形状记忆合金自复位耗能连梁节点滞回性能研究.pdf

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摘要

形状记忆合金（SMA）因其优异的超弹性，在抗震应用中显示出巨大的潜力。

为了促进SMA在结构抗震中的应用，本文依托国家自然科学基金重大项目：钢结

构高效抗震体系研究），对SMA材料性能和SMA自复位耗能连梁节点

的滞回性能开展了系统的研究，主要工作和结论如下：

首先对SMA板的热力学性能进行测试，确定了相变特征温度。随后进行了58

个SMA板的单调拉伸、循环拉伸和循环拉压试验，分析了试件厚度、试验温度、

训练方案和加载制度等试验参数对SMA板滞回性能（峰值强度、自复位能力、耗

能能力）的影响。试验结果表明：三种厚度（4、6、8mm）SMA板的极限强度最

大相差16.6%，残余应变最大相差68%。试验温度对SMA板的强度和自复位能力

产生影响，在25℃时SMA板的极限强度比0℃时提高64.3%，然而0℃时SMA板

的残余应变达到25℃时的7.11倍。最适用的训练方案为4%拉伸训练，能使SMA

板的残余应变减小35.5%，极限强度提高8.6%，而SMA板在承受循环拉压荷载时

无需进行训练。SMA板在循环拉压荷载下应力-应变曲线表现出明显的非对称特征，

相同应变时压应力高于拉应力，而且受压响应的可恢复应变更小。与循环拉伸相比，

循环拉压时SMA板的残余应变从0.64%降低到0.19%，因为反向压缩载荷可以有

效抑制SMA板中的马氏体的局部滑移。提出了考虑残余应变和拉压非对称特性的

SMA本构模型，可以准确预测超弹性SMA的应力-应变性能。

基于损伤控制的抗震理念，提出了一种新型SMA自复位耗能连梁节点，对15

个连梁节点进行了拟静力试验，试验参数包括连接板材料、连接板层数、SMA-

Q160/铝合金（ALA）刚度比、螺栓预紧力和加载制度，分析了连梁节点的抗弯强

度、刚度、延性、自复位能力和耗能能力等滞回性能。试验分析结果表明：配置两

层SMA试件的抗弯强度和刚度分别为配置一层SMA的1.96和1.79倍。所有连

梁节点的转动能力均大于4%转角。只配置超弹性SMA的连梁节点表现出良好的

自复位性能，从4%转角卸载时，最大残余转角仅为0.35%。配置SMA-Q160/ALA

并联体系使连梁节点的耗能能力得到显著提高，总耗能和等效粘滞阻尼系数分别

达到SMA连梁节点的2.96和3.73倍，而且，SMA-Q160/ALA连梁节点最高能够

恢复79.2%的加载转角。与利用螺栓滑动摩擦耗能相比，采用SMA-Q160/ALA并

联体系是提高连梁节点耗能能力的更优方法，其耗能能力达到螺栓滑动摩擦耗能

试件的3倍，而且残余转角仅为螺栓滑动摩擦耗能试件的66.9%。

利用ABAQUS建立了SMA自复位耗能连梁节点的精细有限元模型，系统研

究了SMA-Q160刚度比和SMA-ALA刚度比对连梁节点滞回性能的影响。数值分

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重庆大学博士学位论文

析结果表明：SMA-Q160/ALA刚度比对抗弯强度、自复位能力和耗能能力产生耦

合影响，当SMA和Q160/ALA厚度比分别从0.08增加到0.58和0.33时，无量纲

抗弯强度从0.13增加到0.74，SMA厚度从2mm增加到20mm时，残余转角减小

86.8%，Q160/ALA厚度从2mm增加到20mm时，总耗能增加6倍。

基于本文提出的SMA本构模型，通过对SMA自复位耗能连梁节点滞回性能

的综合分析，提出了连梁节点的滞回性能计算方法，推导了弯矩-转角骨架曲线和

抗弯强度的计算公式，根据有限元参数分析的结果，利用遗传算法拟合了残余转角

的计算公式，并将理论值与试验、有限元值进行了对比。理论分析结果表明：理论

公式得到的骨架曲线能准确反映连梁节点的弯矩随转角的变化趋势，而且理论公

式能准确计算连梁节点的抗弯强度和残余转角。

关键词：形状记忆合金；连梁节点；自复位性能；滞回性能

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