形狀記憶合金在鋼結構中的應用

吳 靜

（太原學院建環系 山西 太原 030031）

1 引言

地震是人類面對的最嚴重的自然災害之一[1]，防震減災、建設韌性城市一直是建筑界的中心問題。鋼結構因為自重輕、抗震性能好等優點在我國應用廣泛，許多體育館、機場、影視院等建筑中均可以見到鋼結構的身影，在地震來臨時，這些大跨度的鋼結構公共建筑經常被用來當作地震避難所使用，所以鋼結構的抗震性能對于整個城市的防災減震具有重要的意義。傳統的抗震方法主要是通過結構本身的塑性變形和滯回耗能來耗散能量，但是由于各種原因在大的地震下結構中的某些部位會發生嚴重的塑性變形甚至發生破壞影響到整個建筑的抗震性能，這些發生破壞的部位通常是結構的主要受力構件，其恢復也成了很多工程師困擾的問題，同時傳統的抗震方法對控制建筑成本來說并不友好。而今擁有優異的形狀記憶能力、高彈性、超強的恢復性、耐腐蝕性和抗疲勞性能的形狀記憶合金走進工程師們的視野，成為對鋼結構進行抗震控制的有效手段，引起了業界的關注[2]。

2 形狀記憶合金的性能

早在1932年，Arne?lander就發現Au-Cd合金可以記住其初始狀態，遺憾的是這并未引起人們的重視。直到1963年，Buehler發現Ni-Ti合金具有良好的形狀記憶能力，此后關于形狀記憶合金的研究如雨后春筍般不斷涌現。形狀記憶合金一開始在航天航空和醫療領域應用，近年來隨著人們對形狀記憶合金研究的不斷深入，該材料的價格也不斷降低，使其在鋼結構中作為耗能減震構件應用前景廣闊[3]。與傳統的建筑材料相比，形狀記憶合金具有優越的形狀記憶能力、超彈性等優點。

2.1 形狀記憶能力

形狀記憶合金在產生一定限度的變形后可以通過加熱的方式使材料恢復至變形前的狀態，我們稱之為材料的形狀記憶效應[4]。根據材料的記憶情況，又可以將材料的形狀記憶效應分為單程、雙程以及全程的形狀記憶效應。單程的形狀記憶效應是材料中的奧氏體和馬氏體在達到對方的轉換溫度時可以相互轉換，但是在逆變過程中馬氏體會回到奧氏體原有的狀態；雙程的形狀記憶效應是合金在馬氏體相下由于外力作用產生了錯位或者不可逆的變形，加熱過程中馬氏體中的可逆部分變為奧相體，低溫時又形成一定量的馬氏體，材料在反復的高溫和低溫狀態下能反復回到高溫和低溫下的形狀；全程的記憶效應在合金產生一定限度的變形后通過加熱可以使材料回到初始的狀態，但是通過冷卻可以使材料變為與初始形狀相反的方向。

2.2 超彈性

形狀記憶合金產生非彈性塑性應變后如若繼續加載，那么材料內部會出現熱彈性馬氏體形變，這種形變下的馬氏體在應力解除后即便不加熱也會回到母相狀態，材料的變形也會隨著逆變回到初始的狀態，當應力降為零時，應變也會恢復為零，且應力與應變之間呈現明顯的非線性特征，我們把形狀記憶合金的這種特性稱為材料的超彈性或者偽彈性效應[5]。形狀記憶合金的施工工藝包括熱處理、冷變形等，都會對材料的超彈性產生影響，所以在實際工程中應用形狀記憶合金時需要對材料進行“處理訓練”。此外，研究表明形狀記憶合金的彈性模量還會隨著溫度的改變發生改變，這種特性成為控制結構振動的主要因素之一。

2.3 高阻尼性能

形狀記憶合金的高阻尼性源自馬氏體中相界面、孿界面及界面的運動。材料的阻尼特性可以用比阻尼來表示，比阻尼越大，表示材料的阻尼特性越好，鋼結構中使用的普通低碳鋼其比阻尼僅為6%，而形狀記憶合金的比阻尼高達40%。鋼結構正是利用形狀記憶合金的高阻尼特性來達到耗能減震的效果。

2.4 高恢復力性

如若形狀記憶合金在外力作用下產生了很大的塑性變形，那么在溫度升高的過程中合金會由于約束在內部產生較大的恢復力，比如Ni-Ti合金所能產生的恢復力高達500～900 MPa，合金所處的溫度、相變程度以及初始殘余變形都對形狀記憶合金產生的恢復力大小有很大影響。形狀記憶合金高恢復力的原因是當合金溫度升高時材料內的馬氏體向奧氏體轉變，奧氏體的彈性模量遠大于馬氏體，且合金的彈性模量隨溫度升高大幅增加，此時合金材料如果被約束將會產生巨大的恢復力。高恢復性是形狀記憶合金構件對鋼結構的振動和變形進行控制的重要因素之一。

3 形狀記憶合金在鋼結構中的應用

3.1 形狀記憶合金拉索

形狀記憶合金拉索主要是依靠合金材料的形狀記憶能力和超彈性來對結構進行振動控制以達到耗能減震的目的[6]。拉索是一種只能承受拉力的特殊構件，在地震來臨時部分拉索會受到壓力或彎曲作用使其不能發揮應有的作用，所以需要在合金拉索中添加預應力使其在使用過程中一直承受拉力以達到穩定控制的效果。李化使用ANSYS對一應用形狀記憶合金拉索的高層鋼結構進行了振動控制分析，結果表明形狀記憶合金對高層鋼結構的位移控制效果顯著，比不施加合金拉索的結構位移減小了50%左右，并且因為合金材料良好的耗能能力，可以阻止地震能力向上傳遞，合金拉索的隔震效果明顯；浮忠元[7]對一施加形狀記憶合金拉索的大跨鋼網架結構進行了不同控制方案的有限元分析，結果表明在鋼網架的柱間支撐上施加合金拉索對控制網架振動響應的效果顯著，控制效果高達40%。

3.2 形狀記憶合金螺桿

傳統的鋼框架將角鋼節點作為主要的耗能部位，但是角鋼節點的柔性較大，可使用的范圍較小。哈工大何小輝[8]采用形狀記憶合金螺桿與傳統節點結合提出了新的梁柱節點來改善鋼框架的抗震性能，并通過試驗對比了施加鋼螺桿和合金螺桿的節點的性能，結果表明施加螺桿可以明顯改善節點的抗震能力，但鋼螺桿節點在模擬地震力下破壞的脆性特征顯著，而形狀記憶合金螺桿由于合金材料良好的超彈性和抗疲勞性能使節點具有更穩定、更好的耗能能力和防倒塌能力。

3.3 形狀記憶合金阻尼器

形狀記憶合金阻尼器并不是一個新穎的話題，早在1995年，美國加州大學就研制出了一款合金阻尼器并得以應用；2010年，宋娃麗[9]提出在層間應用的合金阻尼器用以增大結構阻尼達到隔震減震的目的；2018年莊鵬，王文婷，韓淼等[10]將形狀記憶合金彈簧和平板支座相結合的形狀記憶合金彈簧-摩擦支座，建立了該支座的恢復力模型，并將該模型帶入一鋼網殼結構進行模擬分析，結果表明該支座控制鋼網殼地震響應的效果顯著。如今又出現了新型的形狀記憶合金自復位阻尼器，該阻尼器主要由耗能、復位和約束連接3部分組成，自復位阻尼器的工作機制主要靠這3部分間的相互作用來實現。耗能裝置主要由施加了預應力的合金絲組成，合金絲具有極強的耗能能力和抗疲勞能力，耗能減震效果極好；復位裝置的主要工作構件是合金彈簧，雖然形狀記憶合金具有良好的自恢復力，但在地震下合金的復位時間較長，預壓彈簧可以很好地彌補這個不足；約束連接裝置上的錨固系統起到連接阻尼器各部位的作用。

3.4 形狀記憶合金驅動器

形狀記憶合金驅動器是對鋼結構進行主動控制的構件，主動控制是采用現代控制技術對輸入結構的地震波和結構反應進行實時跟蹤分析，通過分析結果利用驅動器對結構施加控制力，達到控制結構振動響應的目的。樊禹江[11]、翁光遠等[12]設計了一種形狀記憶合金主動桿件，并將其應用到一個鋼網殼結構中進行模擬震動臺試驗，結果顯示該主動桿件控制結構振動響應的效果顯著。整體來說，使用主動驅動器對鋼結構進行振動響應控制所需的控制系統較為復雜且經濟性較差，在實際工程中應用難度較大。

4 結語

形狀記憶合金由于良好的形狀記憶能力、高彈性、高阻尼、高恢復力、良好的抗疲勞能力和耐腐蝕性在鋼結構耗能減震方面應用廣泛，對未來建設智能結構和智慧城市具有重要的意義。形狀記憶合金也存在一些缺陷，比如合金材料中的馬氏體和奧氏體在反復轉變中難免會導致材料損傷，對相變過程中材料的抗疲勞性能會產生一定影響，且目前來說形狀記憶合金的造價略高、加工難度較大，未來可以通過改善合金材料的加工工藝和水平以降低形狀記憶合金價格使其具有更廣闊的應用前景。