sma―疊層橡膠復(fù)合隔震支座耗能能力的影響因素研究

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1、SMA―疊層橡膠復(fù)合隔震支座耗能能力的影響因素研究摘要：為研究SMA絲-疊層橡膠支座和SMA絞線-疊層橡膠支座力學(xué)性能，基于Auricchio&Sacco本構(gòu)模型分析形狀記憶合金材料的超彈性特性，采用有限元方法分別建立這兩種橡膠支座模型，在此基礎(chǔ)上以位移幅值和豎向荷載作為主要影響因素，數(shù)值模擬分析得出兩種橡膠支座的恢復(fù)力-位移滯回曲線，建立了位移和荷載變量對支座的等效水平剛度、等效阻尼比和單位循環(huán)耗能的關(guān)系，進(jìn)而分析兩種橡膠支座的性能差異，為該支座的工程設(shè)計和使用提供理論依據(jù)。中國4/vie　　關(guān)鍵詞：SMA絲-絞線疊層橡膠支座；Auricchio&Sacco本構(gòu)；有限元模擬；

2、滯回曲線　　中圖分類號：TU352文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A：1000-0666（2017）01-0070-05　　0引言　　隔震?Y構(gòu)是指在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層，以延長結(jié)構(gòu)自震周期、增大阻尼、減小地震作用對上部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，達(dá)到預(yù)期的防震要求。形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloy縮寫為SMA）是一種新型功能性和智能性材料，它與普通材料相比，具有獨特的超彈性和形狀記憶特性。應(yīng)用SMA絲的超彈性和形狀記憶特性與普通疊層橡膠支座制成的SMA-復(fù)合疊層橡膠支座在智能隔震減震領(lǐng)域具有良好的效果?！　∥覈鴮π螤钣洃浐辖鸾z的基本力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究并取得了重要的研究成果（王社

3、良等，2007；賀志榮，2005；錢輝等，2013）；有關(guān)學(xué)者對應(yīng)用了SMA絲（絞線）的疊層橡膠支座的動力響應(yīng)和數(shù)值模擬等性能進(jìn)行了研究（莊鵬，薛素鐸，2013；莊鵬等，2006；劉海卿等，2007）；但對于SMA絲和SMA絞線對支座剛度、耗能和等效阻尼比影響的分析很少，為此本文應(yīng)用Auricchio&Sacco本構(gòu)模型采用有限元分析軟件ADINA對SMA絲和SMA絞線對支座的性能差異進(jìn)行數(shù)值模擬對比?！　?SMA絲材料數(shù)值模擬研究　　11Auricchio&Sacco本構(gòu)模型形狀記憶合金材料的應(yīng)變可以用如下公式表示：　　其中，εe為彈性應(yīng)變，ξSβ為相變應(yīng)變，α（T-T0）為

4、溫度引起應(yīng)變，β為馬氏體逆向變參數(shù)，α為熱膨脹系數(shù)，T0為參考溫度，T為試驗溫度?！　⌒螤钣洃浐嫌嫴牧系膽?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可表示為　　彈性模量E與馬氏體體積分?jǐn)?shù)ξS有關(guān)，采用下式：　　式中，EA為奧氏體彈性模量（MPa），ES為馬氏體彈性模量（MPa）?！　?2模型驗證　　王社良（2000）使用有效長度150mm、直徑01mm、最大恢復(fù)應(yīng)變8%、最大恢復(fù)力為600Mpa的形狀記憶合金絲做拉伸試驗，得到了一條形狀飽滿的應(yīng)力應(yīng)變曲線。數(shù)值模擬采用Auricchio&Sacco本構(gòu)，通過有限元分析軟件ADINA對相變偽彈性進(jìn)行模擬，基本材料參數(shù)見表1。通過試驗結(jié)果和有限元模擬結(jié)果對比，數(shù)

5、值模擬與試驗結(jié)果擬合良好，如圖1所示?！　≡囼灲Y(jié)果與模擬結(jié)果如圖1所示，通過對比分析，數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)的試驗結(jié)果有較好的擬合性，應(yīng)用此本構(gòu)模型可以對SMA絲的超彈性進(jìn)行較好的模擬。地震研究40卷第1期王錦力等：SMA-疊層橡膠復(fù)合隔震支座耗能能力的影響因素研究　　2SMA絲、SMA絞線-疊層橡膠支座有限元分析　　21模型建立SMA-疊層橡膠支座主要由形狀記憶合金絲（絞線）、橡膠、薄鋼板組成。橡膠屬于超彈性近似不可壓縮材料，具有較好的彈性，在外力作用下能發(fā)生較大位移，表現(xiàn)出復(fù)雜的材料非線性和幾何非線性，采用Mooney-Rivlin模型分析和計算（江宜城等，2008；鄭明軍等，

6、2003）。形狀記憶合金絲（絞線）用Truss單元連接于疊層橡膠支座的封板之間，整體結(jié)構(gòu)采用8結(jié)點3D實體單元建模，效果圖如圖2所示。　　22材料參數(shù)　　疊層橡膠支座直徑200mm，材料參數(shù)如表2、3所示，試件中鋼板均采用Q235。形狀記憶合金絲直徑1mm，絞線用7根直徑1mm合金絲按照鋼絞線國家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械捻制而成，加工后絞線直徑45mm，主要性能參數(shù)如表1（劉海卿，2006）。　　23數(shù)值模擬　　分析SMA絲-疊層橡膠支座和SMA絞線-疊層橡膠支座在受力和變形不同條件下的性能差異，用表1形狀記憶合金絲材料參數(shù)進(jìn)行了2種工況模擬試驗。模擬工況1，控制豎向壓力不變，研究水平位移幅值

7、加載對形狀記憶合金絲、絞線的影響。模擬工況2，保持兩試件水平位移幅值不變，對其進(jìn)行變壓力加載，工況數(shù)值見表4。模擬試驗可得到SMA絲、絞線疊層橡膠支座的恢復(fù)力-位移滯回曲線，實驗結(jié)果如3圖所示?！　?結(jié)果分析　　根據(jù)試驗工況結(jié)果計算SMA絲、絞線-疊層橡膠支座的單位循環(huán)耗能A絲、絞線-疊層橡膠支座位移幅值和豎向力與剛度的關(guān)系曲線，如圖4a、b所示。結(jié)果表明：（1）位移幅值和豎向應(yīng)力的變化對SMA絲、絞線疊層橡膠支座的等效剛度有影響，且影響效果與加載值有關(guān)；（2）等效剛度隨位移幅值和豎向力的增