SMA-负刚度摩擦摆支座力学性能.pdf
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1、第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:桂石海()男湖北黄梅人硕士研究生研究方向为桥梁减隔震(:.)通讯作者:范剑锋()男江苏宜兴人博士副研究员研究方向为桥梁结构仿真分析(:.)基金项目:国家自然科学基金()负刚度摩擦摆支座力学性能桂石海 龙晓鸿 范剑锋 刘雅琴 周群林 卢春德(.华中科技大学.土木与水利工程学院.湖北省控制结构重点实验室 湖北 武汉.武汉理工大学 土木工程与建筑学院 湖北 武汉)摘 要:负刚度摩擦摆支座是在负刚度摩擦摆支座上布置 丝或索的一种新型隔震装置 首先介绍了该新型隔震装置的构造特点和工作原理随后对负刚度摩擦摆支座和布置 丝或索的
2、 负刚度摩擦摆支座进行了试验研究并建立了其恢复力模型最后通过有限元模拟探讨了位移幅值、摩擦系数、竖向荷载和 丝的数量对 负刚度摩擦摆支座力学性能的影响 结果表明:相较于 丝选用的 索耗能更大但残余应变也更大负刚度摩擦摆支座需搭配 等材料形成复合型支座使用且 丝一定要绷直布置在支座两侧 负刚度摩擦摆支座的力学性能良好竖向荷载、摩擦系数在增加耗能方面比提高恢复力更突出而位移幅值、丝提高恢复力的效果比增加耗能更加显著关键词:形状记忆合金 负刚度摩擦摆支座 力学性能试验 有限元分析中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:第 期桂石海等:负刚度摩擦摆支座力学性能 目前摩擦摆支座在桥梁结构中的
3、应用越来越广泛大量研究和实践都证明了其具有良好的减震耗能效果但有研究表明传统摩擦摆支座的自复位性能存在不足为改善传统摩擦摆支座的性能有人提出了一种复合型隔震支座:将具有超弹性效应与形状记忆效应的形状记忆合金()与摩擦摆支座()相结合减小支座的残余位移提高支座的自复位能力将 丝或索合理的布置在 四周组成复合型隔震支座地震发生时 丝或索与支座共同作用提升支座的减隔震性能 庄鹏等对 摩擦摆支座()进行力学性能试验分别研究 在位移幅值、丝材数量、竖向压力、加载频率以及循环周数等不同影响下的力学性能验证了该型支座的可行性 为提高支座的抗拔性和地震自适应性庄鹏等又提出一种超弹性 复摩擦支座通过试验研究了其
4、力学性能并给出了其恢复力模型 等提出一种变曲率的 摩擦摆支座通过减小大位移时的曲率巧妙的减小了结构的内力响应 杨毅研究了采用传统 和 的连续梁桥的动力性能并分别进行了远场地震和近断层地震作用下的非线性时程分析比较得出 的隔震效果 这些研究表明 摩擦摆支座具有很好的自复位和耗能特性可以看出目前对 复合型支座的研究主要在 正刚度摩擦摆支座但 正刚度摩擦摆支座的使用会增大桥墩的内力响应 因此杨大余等提出可以将负刚度理念与这种复合型支座结合做到既控制结构的位移和滞回耗能又不过大增加下部结构的剪力 负刚度的概念即一个力辅助而不是反对运动是另一种有效增强能量耗散的机制负刚度控制方法毫无疑问在减隔震技术中能
5、发挥不可比拟的作用 但目前对于负刚度理念的研究大多数还停留在应用于减小结构响应的多种阻尼器方面而对于 负刚度摩擦摆支座()的力学性能研究及应用较少本文主要设计了一种 负刚度摩擦摆支座通过力学性能试验分析其滞回性能并基于有限元模拟进行参数化分析得出不同影响因素对该支座的力学性能的影响 为 负刚度摩擦摆支座在隔震连续梁桥上的应用提供有力依据 负刚度摩擦摆支座.的构造形式 由 丝或索、上、下支座板和中间的凹面滑块组成支座板与滑块有着相同曲率半径的摩擦滑移面以保证装置能够协同工作 丝通过支座板上预留的凹槽缠绕在支座周围而 索由于较粗不易环绕则通过球铰安装在支座两侧 图 为安装 丝的 构造图SMA?图
6、构造.的工作原理当传递到支座上的水平力大于支座板与滑块之间的最大静摩擦力时上、下支座板与滑块之间会产生相对滑动滑块与上、下支座板之间涂有低摩擦材料如聚四氟乙烯等在滑动过程中起到耗散地震能量的作用 丝或索则固定在支座两侧随着上、下支座板之间的相对运动 丝或索也随之反复张拉 在此过程中 丝或索始终处于拉伸状态与支座协同工作提供了一定的能量耗散随着 丝或索的不断张拉支座的回复力逐渐增大不仅保证支座的复位能力而且限制支座的位移 可见 丝或索很好地提高了 的隔震性能 力学性能试验.丝和 拉索力学性能试验试验选用的 材料为 合金丝材和拉索的奥氏体相变温度分别为.在室温下具有超弹性功能 含量分别为.丝材直径
7、为.拉索由.的 丝绞制而成试验装置为 电子万能试验机 为了得到稳定的曲线先对丝材和拉索进行 次的循环拉伸训练使其性能更加稳定再进行单轴拉伸试验试验结果如图 所示 可以看出较于 丝 索的耗能更大但残余应变也更大丝材能做到几乎没有残余应变拉索的残余变形达到了/因为本文主要研究的是 的超弹性效应考虑到实用性采用唯象理论本构模型中的 本构模型 土木工程与管理学报 年进行简化 丝和 索的简化本构模型分别如图 所示具体参数如表 所示123412345670200400600800?/MPa?/%图 丝材本构模型123412345670100200300400500600?/MPa?/%图 拉索本构模型表
8、丝材和拉索简化本构模型的具体参数编号 丝材 拉索应变/应力/应变/应力/.的力学性能试验先对不安装 的 进行滞回性能试验 的设计尺寸如图 所示 上、下支座板和滑块均由 钢制作而成除此之外还在滑块的凹面上装有摩擦材料聚四氟乙烯摩擦系数为.为方便 丝材和拉索的安装上、下支座板除了在 个角留有直径为 的螺栓孔洞以便与试验机连接外还留有 条宽 、深 的凹槽以便后续安装 丝材另外还在支座板上左右两边留有直径为 的弧形孔洞并制作相应大小的球铰以便后续安装 拉索130300505040015006565707040030804008030140100202020(a)?(b)?360图 的设计尺寸/试验装置
9、为水平方向使用 的 液压作动器对支座施加水平位移竖向采用最大力为 的液压千斤顶施加竖向压力 试验装置和 试件如图 所示 加载制度采用位移控制低周循环加载 周 试验前将支座板通过螺栓固定在仪器上滑块放置在支座中心 加载时先施加竖向荷载再通过水平作动器带动下支座板作往复运动 试验工况如表 所示分别探究了加载频率、水平位移幅值、竖向荷载对 力学性能的影响滞回曲线取第 周的试验结果如图 所示可以看出支座呈现出了负刚度的特性回复力随着位移的增大而减小因此这种支座不能直接用于结构的减隔震中需搭配 等材料形成复合型支座使用(a)?(b)NFPB图 试验装置及 示意表 试验工况工况加载频率/位移幅值/竖向荷载
10、/././././-30-20-100102030-10-505101520?/kN?mm/0.05 Hz?0.1 Hz?0.2 Hz?(a)1?-80-60-40-20020406080-20-10010203025 mm?40 mm?55 mm?(b)2?-30-20-100102030-30-20-10010203040100 kN?150 kN?200 kN?mm/(c)3?/kN?/kN?mm/图 不同工况下 的滞回曲线 第 期桂石海等:负刚度摩擦摆支座力学性能 的力学性能参数主要有单位循环耗能、等效刚度 和等效阻尼比 滞回曲线的单周循环面积即为支座的单位循环耗能等效刚度和等效阻尼比
11、计算公式如下:()()式中:分别为第 次循环加载中的最大恢复力、最小恢复力、最大位移和最小位移 为位移幅值各工况下支座力学性能参数的计算结果如表 所示 可以得出随着加载频率从.增大到.单位循环耗能和等效阻尼比都有所增加分别增加了.和.等效刚度虽然在变小但由于都是负值因此绝对值是越来越大的这说明随着加载频率增大支座恢复力随着位移增大而减小的速度变快 随着位移幅值的增大滞回曲线更加饱满位移幅值从 增大到 单 位 循 环 耗 能 显 著 增 加 增 加 了.而等效阻尼比有所下降等效刚度的绝对值越来越小这说明随着位移幅值加大支座恢复力随着位移增大而减小的速度变慢 随着竖向荷载的增大单位循环耗能随之增加
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