典型的单层柱面网壳结构模型,在输入不同峰值地震动情况下,通过时程反应分析可见,SMA三维隔震支座下结构位移、加速度峰值与普通橡胶支座对比明显降低,时程曲线趋于平缓,典型的杆件轴力也有明显降低,说明了SMA三维隔震复合支座隔震效果更好。

应用SMA复合橡胶支座的大跨度空间结构隔震研究

目的为了减小地震作用下大跨度空间结构的地震响应,笔者对采用了SMA(形状记忆合金)复合橡胶支座隔震体系的大跨度空间结构的隔震效果进行了研究.方法通过SMA材料的拉伸试验验证了SMA材料的本构模型;设计了基于SMA材料的SMA复合橡胶支座,给出了SMA复合橡胶支座的工作原理和恢复力模型;建立了一大跨度空间结构的有限元计算模型,数值分析了计算模型在地震作用下采用SMA复合橡胶支座隔震体系后的隔震效果.结果计算结果表明:采用SMA复合橡胶支座隔震体系后,大跨空间结构的竖向位移可减小70%,控制杆件内力可减小70%以上.结论表明了SMA复合橡胶支座对大跨度空间结构是一种有效的隔震体系.

基于SMA复合橡胶支座的桥梁隔震

针对结构减震、隔震问题,提出了一种基于SMA复合橡胶支座的智能隔震系统,应用SMA复合橡胶支座对一受代表3种场地频率地震波激励的多跨简支桥的标准跨桥梁进行了时程分析,并与应用普通橡胶支座的桥梁进行了减震、隔震效果的比较．结果表明,应用SMA复合橡胶支座隔震,不仅能取得更为显著的减震、隔震效果,而且能使地震后隔震桥梁的梁体得以复位,从而验证了SMA复合橡胶支座在桥梁隔震中的有效性、智能性和自恢复能力．

基于改进型SMA-三重摩擦摆隔震支座的层间隔震结构地震响应分析

基于三重摩擦摆隔震支座的优缺点以及SMA螺旋弹簧的特性,提出了一种改进型SMA-三重摩擦摆隔震支座,介绍了改进型SMA-三重摩擦摆隔震支座的构造特点和力学原理,并以大底盘单塔结构为例,利用SAP 2000软件分别建立了普通抗震结构、层间隔震结构两种结构模型,通过在罕遇地震作用下的动力时程分析,得出两种结构在地震作用下的不同响应(层间位移、楼层加速度、层间剪力、能量耗散),并对结果进行了对比分析。结果表明,改进型SMA-三重摩擦摆隔震支座具有良好的隔震效果。本文为这类工程的实际应用提出了可行性建议。

SMA复合支座与磁流变阻尼器的双重隔震体系减震效果分析

为了进一步改善SMA复合支座在强震下的隔震效果,特别是当复合支座的水平剪切变形较大时,将SMA复合支座与磁流变阻尼器相结合,建立一种基于SMA复合支座与磁流变阻尼器的双重隔震体系及其力学模型,并与单纯的SMA复合支座隔震进行对比。仿真分析表明,该体系不仅能够大幅度地减小隔震层的水平侧移,有效地保护隔震装置,而且能使上部结构的层间位移与加速度反应得到有效的控制,从而提高隔震建筑的减震效果和可靠性。

基于SMA绞线-叠层橡胶复合支座的结构隔震

研究了基于SMA绞线-叠层橡胶复合支座的框架结构隔震理论和方法,建立了3种不同支承条件下单自由度隔震体系的运动方程,并对一个典型的4层框架结构,分析了它在地震作用下的时程反应。结果表明,SMA绞线-叠层橡胶复合支座是一种有效的隔震装置,它用于框架结构中,能有效地减小结构的位移、速度和加速度反应。

基于SMA隔震支座的双层球面网壳结构地震响应分析

采用橡胶支座的隔震方式是目前较成熟的隔震技术,但橡胶支座存在着水平变形大、阻尼较小、耗能不足等问题。SMA-橡胶复合隔振支座充分利用了形状记忆合金(SMA)丝的超弹性特点,在支座工作时起到恢复力主要补充作用,使得支座在抗侧移能力和耗能方面都得到了加强。通过建立双层球面网壳模型,对其在普通橡胶支座和SMA复合橡胶支座两种不同工况下的隔震效果进行对比分析,说明在采用后者的双层球面网壳结构其杆件的内力值和节点位移值都明显降低,受拉的上弦杆和受压的下弦杆无论是受力峰值及其杆件数量都有所减少,提高了网壳结构的变形协调能力,限制了网壳结构薄弱杆件的破坏,SMA复合橡胶支座起到了较好的减震耗能作用,对双层球面网壳的隔振作用优于橡胶支座。

应用SMA绞线-叠层橡胶支座的底层框架砌体隔震

研究基于SMA绞线-叠层橡胶复合支座的底层框架砌体结构隔震理论和方法,建立了底层框架砌体结构在隔震体系中的动力方程,同时分析一典型底层框架砌体结构在地震作用下结构的时程反应。研究表明,SMA绞线-叠层橡胶复合支座是一种有效的隔震装置,它用于底层框架砌体结构中,能有效地减小结构的位移、速度以及加速度时程反应,使底层框架砌体结构的地震响应明显降低。

设置间隙式SMA隔震支座的钢筋混凝土框架结构抗震性能分析

隔震支座除了保护上部结构,还应当能控制结构在地震下的最大位移和残余位移.为此,提出了由预松弛的形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)棒和铅芯橡胶支座(lead rubber bearings,LRB)组成一种新型隔震系统,即间隙式SMA隔震支座.首先,简述了间隙式SMA LRB的构造及工作原理.其次,进行了间隙式SMA支座的性能试验.最后,基于OpenSees,以一个5层框架结构为例,对比了有无隔震支座结构的地震响应,探讨间隙大小对减震效果的影响.弹塑性时程分析结果表明,该隔震支座在小震时仅拥有橡胶支座提供的较低刚度,上部结构表现出理想的地震响应.随地震动强度增大,SMA进入工作状态,提高了支座的水平刚度,并提供一定的自复位功能,有效地减小结构残余变形.该装置具有较好的自复位、限位和耗能能力.

基于SMA复合橡胶支座的建筑结构自适应隔震

提出一种应用形状记忆合金拉索耗能器复合普通橡胶支座(简称SMA复合橡胶支座)的新型建筑结构自适应隔震体系,给出了该隔震支座的详细构造和工作机理,研究了SMA复合橡胶座的智能性,分析了基础隔震结构计算模型.验证了形状记忆合金在建筑结构自适应隔震方面的有效性与适用性.

SMA铅芯橡胶支座在墩底隔震桥梁设计中的应用

为提高某高架连续梁桥墩底隔震能力,在墩底处安装加入形状记忆合金(SMA)拉索的方形铅芯橡胶支座。根据形状记忆合金材料的相变超弹性,以变形等价为原则,将该材料的滞回曲线分解为刚弹性恢复回位曲线和滞回耗能曲线,通过线性叠加方法在SAP2000软件中模拟该支座的本构关系,进行地震响应分析。结果表明:纵桥向上,该新型桥梁隔震体系支座最大位移基本不变、中间墩承台底的最大弯矩平均降低57.18%,中间墩墩顶最大弯矩平均降低75%,可见整体隔震效果优于安装普通支座的墩底隔震体系。

SMA-橡胶复合支座在结构隔震中的应用研究

在分析了普通橡胶支座的优点和缺点,基于SMA材料形状记忆性能、高阻尼性能设计了一种新型SMA-橡胶复合支座,大变形、高阻尼及变形可恢复等优点。研究了SMA材料的力学特性和本构关系;对复合支座中的SMA索的内力取值进行了推导,并从技术角度对复合支座的设计进行了研究。通过分别设置SMA-橡胶复合支座和普通橡胶支座在地震作用中的动力响应分析比较,得出了新型复合支座对上部结构的加速度、位移计构件内力均有明显的控制效果,非常适合于实际工程的应用,为结构减震设计提供了参考。

强震下智能隔震支座研制及恢复力分析

为减小强地震对建筑破坏带来的损失,隔震装置就显得尤为重要,目前比较好的结构控制法之一是结构半主动控制.本文用形状记忆合金(SMA)和叠层橡胶支座以及温感控制器三者结合研制在强震下以半主动控制的方式的智能隔震支座,分析并研究了半主动控制的智能隔震支座的工作过程以及工作原理,用结构动力学分析法写出了运动方程,用MATLAB编程计算拟合实验数据.分析结果表明:叠层橡胶支座、SMA复合支座以及半主动智能隔震支座均具有较好的隔震效果;半主动智能隔震支座的隔震效果明显比叠层橡胶支座和SMA复合支座隔震效果要好,尤其是在强震下会表现的更加突出.这为结构振动控制控的隔震设计以及工程实际应用提供微薄的理论基础.

形状记忆合金丝-橡胶支座钢框架隔震效果分析

根据作者开发研制的形状记忆合金丝-橡胶复合支座,建立了传统抗震结构和两种不同支座隔震结构体系的运动方程,并对某个实际工程四层钢框架结构进行了数值模拟,分析其在阪神波和ElCentro波作用下的时程反应。研究表明,SMA丝-橡胶复合支座是一种很有效的隔震装置,将它用于钢框架结构,能有效地减小结构的位移、速度及加速度时程反应,而对于加速度峰值较大的阪神波的隔震效果更为明显,说明该复合支座能有效地提供罕遇地震作用下钢结构的隔震效果。

多遇地震下SMA-叠层橡胶支座力学性能模拟

为研究所设计的形状记忆合金(SMA)-叠层橡胶支座在多遇地震下的隔震性能.采用Auricchio&Sacco本构模型对SMA材料进行数值模拟,验证此本构模型能够较好的描述SMA材料的超弹性特性;对SMA材料进行了超弹性拉伸试验,研究了应变幅值、加载速率和循环次数等因素对SMA超弹性力学性能的影响;通过建立SMA-叠层橡胶支座模型,有限元分析得到恢复力-位移滞回曲线,分析了位移和荷载变量对支座的等效水平刚度、等效阻尼比和单位循环耗能的关系.结果表明:SMA-叠层橡胶支座在多遇地震下表现出较好的耗能能力和水平刚度,且随着地震灾害的加剧,这些优良特性表现出稳定上升趋势,说明SMA-叠层橡胶支座确实具有有更理想的隔震效果.