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形状记忆合金被动拉索控制大跨空间结构地震响应研究

泮忠元  
【摘要】: 形状记忆合金(Shape Memory Alloys,简写SMA)材料是一种新型的功能材料,具有独特的形状记忆效应,即在低温下产生的塑性变形,经高温后可完全消失并能恢复到初始状态,如果其形状恢复受到限制,则将产生巨大的相变恢复力。同时,SMA材料还具有良好的相变超弹性性能和变阻尼特性等,能够吸收金和耗散较大的外界能量,从而减小结构的地震响应。 本文利用SMA材料的相变超弹性性能和变阻尼等特性,应用SMA被动拉索对大跨空间结构的地震响应进行控制,主要研究内容如下: (1)分析了目前结构振动控制理论和应用中存在的主要问题,介绍了其最新研究进展和动态,指出了大跨空间结构进行抗震控制的必要性; (2)针对大跨空间网架结构的主要受力和变形特点,研究了大跨空间网架结构的抗震控制方法及其相应的控制机理,通过比较分析,选择了合理有效的抗震控制方案,建立了相应的力学分析和计算模型; (3)分析了SMA材料的主要本构模型,并对其优缺点进行了比较,选择便于应用的Brinson一维本构模型,采用ANSYS有限元分析程序,模拟了SMA材料的恢复力本构模型; (4)进行了SMA材料恢复力本构模型的试验,通过改变试验参数,研究了SMA材料的恢复力特性及其影响因素,并与有限元分析结果进行了比较,两者吻合较好,文中所提SMA材料恢复力本构模型可供工程应用时参考; (5)根据SMA材料相变超弹性的特点,设计了便于集成和应用的SMA被动拉索并将其应用于单层多跨空间网架结构的抗震控制之中,进行了相应的地震反应时程分析,探讨了其控制机理和规律,检验了其控制效果。结果表明,在空间网架结构的柱间支撑上设置SMA被动拉索控制系统,不仅能够有效地减小结构的地震响应,而且构造简单,便于应用,因此具有很好的工程应用前景。


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