形状记忆合金回复性能研究及其在混凝土梁裂缝修复中的应用.pdf
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1、2 0 1 5年 第 4 期 (总 第 3 0 6 期 ) N u mb e r 4 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 0 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORE TI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 4 0 1 8 形状记忆合金 回复性能研 究及 其 在混凝土梁裂缝修复中的应用 李双蓓 , 莫春美 , 梁庆国 ( 广西大学 a 土木建筑工程学院; b 工程防灾与结构安全教育部重点实验室,广西 南宁 5 3 0 0 0 4 ) 摘
2、要 : 为探讨形状记忆合金( S MA) 对钢筋混凝土粱裂缝 的修复效果 , 进行了 S MA丝的回复性能试验 , 结果表明: 施加恒定 电 流得到的 S MA丝的回复应力大于施加 台阶式电流; 当初始应变小于最大回复应变时, S MA的回复应力随其初始应变的增大而 增大; 当电流激励产生的温度过高时, S MA材料发生软化导致回复应力下降。 此外 , 在试验的基础上, 将 S MA丝的受限回复应 力等效为偏心荷载和钢筋 的初始应力, 对 S MA智能混凝土梁进行 了有限元分析 , 证明这两种等效方法简便可行 ; 同时还探讨 了 S MA丝的不同直径 、 根数和初始应变对混凝土梁的裂缝修复效果
3、的影响。 关键词 : 形状记忆合金 ; A N S Y S ; 钢筋混凝土 ; 回复性能 ; 裂缝修复 中图分类号 : T U 5 2 8 0 1 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 6 8 0 6 Rec ove r y per f or manc e of s hape memor y a l l oy and i t s appl i ca t i on i n r epai r i ng cr a ck s of conc r et e be ams L I S h u a n g b e i 一, MO C h u n
4、 me i , L I ANG Q i n g g u o ( a S c h o o l o f C i v i l En g i n e e ri n g a n d Ar c h i t e c t u r e : b Ke y L a b o r a t o r y o f Di s a s t e r P r e v e n t i o n a n d S t r u c t u r al S a f e t y o f Ch i n a Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n , Gu a n g x i Un i v e r s i t y, N
5、a n n i n g 5 3 0 0 0 4, C h i n a ) Ab s t r a c t : F o r i n v e s t i g a t i n g t h e e f f e c t o f s h a p e me mo ry a l l o y ( S MA) f o r r e p a i ri n g c r a c k s i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms , t h e r e p l y p e r f o r ma n c e o f S M A wa s s t u d i e d Th
6、e r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e c o v e ry s t r e s s o f S M A wi t h a p p l y i n g c o n s t a n t c u r r e n t i s g r e a t e r t h a n a p pl y i n g s t e p p e d c u r r e n t An d whe n t h e i n i ti a l s t r a i n i s l e s s t h a n t h e ma x i m u m r e c o v e r y s t r
7、a i n, t h e r e c o v e r y s t r e s s i nc r e a s e wi t h t h e i n c r e a s e o f i n i t i a l s tra i n Bu t t h e r e c o v e r y s t r e s s d e c r e a s e d u e t o t h e s o f t e ne d ma t e ria l i f t e mp e r a t u r e i s t o o hi g h Th e n, b a s e d on t he e x pe r i me n t ,
8、a s ma r t c o n c r e t e b e a m e mb e d d i n g wi th S M A wa s a n a l y z e d wi th the me tho d t h a t th e r e c o v e r y s tre s s o f S M A wa s e q u i v a l e n t t O t h e e c c e n t ric l o a d a n d t h e i n i t i a l s tre s s o f s t e e 1 An d t h e me tho d wa s p r o v e d t
9、 o be s i mp l e a n d f e a s i b l e Mo r e o v e r , the e f f e c t o f SMA for r e p a i ring c r a c k s i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms wi t h d i f f e r e n t d i a me t e r s , r o o t s a n d i n i t i a l s t r a i n s ha s b e e n r e s e a r c h e d Ke y wor ds: s ha p
10、 e me mo ry a l l o y; ANS YS; r e i n f o r c e d c o n c r e t e; r e c o v e ry pe r f o r ma nc e; c r a c k s r e p a i r 0 引言 形状 记忆合金 ( s h a p e m e mo r y a l l o y简称 S MA) 是 智 能结构 中应用最广泛 的驱 动元件 , 具 有丰富 的相变 现象 、 独特的形状记忆效应 以及 良好的超弹性效应 , 兼有感知和 驱动能力。 S MA丝在较低温度下处于马氏体相状态 , 在较 高温度时则处于奥氏体相状态 , 马 氏
11、体相 的 S MA丝 经过 预拉伸后将产生塑性变形 , 加热激励 S MA丝 , 随着激励温 度的升高 , S MA从 马 氏体相 转化为奥 氏体相 , 此时 S MA 丝的形状恢复到拉伸前的状态。 若在形状恢复过程 中受到 限制 , S MA丝将产生很大的回复驱动力 , 其 弹性模量 随相 变状态的改变而改变 。 同时 S MA 丝的抗疲 劳性 能好 , 容易同混凝土、 钢等结构材料 相结合 , 因此其在结构 的变 形控制与振动控制方面得到越来越广泛应用 。 目前 , 对 S MA智能结构的理论及其应用的研究 成果 较为丰富。 阎石 等采用循环拉伸 的试验方法 , 研究 了加 载速率 、 峰
12、值应变和循 环次数 等不 同参数对 S MA丝 的应 力应变关系 、 阻尼和残余应变 的影 响。 邓宗才 等对 S MA 丝的回复力进 行了测 定 , 并通过试验研究 S MA丝 预应 变 值 、 配置量 、 通 电激励模式和直径粗 细等不 同因素对 S MA 丝的回复性 能的影 响。 Z C h a u d h r y 等提出将 S MA 丝固 定在悬臂梁有限几个点上 , 通过合金丝 的收缩拉动实现整 个梁 的弯 曲变形 。 V i c t o r G i u r g i u t i u 等将经 过预 应变 的 S MA贴在平板的上下两侧 , 研究不 同加 热方式下平板 变 形的规律。 薛伟
13、辰 等将 S MA 以体外预应力筋的形式布 置在钢筋混凝土梁体外 , 对形状记忆合金智能预应力梁进 行控制试验研究 , 通过控制 S MA温度 , 实现混凝土梁的变 形和裂缝的主动控制 。 王正 良 等将 S MA丝粘贴在复合 结构 中, 利用 S MA丝的回复力驱动能力 , 实现对结构变形 和振动响应的主动控制 。 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 8 1 9 基金项目: 国家自 然科学基金项目( 1 1 2 6 2 0 0 2 ) ; 广西理工科学实验中 心重点项目 ( L G Z X 2 0 1 1 0 1 ) ; 广西大学 科研基金资助 项目( X B Z 0 3 0 0 6 0 )
14、 68 在数值 分 析 方 面, 利 用 A N S Y S软 件 对 S MA 混凝 土结构的变形 、 应力进行主动控制 的有 限元分析取得 了一 定的成果 。 洪雷 等 以体分 割 法 , 建 立 S MA丝 材 料模 型, 对偏 心埋 入 S MA 的钢 筋混 凝 土梁进 行 建模 分 析。 管 呜 等 对 形 状 记 忆合 金 复合 材 料 板 簧 进 行 模 态 分析 , 揭示 了温度和 S MA纤维体积含量对 S MA复合材料 板簧 固有频 率 的影 响规 律。 针对 A N S Y S软 件 中没有 模 拟形状记忆合金形状记忆效应 的单元和材料模型 的问题 , 张学 仁 。 。
15、等提 出了拟 温 度荷 载 法模 拟 S MA 丝 的 回复 效应 , 并通过有 限元 计算 与试 验结果 对 比证 明了该 方法 是可行的。 王 晓宏 等提 出 了“ 负热应 变” 法 , 根据试 验 测得不同激 励温 度下 的“ 负 热应 变 ” , 再利 用 A N S Y S软 件建模 , 对 S MA波 纹板 结 构 的变形 控制 进行 了有 限元 分析 。 本研究 的主要工作为 : 采用试验方法研究 了形状记忆 合金 ( S MA) 丝的回复性能 , 分 析不 同的电流施加方案 、 预 拉初始应变和温度等因素对其 回复应力 的影 响; 通过 比较 现有 的模拟 S MA丝 回复应力
16、 方法 的优势 和不足 , 提 出了 等效钢筋应力法 , 并 与等效偏心力 法进行对 比, 证 明新方 法可靠且实施简单便捷 ; 利用试 验得到 的 S MA 回复性能 数据 , 采用 A N S Y S软 件建立 S MA智能 混凝 土梁 的受 力 模型 , 研究选取不同 的 S MA丝直 径 、 根数和初始 应变时 , 形状记忆合金对混凝 土变形 的主 动控 制以及裂缝修 复的 效果 1 S MA丝的回复性能试验 1 1试 验 概 况 试验在广西大学土木建筑 工程学 院结 构实验 室试 验 机上完成 , 试验选用 的合金材料为宝鸡市天瑞金属材料有 限责任公 司生产的 N i T i S M
17、A丝 , 直径为 2 m m, 其 中 T i 元素 比重为 4 4 2 4 , N i 元 素 比重 为 5 5 7 6 , 合 金 的最 大 回复应变 为 8 。 试验 中所用 到 的仪 器 主要 有 : 试验 机 、 Y KA D 3 0 5 0 可调开关 电源 、 引伸计 、 热 电偶和毫 伏表 、 夹 具 。 研究 电流施加方案 、 电流强度 大小以及初始应 变等不 同因素对 S MA丝受限回复力的影响。 利用 可调开关 电源 调节电流 , 通电过程 中 S MA丝 的温度采 用热 电偶 和毫伏 表进行测量 , 应力 和应变 由试 验机系统记 录。 试验装置如 图 1所示 。 图 1
18、 试验装置 1 2 试验 方案及试验结果分析 ( 1 ) 分别采用两种电流施 加方案测定 S MA丝受 限回 复应力。 方案 1为恒定电流, 即试验过程中始终保持电流 大小某一固定值不变。 方案 2为台阶式 电流 , 即加热 时激 励电流每间隔一定时间增加一定 数值 , 直到达 到 目标 电流 预定值 。 形状记忆合金丝初始应变分别为 4 、 6 时, 两种电流 施加方案下 S MA的回复应力与温度关系如图 2所示 。 3 5 0 3 0 0 250 2 0 0 ” 0 回 l 0 0 5 0 O 圄 2 0 4 0 6 0 8 0 l 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 l 8 O
19、2 0 0 2 2 0 2 4 0 温度 , ( a ) e 。 = 4 2 0 4 0 6 O 8 O 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 O 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 温度 。 c ( b ) 8 。 = 6 图 2 不 同 电流方 案下 S MA丝的 回复应 力 一温 度关 系 曲线 从 图 2可以看到 , 恒定 电流下 S MA 回复应 力 一温度 关系曲线的斜 率在一定 温度范围内大 于台阶式 电流 , 且相 同温度 时, 恒定电流下 S MA 产生的 回复应力大 于台 阶式 电流下产生的 , 这是 由于恒定电流较 台阶式 电流更能快速 的加热 S MA
20、丝使奥 氏体相 变迅速发生 ; 当初 始应 变相 同 时 , 不管是施加恒定 电流还是 台阶式 电流 , 由于合金相 变 最终产生的马氏体含量相 同, 因此产生 的最大 回复应力也 大致相 l司。 i ( 2 ) 探讨不 同电流强度对 S MA丝的回复性能影 响。 采用施加恒定 电流方式 激励 S MA 丝 , 记 录初始 应变 为 4 、 6 的 S MA丝在 1 2 A、 1 4 A、 1 6 A等不同恒定 电流 数值下产生的回复应力 随温度的变化情况 , 回复应力与温 度关系 曲线如 图 3 所示 。 由图 3可 以看 出, 相 同温度情 况下 , 通 电电流越 大 , S MA丝产生
21、的回复应力越 大。 这是 由于通 电 电流强度越 大 , 能更快速 的加热 S MA丝达到相变温度 , 加快 了相变的 发生 。 当初始应变 一样时 , 不 同 电流 强度下 S MA 丝 的最 大回复应力大致相同。 ( 3 ) 探讨 S MA丝在不 同初始应变情况 下表现出来的 回复性能。 采用施加恒定 电流方式加热 S MA丝 , 不 同初始应 变 下 S MA丝 回复应力 一温度关系曲线如图 4所示。 6 9 枷枷 湖 枷 如o 3 5 0 300 250 2 0 0 15 0 回 1 0 0 5 0 O 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 l
22、 8 O 2 0 0 2 2 0 2 4 0 温度 , ( a ) s 。 = 4 2 0 4 O 6 O 8 O 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 温度 E ( b ) 8 。 = 6 图 3不 同电流强 度下 S MA丝的 回复应 力 一温 度关 系 曲线 700 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 回 2 0 0 1 00 O 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 温度 , 图 4不 同初 始应 变 下 S MA丝的 回复应
23、力 一温度关 系 曲线 由图 4可知 , 当 S MA丝的初始应变不 同时 , 其 回复应 力大都随着温度的升高而增大 。 一定范 围内温度相 同时, S MA丝的回复应力随着初始应变的增大 而增大 。 当 S MA 的初始应变超过 其最大 回复应变 8 时 , 回复应力 减小 。 图4 d ?S MA丝的最大回复应力可高达 6 3 0 9 0 1 MP a , 说 明通 电激励 下 S MA 丝在 能产生 巨大的驱 动力 , 可用 于 结构 的变形控制 及其 裂缝 修复 。 但是 当温 度过 高 ( 大于 2 0 0 ) 时 , 由于 S MA 材料出现软化现象 , 会 导致 回复应 力随温
24、度的升高反而降低。 2 S MA丝回复力等效方法 2 1 拟 温度载荷 法 拟温度载荷法是利用温度载荷法来模拟 S MA的受限 回复性能 引, 该方法 的基本思路如下 : 设 S MA丝与基体理想黏结 , 假定只对 S MA丝施加温 度 , 基体温度不变。 在不受外力作用下 建立物体 的平衡方 程 , 得到合金 的回复应力计算式为: O f 一 ) E m Am ( 1 ) 一 丘 ) 式 中 :, 、 分别表示合金和基体 ; 材料的线膨胀系数 ; 7 0 温度的变化值 ; E 、 和A 、 A 分别表示基体和 S MA丝的弹性 模量以及横截面面积 。 若 S MA丝所 占基体截面面积 比重很
25、小 , 可忽略不计 , 即 E ( T ) A E A , 式( 1 ) 可以简化为下列近似计算式 : f =一Ef ( ) f A ( 2 ) 根据上面两个式子 , 可将 S MA丝的受限 回复应力等 效为热应力 , 从而在 A N S Y S软件 中实现 S MA 丝的 回复 力模 拟。 2 2 负热应变法 负热应变是指对 S MA丝施加激励温度, 由于材料相 变的发 生而 产 生 的收缩 量。 负热 应 变法 u原理 为 根据 S MA丝力学性能试验得到的不 同温度下 的应力值 和 “ 负 热应变值” , 计算相应的 S MA丝 弹性模量 , 绘制弹性模量 与“ 负热应变” 关系曲线 ,
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- 形状 记忆 合金 回复 性能 研究 及其 混凝土 裂缝 修复 中的 应用
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