SMA-橡胶复合支座的设计与隔震性能

利用形状记忆合金超弹性变形下的滞回耗能性能,设计了一种SMA-橡胶复合隔震支座,建立了隔震支座的力学模型,对其隔震性能进行了研究。结果表明,本文提出的SMA-橡胶复合支座良好地改善了橡胶支座的隔震性能。     

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。     

SMA弹簧-摩擦支座基础隔震体系的地震响应分析

大尺寸超弹性形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)螺旋弹簧是一种可用于结构减振控制的阻尼器。然而,迄今为止这种超弹性阻尼器在土木工程结构隔震领域的研究较少。本文提出了一种SMA弹簧-摩擦支座(SMA Spring-Friction Bearing,简称SFB)并研究了其隔震性能。首先,在考虑材料内部相变过程的SMA本构关系模型的基础上,针对超弹性SMA弹簧的恢复力性能建立了一种便于工程应用的新的宏观现象模型。随后,推导了SFB隔震结构体系运动方程,利用MATLAB程序进行了结构地震响应的数值模拟。最后,将SFB隔震体系的地震响应与具有相同结构参数的纯摩擦支座(Pure Friction Bearing,简称PFB)隔震体系和摩擦摆(Friction Pendulum System,简称FPS)隔震体系的地震响应进行了对比分析。研究结果表明,SFB对上部结构具有良好的加速度减振效果,同时,该支座较其它两种滑动支座在降低隔震层位移峰值响应和抑制隔震支座残余位移两方面具有明显的优势。     

SMA绞线-叠层橡胶复合支座振动台试验研究

对一组SMA绞线-叠层橡胶复合支座进行了振动台试验。根据试验结果比较分析了SMA绞线-叠层橡胶复合支座与普通叠层橡胶支座的隔震性能,着重分析了位移幅值对支座工作性能基本参数如等效水平刚度、最大恢复力、单位循环耗能和等效阻尼比的影响以及这些参数的变化规律。从而证明了在罕遇地震作用下发生较大水平位移幅值时,SMA绞线-叠层橡胶复合支座比普通叠层橡胶支座可提供更大的恢复力和阻尼,更有利于阻隔地震对上部结构的作用和强震作用后上部结构的自动复位。     

橡胶隔震支座力学性能试验研究

在自行研制的压剪试验装置上进行了橡胶隔震支座水平刚度和竖向刚度等力学性能的检测试验研究,试验结果为建筑结构基础隔震设计和橡胶支座设计改进提供了依据。试验检测的产品已用于多个建筑工程。     

橡胶隔震支座竖向刚度简化计算法

本文提出了采用橡胶隔震支座刚度因子计算隔震支座竖向刚度的方法，在此基础上提出了适于工程应用的简化计算式，研究还进行了2种不同橡胶6种规格共12件试验体的竖向刚度及水平刚度试验。文末给出了该计算结果与试验结果的对比，表明本文所提计算方法适合于工程使用。     

建筑用铅芯橡胶隔震支座温度性能研究

详细研究了建筑隔震结构中铅芯橡胶隔震支座的温度特性。内容包括三个方面：首先是一定温度条件下进行的温度相关性试验,温度范围由—20℃至40℃;其次进行了高温燃烧并经冷却后的基本性能及界限性能试验;最后研究完成了恒温100℃状态下老化185小时和240小时的长期性能试验。在试验结果的基础上,提出了支座屈服后刚度及屈服荷载的温度修正方程。     

II型SMA-橡胶隔震支座及其理论模型

将形状记忆合金(SMA)索与普通叠层橡胶垫复合可以形成具有滞回阻尼性能的SMA-橡胶隔震支座。在原SMA-橡胶支座(I型)的基础上,在支座中增加弹簧改善SMA耗能拉索的功能,设计了II型SMA-橡胶支座,建立了支座的理论模型。通过数值计算详细考察了此种支座的工作特性,并与Ⅰ型SMA-橡胶支座的性能进行了对比。     

Ⅱ型SMA-橡胶隔震支座及其理论模型

将形状记忆合金（SMA）索与普通叠层橡胶垫复合可以形成具有滞回阻尼性能的SMA-橡胶隔震支座。在原SMA-橡胶支座（Ⅰ型）的基础上,在支座中增加弹簧改善SMA耗能拉索的功能,设计了Ⅱ型SMA-橡胶支座,建立了支座的理论模型。通过数值计算详细考察了此种支座的工作特性,并与Ⅰ型SMA-橡胶支座的性能进行了对比。     

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。     

一种放大位移型SMA阻尼器的减震控制分析

利用形状记忆合金(SMA)材料的超弹性,本文提出了一种放大位移型SMA阻尼器,建立了装有该阻尼器的框架有限元模型并对该框架的地震反应实施了模拟减震控制。分不安装阻尼器、安装不放大位移阻尼器和安装放大2倍层间位移阻尼器三种工况,输入El Centro和Taft地震动,对比研究了阻尼器的减震控制效果。分析结果表明:(1)放大位移型SMA阻尼器的控制效果优于不放大位移型SMA阻尼器;(2)该放大位移型SMA阻尼器对位移的控制效果优于对加速度的控制效果。     

SMA-LRB复合型支座隔震连续梁桥地震易损性分析

SMA-LRB复合型支座是在LRB支座上布置SMA丝的一种新型减隔震装置。文中分别对SMA丝单线交叉和双线交叉布置的SMA-LRB复合型支座进行试验研究,结果显示,SMA丝双线交叉布置的SMA-LRB复合型支座的性能更好。采用OpenSees软件建立了分别设置LRB和SMA丝双线交叉布置的SMA-LRB复合型支座的隔震连续梁桥有限元模型,并进行地震时程分析,通过地震易损性分析得到了桥墩和支座的易损性曲线。结果表明,SMA-LRB复合型支座可以有效减小主梁的残余位移,在地震中SMA-LRB复合型支座依靠其良好的自复位和耗能能力,能够避免变形过大引起的剪切破坏。     

一种形状记忆合金半主动TMD系统的试验研究

针对调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)系统应用于轻型结构时易失调从而导致减振效果下降的问题,提出了一种新型形状记忆合金半主动TMD系统。该系统利用钢索悬吊质量块并承担其全部重量,使用有效截面为矩形的大尺寸镍钛形状记忆合金棒材,提供TMD系统水平面2个方向不同的抗弯刚度。为了研究该系统的半主动性能,进行了足尺形状记忆合金半主动TMD系统的自由振动试验,通过改变形状记忆合金的工作温度,研究了温度变化对TMD系统频率及阻尼比的影响。研究结果表明,控制形状记忆合金工作温度从-40～+80℃,TMD系统的频率随温度升高呈现升高趋势,而阻尼比随温度升高呈现下降趋势。将该新型形状记忆合金半主动TMD系统应用于受控结构中,一旦TMD失调,可以通过改变形状记忆合金的温度使其重新调谐。因此,设计的新型形状记忆合金TMD系统在轻型结构减振研究中具有一定的工程应用价值和前景。     

轻轨铁路站桥结构体系抗震分析与隔震研究

本文结合地处高烈度地震区的天津轻轨工程,对轻轨铁路站桥结构体系进行抗震分析,并探索减轻其地震灾害、提高其抗震能力的隔震措施。研究结果表明,按照现行有关抗震设计规范规定的反应谱值设计的站桥结构体系的抗震安全性存在不足,设计必须按工程建设场地地震危险性评价给定的反应谱值对站桥结构体系进行时程分析,才能保证轻轨铁路的抗震安全性。通过在车站建筑与高架桥梁之间的连接部位安装新近研制的SMA复合橡胶支座隔震装置,可以有效地提高轻轨铁路站桥结构体系的抗震能力。     

多维地震作用下大跨空间结构的减震控制分析

考虑到多维地震输入对网架结构的不利影响,基于形状记忆合金超弹性,研制出一种兼具自复位、高耗能及放大功能于一体的形状记忆合金复合黏滞阻尼器(Hybrid Shape Memory Alloy Viscous Dampers,简称HSMAVD),并通过试验研究该阻尼器在循环荷载作用下的力学性能;然后以平面四角锥网架模型为基础,将该阻尼器替换部分网架结构杆件,并分析该阻尼器减震控制效果。结果表明形状记忆合金与黏滞阻尼器复合后具有良好的协同工作能力,可有效发挥形状记忆合金的超弹性和黏滞阻尼器的速度相关特性,使其具有稳定的滞回性能和良好的耗能能力;采用阻尼杆件替换原杆件的方法既能对结构进行有效的减震控制,又不改变原有的结构形式,是一种优越的减震控制方法,并为HSMAVD被动控制系统在结构抗震中的实际应用提供新思路。     

SMA弹簧-摩擦支座滞回性能试验研究

通过试验研究了一种新型SMA弹簧-摩擦支座(SMA Spring-Friction Bearing,简称SFB)的滞回性能.首先,研制了大尺寸NiTi记忆合金(NiTi SMA)螺旋弹簧.在此基础上,加工制作了SFB试件实物模型,对其进行了拟静力试验研究.考察了竖向压力、位移幅值和加载频率对SFB的恢复力-位移曲线以及等效刚度、单位循环耗能、等效阻尼比和等效动摩擦系数的影响.研究结果表明:SFB在水平方向呈现独特的恢复力-位移曲线;SFB的滞回曲线饱满、耗能能力较好,且具有一定的复位能力;竖向压力、位移幅值对SFB力学参数有一定影响,而在试验加载频率区间其力学参数较为稳定.     

板式支座与铅芯支座连续梁桥振动台试验对比分析

通过对分别采用板式支座和铅芯支座的2座3跨连续梁桥模型进行振动台试验,对比分析了这2类桥梁的动力特性、破坏过程及2种支座对连续梁桥地震反应的影响。研究结果表明：地震波特性对桥梁结构的地震反应有较大影响,在对桥梁结构进行抗震设计时,需选择合理的地震动输入;在地震强度较小时,板式支座的滑动能够起到一定的隔震效果,铅芯支座的隔震性能能得到较好的发挥;在地震强度较大时,铅芯支座的隔震性能不能得到很好的发挥,采用铅芯支座的桥梁地震反应不一定小于普通桥梁;通过合理的设计,2类桥梁都完全可以实现大震不倒的设防目标。     

近场脉冲地震下间隙式SMA-NSD摩擦支座简支桥梁隔震研究

隔震技术在提高多跨桥梁抗震性能方面已有广泛应用,然而传统隔震支座在近场脉冲地震动作用下容易产生残余位移较大、底部剪力水平较高、以及限位能力不足等问题。目前尝试解决上述问题主要有2个途径：一方面利用形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)的隔震支座能有效控制峰值位移和残余位移,但同时会增加结构的内力响应;另一方面,利用负刚度(negative stiffness device, NSD)的隔震支座可以有效减小结构的内力响应,但可能会引起较大的残余位移。基于太平洋地震研究中心数据库提供的28条近场脉冲波,充分评估了间隙式SMA隔震支座和NSD隔震支座应用于多跨简支桥梁在四水准(小震、中震、大震和巨震)作用下的隔震性能。在此基础上,结合SMA与NSD各自的优点,提出一种间隙式SMA-NSD摩擦隔震支座并分析了其隔震性能。研究结果表明,该支座可显著降低NSD支座引起的残余变形并同时有效控制SMA支座引起的底部剪力。