一種新型SMA-摩擦滑移復合支座的設計

(華南理工大學土木與交通學院 廣東 廣州 510640)

一、引言

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)是一類對形狀有記憶功能的材料，這種材料本身具有自感知、自診斷和自適應的功能。形狀記憶效應(Shape Memory Effect，簡稱SME)最早1932年美國學者A.Olander在研究AuCd合金中發現。直到1963年，美國海軍武器試驗室的Buehler偶然在NiTi合金中發現了SME，自此對SMA的研究才真正開始[1-3]。

二、形狀記憶合金特性

在 SMA 材料中，根據內部晶體架構狀態可將其分為奧氏體狀態和馬氏體狀態：處于奧氏體狀態時材料的彈性模量大、不容易發生變形、在較高的溫度中能保持穩定；而處于馬氏體狀態時材料的彈性模量小、容易發生變形、在較低的溫度中能保持穩定。從奧氏體狀態轉變為馬氏體狀態的相變稱為馬氏體正應變，反之稱為馬氏體逆應變[4]。

形狀記憶效應，是指由于SMA中的熱彈性馬氏體相變特性，當溫度下降到 Ms點以下，馬氏體晶核就會生成，并且急速長大到能觀察到一定大小；隨著溫度的進一步降低，已生成的馬氏體會繼續長大，同時還有新的馬氏體成核并長大；溫度下降到 Mf點，馬氏體長到最終大小，并不再長大。反之，當試樣處于全部馬氏體相狀態時，對其進行加熱，溫度上升到 As點時，馬氏體開始收縮；溫度繼續上升到 Af點時，馬氏體就會完全消失[5]。

三、形狀記憶合金(SMA)不足與展望

SMA本身價格較高，尚不能大規模應用于土木工程領域中，而這就有賴于技術水平和工業發展水平。只有當SMA的研究達到一定的高度，應用成本降下來了，該材料廣泛應用于生活中才能成為現實。

四、SMA-摩擦滑移復合支座的構想

各國學者關于建筑結構隔震技術的研究，主要是針對橡膠隔震支座體系以及摩擦滑移體系。

摩擦滑移隔震體系作為最早提出的隔震技術，是通過設置低摩擦的滑移元件，通過其與建筑結構之間的滑移活動和摩擦耗能來限制地震能量向上部結構傳遞。但由于摩擦滑移支座不具備自動復位的功能，往往要配合限位器等一起使用。

而形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)是一類對形狀有記憶功能的材料，這種材料本身具有自感知、自診斷和自適應的功能。目前SMA在土木工程領域主要應用于自復位阻尼器等。

SMA的超彈性和高阻尼特性等，正好能彌補摩擦滑移隔震支座的不足，而目前SMA材料與摩擦滑移隔震支座之間的復合應用還比較少。本文主要針對SMA-摩擦滑移復合支座提出一種新型設計。

(一)形狀記憶合金(SMA)的簡化本構模型

形狀記憶合金的超彈性效應(Superelasticity Effect，簡稱SE)是指當使用溫度超過Af時，處于奧氏體狀態下的SMA在經歷了較大的位移行程再恢復到原本狀態時幾乎不產生殘余變形的特性。

本文所選用的形狀記憶合金，考慮計算難度和設計難度，采用的是四折線模型。

(二)復合支座構造設計

SMA-摩擦滑移復合支座主要分為兩部分，第一部分為SMA絲絞線，第二部分為水平摩擦滑移支座。

水平摩擦滑移支座需具備足夠的豎向剛度和承載力，以承載上部結構的重量。

地震發生時，若地面激勵比較小，摩擦滑移支座與SMA絞線能共同克服地震作用，防止結構滑動；當地面激勵超過一定強度時，結構地震作用超過摩擦力，隔震滑動面產生滑動，進行隔震。

當上部結構與基礎頂面發生相對水平位移時，SMA此時有兩個作用：第一是通過發揮其超彈性特性，給復合支座提供自復位的功能；第二是地震作用發生時，SMA發揮自身的滯回效應，與摩擦滑移支座共同耗能，達到更好的減震效果。

(三)復合支座數值模擬

在SAP2000中設計一個四層框架結構(地上三層為上部結構，地下一層為基礎)進行數值模擬分析，如圖4-5所示。框架結構截面尺寸：梁截面為250×250，混凝土強度為C30，地上三層柱截面為500×500，混凝土強度為C30，地下層柱截面為600×600，混凝土強度為C40。梁、柱主筋采用HRB335，箍筋采用HPB235。假設結構各層的面荷載為10kN/m2。

建筑場地為Ⅱ類，設計地震分組為第一組，抗震設防烈度為8度(0.2g)，框架抗震等級為二級。

無控結構計算下，該結構的第一平動自振周期為0.5220s。

在有控結構中，本文采用的SMA絲參數如下：化學成分Ni原子分數為50.8%，Ti原子分數為49.2%，該材料在常溫下可提供超彈性效應。

在SAP2000中，可使用Link單元定義支座的屬性，分別用Multilinear Elastic支座和Plastic(Wen)支座來模擬，而摩擦滑移支座用Friction Isolator來模擬。

SMA-摩擦滑移復合支座的屬性，可將以上三種非線性單元并聯來模擬。首層往下1000mm定義為支座單元區，框架柱與基礎頂面連接處的柱子去掉，換上SMA-摩擦滑移復合支座，一共定義6個復合支座。

經計算，此時復合隔震支座第一自振周期為1.402s，較無控結構的第一自振周期0.5220s有了明顯的延長。

SPA2000中再進行時程分析，選用El-Centro波為輸入地震波，輸入方向為X軸方向，峰值加速度為0.40g。

計算對比結果：無控結構基底剪力峰值為5425kN，有控結構為960kN。

其中，若隔震支座只使用Friction Isolator支座模擬，即只使用摩擦滑移支座，支座節點處位移峰值為83.84mm，而加上SMA模擬單元后，支座節點處位移峰值為52.60mm，證明SMA確實能降低水平方向的支座位移。

五、結論

SMA的超彈性和高阻尼特性等，能彌補摩擦滑移隔震支座的不足。本文通過SAP2000對一算例進行分析，只使用摩擦滑移支座，支座節點處位移峰值為83.84mm；而加上SMA模擬單元后，支座節點處位移峰值為52.60mm，證明SMA確實能提高摩擦滑移支座限制位移的效果。