一种新型形状记忆合金_SMA_粘滞阻尼器

新型材料―形状记忆合金阻尼器(SMA)的减振技术和工程应用摘要形状记忆合金（SMA）是一种在结构振动控制领域具有广阔应用前景的智能材料。

本文介绍了形状记忆合金最显著的两个特性：形状记忆效应和超弹性，并详细总结了形状记忆合金在结构振动控制中的应用。

关键词：形状记忆合金；减振；应用abstract形状记忆合金是一种智能材料，在结构振动控制领域有着广阔的应用前景。

本文介绍了形状记忆合金的两个重要特性：形状记忆效应和超弹性，总结了其最新的应用说明。

关键词：形状记忆合金；阻尼；应用1前言形状记忆合金是一种新型功能材料，具有许多特殊的力学性能。

与其他金属耗能器相比，采用形状记忆合金超弹性效应（SE）设计的被动耗能器具有耐久性好、耐腐蚀性好、使用寿命长、变形量大、变形恢复快等一系列优点，因此在结构振动控制领域具有良好的应用前景[1-4]。

形状记忆合金被设计成耗能器用于土木工程结构的振动控制是从上世纪90年代初开始的,并且到目前为止,大多数研究主要针对形状记忆合金的超弹性性能展开。

例如,graesser[5]等人提出的用于桥梁结构的2形状记忆合金的发展历史形状记忆合金的形状记忆效应早在1932年就被美国学者olander在aucd合金中发现了，在1948年苏联学者库尔久莫夫等曾预测到有一部分具有马氏体相变的合金会出现热弹性马氏体相变，在1951年张禄经和t.a.read报道了原子比为1:1的csci型aucd合金在热循环中会反复出现可逆相变，但是都未引起人们足够的注意。

形状记忆合金是一种新型功能材料，1963年成为一个独立的学科分支。

当时，美国海军武器实验室W.J.Buehler博士领导的研究团队发现，由于温度不同，镍钛合金的工作性能有显著差异，这表明合金的声学阻尼性能与温度有关，通过进一步研究，研究发现，原子比接近等的Ni-Ti合金具有良好的形状记忆效应，并报道了X射线衍射的研究结果。

后来，镍钛合金作为商品进入市场，原子比几乎相等的镍钛合金商品被命名为镍钛诺。

第47卷　第6期2008年　11月中山大学学报(自然科学版)ACT A S C I E NTI A RUM NAT URAL I U M UN I V ERSI T ATI S S UNY ATSE N IVol 147　No 16Nov 1　2008新型S MA 2粘滞阻尼器的试验研究3禹奇才,刘爱荣,姚　远(广州大学土木工程学院,广东广州510006)摘　要:研究了常温下N iTi 形状记忆合金(SMA )丝的超弹性性能以及在不同加载频率下的滞回性能,获得了其力学参数;基于N iTi S MA 丝和成品粘滞阻尼器设计研制了一种新型S MA 2粘滞阻尼器,并通过试验研究了S MA 2粘滞阻尼器加载频率与耗能能力、等效阻尼比、等效刚度间的关系。

研究结果表明,所研制的S MA 2粘滞阻尼器具有优良的耗能能力,适合于长周期结构的振动控制。

关键词:形状记忆合金;粘滞阻尼器;SMA 2粘滞阻尼器;耗能中图分类号:U448125;T U31113 文献标识码:A 文章编号:052926579(2008)0620120204 优良的振动控制装置可以有效地改善和提高工程结构的动力性能,大幅度减轻工程结构在强风和地震作用下的反应,确保结构在强烈振动下的安全性。

而振动控制装置的研发往往依赖于工程材料的发展,近年来利用智能材料独特的性能,开发阻尼耗能器与减震器成为工程界的一个研究热点。

形状记忆合金作为一种新型的智能材料,在工程结构振动控制中得到了广泛的应用[1]。

与普通材料相比形状记忆合金具有独特的形状记忆效应和超弹性效应、高阻尼和变刚度特性、较好的抗腐蚀能力、抗疲劳效应、较大的可恢复应变(达6%～8%)、在工程应用的温度和频率区间具有稳定的力学性能等等[2-3]。

到目前为止,各国学者基于形状记忆合金材料已经研制出了针对不同结构振动控制的阻尼器。

1994年美国Robery 领导的研究小组研制出了S MA 中心引线(CT )型阻尼器[4];2000年Maur o 等在Robery 研究的基础上基于试验将CT型阻尼器进一步改进[5];2004年彭刚建立了CT 型阻尼器的力学模型[6];我国学者姜袁等利用S MA 丝和S MA 弹簧设计制作了一种伸缩式S MA 阻尼器[7]。

第8卷　第4期2009年　8月　广州大学学报(自然科学版)Journal of Guangzh ou University(Na tural Science Edition)Vol .8　No .4A ug .　2009 收稿日期6;　修回日期 基金项目广东省科技计划项目(5B 3);广州市科技计划项目(62) 作者简介刘爱荣(),女,教授,工学博士2L I U 22R @63文章编号:167124229(2009)0420075203基于新型S MA 2粘滞阻尼器的斜拉桥振动控制研究刘爱荣,禹奇才,姚　远(广州大学土木工程学院,广东广州　510006)摘　要:基于NiTi 形状记忆合金(S MA )丝和成品粘滞阻尼器设计研制了一种新型S MA 2粘滞阻尼器,并将其应用于一大跨度斜拉桥的振动控制;建立了S MA 粘滞阻尼器—大跨度斜拉桥的动力有限元计算模型,计算结果表明:和普通粘滞阻尼器相比,文章所设计的S MA 2粘滞阻尼器的耗能减振效果更为明显,能有效地降低大跨度斜拉桥桥塔和主梁在简谐振动和地震作用下的位移幅值.关键词:S MA 2粘滞阻尼器;大跨度斜拉桥;振动控制中图分类号:U 448.25;T U 311.3 文献标识码:A 随着现代交通事业的不断发展,大跨度桥梁的建设日新月异,与此同时其振动问题日渐突出,每年由于桥梁振(震)害造成的经济损失不计其数,如1999年台湾集集地震,震级716级,地震中大跨度斜拉桥集鹿大桥的一根斜拉索突然折断、桥塔开裂、混凝土剥落、支座损坏[1].大跨度桥梁结构的振动问题主要分为地震、风振和车-桥耦合振动,如何才能最大限度地降低或避免振(震)害的发生,目前最合理、有效的方法就是采用振动控制技术[2].利用智能材料对大跨度桥梁进行振动控制是当前研究的热点问题.形状记忆合金(S MA )作为一种新型的智能材料,最明显的特征就是形状记忆效应和伪弹性效应,其阻尼和刚度都会随着材料的变形和外界温度的影响而改变,且具有驱动力大、阻尼高、低频耗能强等特点.大跨度桥梁结构柔,振动周期长、能量高,从S MA 的特性来看,S MA 非常适合于桥梁结构的振动控制.利用S MA 制作的阻尼器具有抗疲劳性好、耐腐蚀强、可恢复变形大及性能稳定等优点,运用到大跨度桥梁的振动控制上,可以提高桥梁的阻尼性能,抑制桥梁的大幅振动,从而增加了大跨度桥梁结构的振动可靠性[3-4].1　S MA 2粘滞阻尼器的设计本文设计的S MA 2粘滞阻尼器如图1所示.利用S MA 丝的超弹性滞回耗能的特点,在普通油压粘滞阻尼器的外壳上设置若干组S MA 丝,每组2根S MA 耗能丝一端锚固在固定板上,另一端锚固在固定螺丝上.通过调节固定螺丝,可张拉形状记忆合金丝,使S MA 产生预应变.当粘滞阻尼器活动端产生相对位移时,粘滞阻尼器发挥其阻尼耗能作用.在此期间,连接杆带动滑块产生位移,迫使合金丝左右运动,使得每组合金丝的一侧被拉伸,一侧收缩,在左右两侧的合金丝共同作用的过程中,S MA 丝超弹性高阻尼的特点得到了充分利用,从而达到与粘滞阻尼器共同耗能的作用[5-6].图1　S MA 2粘滞阻尼器照片Fig .1　The phot o of a S MA 2fl uid vis cous da mpe r 普通油压粘滞阻尼器是通过迫使阻尼筒中的硅油通过活塞上的小孔来产生阻尼力,阻尼力与加载速度有关,通常在低频情况,由于加载速度较:2009-02-2:2009-04-01:2001020102200J1C0471:1972-.E mail:A 广州大学学报(自然科学版)第8卷　小,导致阻尼力较小,耗能能力较弱,S MA 丝材在低频下具有较强的能量耗散能力,正好可以弥补普通粘滞阻尼器的不足.2　安装S MA 2粘滞阻尼器的大跨度斜拉桥动力分析模型 为了验证本文所设计的S MA 2粘滞阻尼器的减震效果,采用ANSYS 软件建立了某大跨斜拉桥的有限元动力分析模型,如图2.该桥主跨为360m ,边跨为168m ,桥宽28m,塔高162m ,全桥共设斜拉索116对,加劲梁采用空间鱼刺梁结构模拟.梁、塔单元采用ANSY S 软件中的弹性梁单元(B ea m 4)模拟;斜拉索采用三维杆件单元(Link 10)模拟;S MA 粘滞阻尼器采用弹簧—阻尼单元(Com bin 14)模拟.图2　斜拉桥有限元模型图F ig .2　The finite e le m ent model of cable stayed bridge3　S MA 2粘滞阻尼器对大跨度斜拉桥振动响应的影响3.1　简谐波作用下桥梁响应分析图3(a )和(b )分别给出了在模拟车辆荷载的简谐激励下,大跨度斜拉桥在安装S MA 2粘滞阻尼器和普通粘滞阻尼器两种情况下,主梁梁端和塔顶的纵桥向位移时程响应曲线.图3　简谐振动作用下桥梁顺桥向位移时程曲线Fig .3　The ti me history of dis p l acement in l ongitudina l direc ti on of t he bridge under si mple ha r monic vibrati on 在简谐波顺桥向激励下,该斜拉桥装有普通粘滞阻尼器时,梁端位移峰值分别为-518mm 、2314mm ,塔顶位移峰值分别为-1413mm 、2316mm ;而采用S MA 2粘滞阻尼器时,梁端位移峰值分别为-417mm 、1513mm ,位移幅值降低分别为1219%、3416%;同样,当装有S MA 2粘滞阻尼器时,塔顶位移峰值分别为-714mm 、1418mm ,与普通粘滞阻尼器减振相比,降低幅值分别为4813%、3713%.由此可见,与普通粘滞阻尼器减振比较,S MA 2粘滞阻尼器能有效地降低斜拉桥桥塔、梁体的位移反应,尤其在低频简谐荷载作用下,梁端顺桥向的减振效果更为明显,可以克服普通粘滞阻尼器刚度对低频荷载不敏感而无法有效降低桥梁梁体、桥塔过大位移的缺陷.3.2　E l 2Centr o 波作用下桥梁响应分析图()和()分别给出了在2波激励下,该桥在安装S M 2粘滞阻尼器和普通粘滞阻尼器两种情况下,主梁梁端、塔顶的纵桥向位移时程响应曲线. 从图4可知,在El 2Centr o 波顺桥向激励下,采用普通粘滞阻尼器减震时,梁端位移峰值分别为-717mm 、3314mm ,而塔顶位移峰值分别为1918mm 、-2215mm;采用S MA 2粘滞阻尼器减震时,梁端位移峰值分别为-619mm 、2711mm ,与之相比,位移降低幅值分别为1014%、1819%,塔顶位移峰值分别为1812mm 、-1613mm ,与普通粘滞阻尼器减震相比,降低幅值分别为811%、2716%.由此可见,在地震波作用下,与普通粘滞阻尼器比较,S MA 2粘滞阻尼器能更有效地降低桥梁梁体、桥塔的位移反应.4　结　论()本文所研制的S M 2粘滞阻尼器适合于长周期大跨度斜拉桥的振动控制,具有良好的减震应用前景674a b El Centr o A 1A .　第4期刘爱荣等:基于新型S MA 粘滞阻尼器的斜拉桥振动控制研究 图4　El 2Centro 波作用下桥梁顺桥向位移、加速度时程曲线Fig .4　The ti me hist o ry of dis p lacement in l ongitudina l direc tion of t he bridge unde r El 2Centr o wave (2)与普通粘滞阻尼器相比,本文研制的S MA 2粘滞阻尼器减振耗能效果更为明显,可不同程度地降低大跨斜拉桥在简谐波和地震波作用下主梁和桥塔的位移响应.参考文献:[1]　YE N W H .Le ss ons learned about bri dges fro m earthquake in Ta i w an[J ].J Public Roads,2002,(1):20223.[2]　陈海泉,刘建涛,李忠献.应用形状记忆合金的桥梁结构振动控制研究及发展[J ].世界地震工程,2002,18(2):85293.CHE N Ha i 2quan,L I U Jian 2tao,L I Z hong 2xi an .R esearch and development of bridge vibration control by shape m e mory a ll oy [J ].World Earthquake Eng,2002,18(2):85293.[3]　刘爱荣.形状记忆合金本构模型及其有限元分析[D ].成都:西南交通大学,2001.L I U Ai 2rong .Constit utiv e models of shape memory all oys and t heir app lica ti ons in finite element analysis [D ].Cheng du:South west J iaot ong Univ,2001.[4]　刘爱荣,禹奇才,袁向荣,等.基于S MA 阻尼器的长拉索系统振动控制研究[J ].中山大学学报,2009,48(1):982102.L I U Ai 2rong,Y U Qi 2ca i,Y UAN Xiang 2rong,et 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oped,which ha s been used t o contr ol the vibr a tion of long 2span cable stayed bridge .The dyna m ic finite ele m ent model of l ong span stayed bridge with S MA 2visc ous da mp 2e r is established,and the calculati on results show that the effec t of energy dissi pati on and vibrati on r eduction of S MA 2visc ous damper ismore distinct than the ordinary viscous damper .The S MA 2viscous da mper designed in this paper can reduce the dis p lace m ent of the to wer and ma in gir de r of l ong 2span cable stayed bridge efficiently under si mp le har monic and earthquake effect .K y S M 2;22y ;【责任编辑刘少华】77e wor ds:A viscous da mper long span cable sta ed bridge vibr a tion contr ol:。

SMA在土木工程中的应用研究综述发表时间：2020-12-08T10:40:40.573Z 来源：《基层建设》2020年第23期作者：李东翰[导读] 摘要：形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）作为一种新型的功能材料，受到土木工程界的广泛关注。

中国铁路通信信号上海工程局集团有限公司青岛分公司山东青岛 266000摘要：形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）作为一种新型的功能材料，受到土木工程界的广泛关注。

本文综述了近十几年来SMA在土木工程中的应用，分别对耗能阻尼器、耗能支撑系统和梁柱节点进行了总结和归纳。

指出存在的问题和今后的发展方向。

关键字：形状记忆合金（SMA）；土木工程；应用1 引言形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）是一种新型的功能性材料，具有独特的阻尼性能、形状记忆效应和超弹性效应。

国内外的很多学者对SMA在土木工程中的应用进行了大量的理论和实验研究，并取得了一定成果。

本文对SMA在土木工程中的应用进行了综述，并对今后的研究进行展望。

2 SMA材料的特点当SMA的温度高于奥氏体相变完成温度时，若加载应力超过弹性极限应力后继续加载SMA发生变形，此时，若卸载则SMA产生马氏体逆相变而恢复到奥氏体相状态，SMA变形将回复到初始状态。

此为SMA的超弹性效应。

SMA材料在马氏体状态下发生变形，经过加热升温至完全奥氏体状态时，材料恢复到变形前的形状。

这种特性为SMA的形状记忆效应。

另外，SMA还有高阻尼性能、滞后性能、高耐久性和抗疲劳性能等优良特性。

3 SMA在土木工程中的应用自上个世纪90年代初Graesser[1]等将SMA引入结构振动控制并进行相关研究以来，不少国内外学者对SMA在土木工程中的应用研究也陆续展开。

例如Indirli[2]采用SMA对1996年经历了4.5级地震的意大利San Giorgio教堂进行了修复。

桥梁抗震设计中的新技术应用在当今社会，桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，其安全性和稳定性至关重要。

尤其是在地震等自然灾害频繁发生的地区，桥梁的抗震设计更是成为了工程领域关注的焦点。

随着科技的不断进步，一系列新技术在桥梁抗震设计中得到了广泛应用，为提高桥梁的抗震性能提供了有力的支持。

一、新型材料的应用在桥梁抗震设计中，材料的选择直接影响着桥梁的抗震能力。

传统的建筑材料如混凝土和钢材在抗震性能方面存在一定的局限性。

近年来，一些新型材料的出现为桥梁抗震设计带来了新的机遇。

高性能纤维增强复合材料（FRP）是一种具有优异力学性能的新型材料。

它具有高强度、高弹性模量、耐腐蚀等优点。

在桥梁抗震设计中，FRP 可以用于加固桥梁的关键部位，如桥墩、桥台等。

通过在这些部位粘贴FRP 布或板，可以有效地提高结构的承载能力和变形能力，从而增强桥梁在地震作用下的稳定性。

形状记忆合金（SMA）也是一种具有独特性能的新型材料。

SMA具有形状记忆效应和超弹性特性，能够在受力变形后自动恢复原状。

将 SMA 应用于桥梁的支座和阻尼器中，可以有效地消耗地震能量，减轻桥梁结构的振动，提高抗震性能。

此外，自密实混凝土和高性能混凝土等新型混凝土材料的应用，也在一定程度上提高了桥梁结构的整体性和抗震能力。

二、隔震技术的发展隔震技术是桥梁抗震设计中的一项重要手段。

它通过在桥梁结构与基础之间设置隔震装置，将地震能量隔离或减少传递到上部结构，从而保护桥梁的安全。

橡胶隔震支座是目前应用较为广泛的一种隔震装置。

它由多层橡胶和钢板交替叠合而成，具有良好的竖向承载能力和水平变形能力。

在地震作用下，橡胶隔震支座能够通过水平变形吸收和消耗大量的地震能量，有效地减轻桥梁上部结构的地震响应。

摩擦摆式隔震支座也是一种常见的隔震装置。

它利用摩擦面的滑动来消耗地震能量，同时通过摆式结构的自复位能力实现结构的复位。

摩擦摆式隔震支座具有承载能力高、隔震效果好等优点，在大跨度桥梁的抗震设计中得到了越来越多的应用。