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应用形状记忆合金进行古塔结构抗震保护的理论和试验

作　者: 赵祥
导　师: 王社良；周福霖
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 结构工程
关键词: 光塔 SMA阻尼器消能减震振动台试验有限元分析
分类号: TU352.11
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

中国现存古塔大多都融合了外来文化与中华传统建筑艺术的精华,是我国古建筑的杰出代表。现存古塔不仅具有宝贵的文物价值,同时也是各地风景名胜区域和历史文化名城的重要组成部分,不但反映了我国古建筑的科学和技术成就,同时也记录了当时的历史信息和建造工艺等,是古代劳动人民智慧的结晶,也是人类宝贵的历史文化遗产。古塔保护研究是文物保护的一项重要工作。然而,我国对现存古塔结构的抗震机理与保护技术研究较少,目前尚无科学有效的损伤监控和保护方法,并且古塔结构的保护研究还要涉及历史学、考古学及建筑学等诸多领域,是一个多学科交叉的研究课题。因此,深入研究我国现存古塔结构的抗震保护理论和工程应用方法,具有重要的社会意义和实用价值。本文首先对我国广州怀圣寺光塔的历史变化和工程现状进行了全面的现场检测与长期监测,研究了光塔结构的材料组成、构造形式以及目前存在的倾斜和裂缝等问题,同时对光塔结构的动力特性进行了实测,掌握了光塔结构的主要受力特性和灾变特点,并采用有限元分析方法,对该塔结构的动力特性、7度小震及中震时的地震反应进行了比较深入的研究,探讨了该塔抗震保护的关键问题,提出了采用形状记忆合金(简写为SMA)阻尼器被动控制系统进行该塔抗震控制的保护方案。其次,进行了SMA丝的温控拉伸试验,研究了超弹性SMA丝的主要力学性能,着重探讨了环境温度、加载速率、应变幅值和循环加载次数等因素对超弹性SMA材料在奥氏体初始状态下加卸载循环时等效割线刚度、最大单圈循环消能能力和等效阻尼比等力学性能的影响,得到了相应的变化规律。在此基础上,针对光塔结构抗震保护的特殊性,设计了3种消能能力较好和适用性较强的SMA阻尼器,并分别进行了3种SMA阻尼器在不同工况下的消能能力试验,研究了环境温度、加载频率、加载行程和合金丝长度等因素对其消能能力的影响,分析了其变化规律和适用性。接着,以Brinson本构模型为基础,提出了相应的SMA材料本构模型的有限元求解方法,编制了相应的计算机分析程序,并对SMA材料的相变超弹性性能和阻尼器的消能能力进行了非线性有限元分析,研究了其力学性能随环境温度等因素变化的一般规律,并与主要试验结果进行了对比分析,两者吻合较好,表明有限元分析结果可反映SMA材料和3种阻尼器的主要力学特征。同时,针对光塔结构的主要受力和变形特点,并且遵循“保护第一”和“修旧如旧”的古建筑保护原则,设计了1种性能良好的SMA阻尼器被动控制系统,提出了将其安装于光塔结构以提高光塔结构抗震性能的保护方案,探讨了SMA阻尼器被动控制系统的安装方式,建立了确定SMA阻尼器被动控制系统数量的计算方法。最后,根据光塔原型结构的实际情况,以模型试验的相似关系为基础,设计并制作了一个相似系数S,为1/10的光塔模型结构,并先后进行了未安装和安装A、B型SMA阻尼器被动控制系统光塔模型结构的地震模拟振动台试验,研究了模型结构在3种不同工况下,主塔顶部和小塔顶部的相对位移、层间位移角和加速度以及塔体开裂等光塔结构的主要地震反应,测试了SMA阻尼器被动控制系统在地震激励下的变形能力和消能能力等工作性能,分析了相应的控制机理和控制规律,并从总体上评价了光塔模型结构抗震保护前后的性能变化和保护效果。此外,本文还在试验的基础上,采用有限元软件ANSYS10.0,分别对光塔模型结构和原型结构在3种不同地震波输入下的地震反应进行了分析,并在既定优化目标下对SMA阻尼器被动控制系统的特性参数和光塔结构与SMA阻尼器被动控制系统的集成方式进行了优化分析及探讨,深入了解了安装SMA阻尼器被动控制系统后,光塔结构的减震效果和动力特性变化的一般规律。理论和试验研究结果均表明,目前光塔原型结构的总体抗震性能较差,存在多处不同的内部缺陷或薄弱环节,难以承受或再次承受地震、飓风等强灾害的袭击,亟需采取措施进行抗震保护。SMA材料具有较好的超弹性性能,利用其研制的A、B和C型SMA阻尼器均具有较好的消能能力,并且能够实现制品的小型化,是一种古建筑抗震保护的新方法。安装SMA阻尼器被动控制系统后,主塔顶部和小塔顶部的相对位移及加速度都有明显降低,其中相对位移的降低尤为显著,并且地震烈度越高,降低幅度越大,说明文中所提SMA阻尼器被动控制系统和控制方法具有较好的消能减震效果,可以有效地提高光塔结构的抗震能力,值得进一步开发和推广应用。文中所得结论不仅可为光塔原型结构的抗震保护提供理论依据和技术支撑,而且对其它历史建筑的保护和修复也具有一定的参考意义。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-12
第1章绪论  12-31
  1.1 古塔建筑的分布和保护研究现状  12-17
    1.1.1 我国古塔历史渊源和保护研究的重要意义  12-15
    1.1.2 国内外古塔保护研究现状及存在的主要问题  15-16
    1.1.3 古塔保护理论和应用方法研究进展  16-17
  1.2 形状记忆合金阻尼器及减震技术的研究与应用  17-25
    1.2.1 结构振动控制的概念及分类  17
    1.2.2 被动控制技术的研究与应用  17-18
    1.2.3 消能减震的设计标准  18-19
    1.2.4 形状记忆合金材料及研究应用现状  19-22
    1.2.5 形状记忆合金阻尼器研制与存在问题  22-25
  1.3 本文的研究意义和主要内容  25-28
    1.3.1 课题来源与背景  25
    1.3.2 本文研究的目的与意义  25-26
    1.3.3 本文的主要研究内容  26-28
  参考文献  28-31
第2章广州怀圣寺光塔现状调查与动力特性测试  31-47
  2.1 光塔的历史文物价值  31
  2.2 光塔结构的构造特征  31
  2.3 光塔的历史变化和现状  31-34
  2.4 广州的抗震设防要求  34
  2.5 光塔抗震性能现场调查目的及内容  34-35
    2.5.1 光塔抗震性能现场调查目的  34-35
    2.5.2 光塔抗震性能现场测试的主要内容  35
  2.6 光塔结构砌体材料强度测试  35-36
  2.7 光塔动力特性现场测试  36-40
    2.7.1 测试仪器  37
    2.7.2 激振方法  37
    2.7.3 测点布置  37-38
    2.7.4 测试结果  38-40
  2.8 光塔结构抗震性能有限元分析  40-43
    2.8.1 计算模型的建立  40-41
    2.8.2 输入地震波的选择  41
    2.8.3 计算结果及分析  41-43
  2.9 小结  43-44
  参考文献  44-47
第3章形状记忆合金材料及阻尼器的力学性能试验研究  47-70
  3.1 SMA丝力学性能试验研究  47-58
    3.1.1 SMA丝试件的加工与制作  47-48
    3.1.2 SMA丝试件的拉伸试验概况  48-49
    3.1.3 SMA丝试件拉伸试验结果及分析  49-58
  3.2 SMA阻尼器性能试验研究  58-66
    3.2.1 SMA阻尼器的消能机理  58-59
    3.2.2 阻尼器的设计与制作  59-60
    3.2.3 阻尼器的试验概况  60-61
    3.2.4 阻尼器试验结果与分析  61-66
  3.3 小结  66-67
  参考文献  67-70
第4章形状记忆合金材料力学性能有限元分析  70-86
  4.1 形状记忆合金材料的本构模型  70-78
    4.1.1 形状记忆合金材料本构模型的类型  70-71
    4.1.2 SMA材料的唯象理论本构模型  71-78
  4.2 SMA材料和阻尼器力学性能有限元分析  78-83
    4.2.1 SMA材料和阻尼器力学性能的有限元解法  78-80
    4.2.2 SMA材料和阻尼器力学性能有限元分析  80-82
    4.2.3 有限元计算结果分析  82-83
  4.3 小结  83-84
  参考文献  84-86
第5章安装SMA阻尼器被动控制系统的光塔结构消能减震设计方法  86-96
  5.1 工程结构消能减震机理  86-87
  5.2 工程结构消能减震设计方法  87-89
    5.2.1 振型分解反应谱法  87-88
    5.2.2 时程分析法  88
    5.2.3 能量平衡法  88-89
  5.3 光塔结构的消能减震设计方法  89-94
    5.3.1 SMA阻尼器消能减震加固方法的优点  89-90
    5.3.2 光塔结构中SMA阻尼器的布置方法  90-91
    5.3.3 光塔结构中SMA阻尼器数量的确定  91-93
    5.3.4 确定SMA阻尼器数量的简化计算方法  93-94
  5.4 小结  94
  参考文献  94-96
第6章安装SMA阻尼器被动控制系统的光塔结构振动台试验研究  96-135
  6.1 试验目的  96
  6.2 试验研究的主要内容  96-97
  6.3 模型设计与制作  97-101
    6.3.1 模型材料性能  97-99
    6.3.2 模型设计与制作  99-101
  6.4 SMA阻尼器被动控制系统的制作与安装  101
  6.5 测试系统与试验方案  101-106
    6.5.1 测试仪器  101
    6.5.2 传感器及应变片布置  101-103
    6.5.3 试验地震波选用  103-104
    6.5.4 试验工况和顺序  104-106
  6.6 试验结果与分析  106-132
    6.6.1 模型结构动力特性试验结果  106-114
    6.6.2 模型结构动力特性试验结果分析  114-116
    6.6.3 模型结构加速度反应及加速度放大系数  116-126
    6.6.4 模型结构位移反应分析  126-131
    6.6.5 SMA阻尼器被动控制系统力与行程分析  131-132
  6.7 小结  132-133
  参考文献  133-135
第7章安装SMA被动控制系统的光塔结构地震反应有限元分析  135-152
  7.1 SMA阻尼器被动控制系统的特点  135-136
  7.2 光塔模型结构地震反应有限元分析  136-142
    7.2.1 模型结构有限元模型的单元选取  136-137
    7.2.2 建立模型结构的有限元模型  137
    7.2.3 无控和有控结构的模态分析  137-138
    7.2.4 光塔模型结构动力反应分析  138-142
  7.3 光塔原型结构地震反应有限元分析  142-149
    7.3.1 原型结构有限元模型的单元选取  142
    7.3.2 建立原型结构的有限元模型  142-143
    7.3.3 无控和有控结构的模态分析  143
    7.3.4 光塔原型结构动力反应分析  143-149
  7.4 小结  149-150
  参考文献  150-152
第8章光塔结构中设置SMA阻尼器被动控制系统的优化理论与方法  152-163
  8.1 优化设计基本理论  152-155
    8.1.1 优化设计的数学模型  152-153
    8.1.2 优化问题的分类  153
    8.1.3 优化的设计方法  153-155
  8.2 装有SMA阻尼器被动控制系统的光塔结构优化设计  155-160
    8.2.1 光塔结构优化设计数学模型的建立  155-157
    8.2.2 利用时程分析法进行光塔结构的优化设计  157-158
    8.2.3 计算结果及分析  158-160
  8.3 小结  160-161
  参考文献  161-163
第9章结论  163-167
  9.1 主要工作及结论  163-165
  9.2 不足与展望  165-167
致谢  167-168
课题项目  168-169
曾参加过的科研项目  169-170
攻读博士学位期间发表的论文  170-171
攻读博士学位期间的获奖情况  171

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