形状记忆合金及其智能混凝土结构研究

形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)作为一种集传感和驱动于一身的新型功能材料，近年来引起了土木工程界的广泛关注，利用SMA提高结构的抗震性能，对结构进行振动控制已成为一个重要的研究方向。国内外众多学者开展了相关的研究工作，并取得了一定的成果。而对于SMA的本构关系、传感特性以及SMA智能混凝土结构的性能等方面的研究还处于探索阶段，仍需进一步的深入研究。本文针对目前SMA在土木工程领域研究中存在的一些问题，进行了以下几方面的研究工作： (1)鉴于钢绞线的一些优良性能，提出了一种新形式的SMA线材——SMA绞线。通过试验研究了超弹性SMA绞线在变应变幅值和循环加载条件下的力学性能以及马氏体相SMA线材的回复应力随温度的变化情况，并与普通SMA丝的测试结果进行了对比。结果表明，SMA线材的形式对其力学性能有一定的影响。 (2)利用神经网络的非线性映射能力，根据SMA丝在不同应变幅值条件下的试验结果，建立了基于神经网络的SMA超弹性本构关系模型。由计算结果和试验数据的对比分析可知，该模型可以很好地描述SMA应力应变之间的非线性关系，且有良好的预测能力，能够解决经典唯象理论模型无法描述残余应变和应力诱发马氏体相变阶段加卸载曲线不重合现象的缺陷。 (3)利用SMA的电阻特性可以实现结构健康的自监测与自诊断或利用该特性将SMA制成传感元件。为此，将SMA的电阻率和马氏体体积百分含量之间的关系与Brinson提出的SMA一维本构关系模型相结合，建立了SMA应变传感特性分析模型。分析了不同温度、不同初始状态的SMA电阻相对变化与应变之间的关系。通过SMA电阻特性试验验证了该模型的有效性。研究结果表明，模型计算值与试验结果吻合较好。 (4)将SMA绞线作为主筋埋入到混凝土梁中，制成SMA智能混凝土梁，通过试验考查了梁的自修复能力。其中，采用三点弯曲试验对超弹性SMA混凝土梁和普通钢筋混凝土梁进行循环加载，比较了两种试验梁的承载力、残余变形和残余裂缝，分析了预应力、有无粘结对试验梁力学性能的影响；对马氏体相SMA混凝土梁采用一次性加载，卸载后对SMA绞线进行通电激励，并比较激励前后试验梁的裂缝的变化情况。通过上述试验研究可知，SMA绞线起到了改善普通混凝土梁的力学性能的作用，在保证承载力的情况下能够很好地控制试验梁的裂缝开展情况。与普通钢筋混凝土梁相比，SMA混凝土梁具有较好的自修复能力。 (5)采用初始位移法对SMA混凝土柱进行自由振动测试和通电激励测试以了解SMA对混凝土柱动态特性的影响。两种测试方式分别考查了混凝土柱在主动性能调节和主动应变能调节情况下动态特性的变化情况。试验结果表明，两种方式均可以改变混凝土柱的动态特性，两者对混凝土柱阻尼比的改变几乎相同，但对于混凝土柱的频率，主动应变能调节的效果更显著。 (6)利用超弹性SMA所具有的良好的耗能能力和自恢复能力，将其替代钢筋作为混凝土结构的主筋，建立了SMA混凝土自减震自复位结构体系。分别对平面SMA混凝土结构在单向地震作用下和空间偏心SMA混凝土结构在双向地震作用下进行了时程反应分析。计算过程中考虑了结构周期、场地类别和地震动强度的影响，并与相同几何尺寸、相同配筋率的钢筋混凝土结构的计算结果进行了比较。结果表明，SMA混凝土结构较普通钢筋混凝土结构具有较小的平动位移反应和扭转反应，且具有良好的自复位能力。