文章编号：1000-4750(2021)01-0109-10
一种新型自复位SMA 支撑的抗震性能试验研究
胡淑军1,2，顾    琦1，姜国青3，熊进刚
1,2
(1. 南昌大学建筑工程学院，江西，南昌 330031；2. 江西省近零能耗建筑工程实验室，江西，南昌 330031；
3. 洪都建设集团有限公司，江西，南昌 330029)
摘    要：有效提高支撑的延性和耗能能力以及减小支撑的残余变形，是提高建筑结构抗震性能和震后功能恢复能力的重要手段之一。该文基于形状记忆合金(SMA)的自复位性能和滑移螺杆摩擦耗能等思想，提出一种抗震性能良好和自复位能力强的新型自复位SMA 支撑。对五个不带SMA 的支撑和六个自复位SMA 支撑进行低周往复加载试验研究，得到了支撑的滞回曲线、骨架曲线、割线刚度、耗能能力、承载能力和自复位能力等抗震性能指标。试验结果表明：所提出的自复位SMA 支撑具有良好的耗能能力、承载能力、延性及自复位能力，整个试验过程中各板件未达到屈服，且SMA 可复位至初始状态，无任何构件发生损伤；各自复位SMA 支撑试件的滞回曲线均较饱满且大致呈现旗帜型，最大自复位率达到93.7%。所提出的自复
位SMA 支撑具有良好的抗震性能，可作为自复位阻尼器使用。
关键词：形状记忆合金；自复位；滞回曲线；割线刚度；抗震性能
中图分类号：TG139+.6；TU352.1+1          文献标志码：A          doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.02.0087
EXPERIMENTRAL STUDY ON SEIMEIC PERFORMANCE FOR AN
INNOVATIVE SELF-CENTERING SMA BRACE
HU Shu-jun 1,2
, GU Qi 1
, JIANG Guo-qing 3
, XIONG Jin-gang
1,2
(1. School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang University, Nanchang, Jiangxi 330031, China;2. Jiangxi Provincial Engineering Laboratory of Nearly Zero Energy Building, Nanchang, Jiangxi 330031, China;
3. Hongdu Construction Group Co. Ltd., Nanchang, Jiangxi 330029, China)
Abstract:  During rare earthquake, the effective improvement of the ductility and energy dissipation capacity and reduction of residual deformation of a brace is currently in higher demand to ensure the seismic safety and seismic resilience  capacity. Based  on  the  ideals  of  shape  memory  alloy  (SMA) and  friction  slip, an  innovative  self-centering brace with low friction and SMA is developed, which has the advantage of good seismic performance,high self-centering capacity and zero damage. Low frequency cyclic tests were carried on five non-SMA brace specimens  and  six  self-centering  SMA  brace  specimens, thusly  the  hysteresis  curves, skeleton  curves, secant stiffness, energy  dissipation  capacity  and  self-centering  ratio  of  these  specimens  can  be  investigated. The  test results  show  that: the  self-centering  SMA  braces  proposed  have  excellent  energy  dissipation  capacity, bearing capacity, ductility and self-centering capacity, while all the steel plates in the specimens remain elastic without any yielding during the test, and the SMA in the specimens can return to the initial state. In addition, hysteretic behavior of the brace can be idealized as a flag-shape
with little residual deformation, and the self-centering ratio has reached 93.7%. Therefore, the innovative brace has excellent seismic performance, which can be used as a self-centering damper.
Key words:  shape memory alloy (SMA); self-centering; hysteresis curve; secant stiffness; seismic performance
收稿日期：2020-02-14；修改日期：2020-04-20
基金项目：国家自然科学基金项目(51768044，51908268，51968047)；江西省博士后科研择优资助项目(2019KY57)
通讯作者：熊进刚(1970−)，男，江西人，教授，博士，主要从事结构抗连续性倒塌、结构优化等方面研究(E-mail: ******************** ).作者简介：胡淑军(1985−)，男，江西人，副教授，博士，主要从事钢结构消能减震技术、结构优化等方面研究(E-mail: **************** );
顾　琦(1994−)，男，江西人，硕士生，主要从事可恢复功能结构方面的研究(E-mail: *****************);
姜国青(1963−)，男，江西人，高工，本科，主要从事装配式建筑施工技术应用等方面研究(E-mail: *****************).
第 38 卷第  1  期Vol.38    No.1工  程  力  学2021年
1  月
Jan.
2021
ENGINEERING    MECHANICS
109
当前建筑结构的抗震性能和震后快速恢复能力被日益重视[1]。传统的结构抗震设计常采用增加结构自身延性来满足更强的地震要求，但震后可能引起结构过大的残余变形，导致结构震后修复困难[2]。可恢复功能结构能在提高结构抗震性能的同时，将损伤集中在可快速修复的耗能构件上[3]。带屈曲约束支撑[4]、偏心支撑[5]等的结构可有效提高其抗侧刚度和抗震性能，并将耗能和损伤集中在耗能构件上，且损伤构件震后也能被快速修复，但可能出现的残余变形会给整体结构的修复带来极大困难。因此，需在提高耗能支撑抗震性能的同时，有效减小构件残余变形并增强构件自复位能力。
形状记忆合金(SMA)是一种具有形状记忆效应、超弹性，在奥氏体相能表现出超弹性的材料，其恢复应变可达6%~8%[6]，且受温度[7]、加载速率[8]等因素影响。SMA棒材和SMA丝材均可用于土木工程中，SMA棒材的承载能力高，但在应力较大时可能产生残余变形[9 − 10]，且性能不如SMA丝材稳定[11]。S
MA丝材可用于自复位阻尼器中，并表现出良好性能[12 − 17]，例如：任文杰等[8]提出一种形状记忆合金-摩擦复合阻尼器，可根据不同输入荷载切换不同的工作机制；Dolce等[12]利用SMA分段受拉原理研制出一种SMA自复位阻尼器，即构件在拉、压荷载下由不同的SMA组提供自复位和耗能；Ozbulut等[13]提出并研究一种基于SMA和摩擦的耗能装置RVFD，并应用于高层建筑中；刘明明和李宏男等[14]提出一种自复位SMA-剪切型铅阻尼器，由SMA丝材、剪切型铅块和复位弹簧组成；孙彤等[15]设计了一种新型多维SMA阻尼器，能将扭转运动转化为阻尼缘拉伸，从而提供拉压及扭转方向阻尼；Feng等[16]基于SMA环提出一种非对称的自复位支撑，并用于钢结构梁柱节点中，有效避免节点损伤及提供自复位能力；展猛等[17]基于SMA材料和压电PZT 陶瓷驱动器，提出一种复位型SMA压电混合减震装置。
高强螺杆在长圆孔中的摩擦滑移可增大构件延性和耗能能力，且板件间设置不同种类垫片的摩擦系数差异很大[18 − 19]。其中，采用1 mm厚的丁基橡胶所制成的垫片，其摩擦系数可低至0.075[4]。另外，在支撑中合理设计两个长圆孔和滑移螺杆，并在螺杆之间设置SMA丝材，可使其在拉力或压力作用下SMA始终受拉[13]，从而进一步增大其耗能能力，并使其滞回曲线趋向旗帜型，降低构件的残余变形。
本文基于SMA的自复位性能和滑移螺杆在长圆孔中的摩擦滑移耗能等思想，并结合丁基橡胶垫片的低摩擦效应，提出一种抗震性能良好和自复位能力强的新型自复位SMA支撑，其中SMA 始终受拉。设计五个不带SMA的支撑和六个自复位SMA支撑并进行低周往复加载试验研究，并仅考虑温度为20 ℃且加载速度为0.0012 s−1 [20]，可得到支撑的滞回曲能、骨架曲线、割线刚度、耗能能力、承载能力和自复位
能力等抗震性能指标，为该种新型自复位SMA支撑的应用提供理论基础。
1    自复位SMA支撑的基本性能
1.1    自复位SMA支撑的构造
如图1所示，自复位SMA支撑的主要组成构件包括：前副板、后副板、左端板、右端板、高强螺栓、固定垫片、滑移螺杆、滑移垫片、丁基橡胶垫片、SMA。在前副板、后副板和右端板中间左、右两侧同一位置处分别开设长圆孔；在前副板、后副板和右端板上、下同一竖轴上分别开设螺栓圆孔。在两个长圆孔处的各板两侧分别设置丁基橡胶垫片，然后在丁基橡胶垫片远离各板一侧设置滑移垫片，并通过滑移螺杆将前副板、后副板和右端板固定连接，且滑移螺杆均设置在长圆孔内靠近另一长圆孔端部一侧，如图1(a)滑移螺杆位置。在螺栓圆孔处各板两侧分别设置固定垫片，并通过高强螺栓固定连接。当螺栓及螺杆均固定后，在两个滑移螺杆上分别缠绕SMA丝材，即可形成新型自复位SMA支撑。
1.2    自复位SMA支撑的工作原理
自复位SMA支撑初始状态如图2(a)所示。前副板、后副板和左端板受两个高强螺栓的固定作用，不发生任何滑移和变形。假设左端板在远离右端板一侧截面初始为固接，当右端板承受拉力作用时，右端板将带动右侧滑移螺杆向右侧移动，而左侧滑移螺杆受前副板和后副板内的左侧长圆孔固定，不发生滑移，
故SMA丝材将处于受拉状态，如图2(b)；当右端板恢复至初始状态且逐渐受压力作用时，右端板将带动左侧滑移螺杆向左侧移动，此时右侧滑移螺杆受前副板、后副
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板内的右侧长圆孔固定，也不发生滑移，SMA 丝材仍处于受拉状态，如图2(c)。此外，当外力卸载
后，SMA 丝材的恢复力可为支撑提供复位力，且具有一定的耗能能力。在整个受力过程中，丁基橡胶垫片的设置将有效减小各板件与滑移垫片之间的摩擦力，增强构件的自复位能力。基于此，该种支撑在拉力、压力作用下SMA 始终受拉，有效实现构件的自复位能力。1.3    自复位SMA 支撑的组装
单个自复位SMA 支撑部件包括：1块左端板、1块右端板、1块前副板、1块后副板、2束SMA 丝材、8块滑移垫块、8块普通垫块、12块丁基橡胶垫片、2个高强螺栓、2个滑移螺杆。各
部件加工完成后，按如下步骤进行组装：
1)将裁剪好的丁基橡胶垫片粘贴在前副板、后副板、右端板与滑移垫块接触位置，如图3(a)；
2)依照支撑构造图，采用滑移螺杆将滑移垫块、前副板、后副板、右端板固定连接，并将滑
滑移螺杆后副板
右端板
SMA
SMA 前副板左端板丁基橡胶垫片
固定垫片
滑移垫片
高强
螺栓
(b) 自复位 SMA 支撑的三维图
(c) 前副板、后副板
(d) 右端板
(e) 左端板(f) 固定垫片(g) 滑移垫片
(h) SMA 丝材(i) 滑移螺杆(j) 丁基橡胶垫片图 1    自复位SMA 支撑构造图
Fig. 1    Schematic diagram of self-centering SMA brace
初始状态
拉力
压力
(a)
(b)
(c)
固定
固定
固定
SMA 受拉
SMA 受拉
图 2    自复位SMA 支撑工作原理图
Fig. 2    Work principle of self-centering SMA brace
(a) 丁基橡胶垫片与各板件粘接图
(b) 不带 SMA 的支撑
(c) SMA 丝材张拉(d) 方钢支撑装配(e) 鸡心环
(f) 自复位 SMA 支撑
图 3    自复位SMA 支撑的组装图
Fig. 3    Assembly drawing of self-centering SMA brace
工  程  力  学111
移螺杆安装在预定位置。随后采用高强螺栓将普通垫块、前副板、后副板和左端板固定连接。待上述装配完毕后，使用扭矩扳手对滑动螺杆的两侧螺母施加扭矩至目标值，如图3(b)；
3)由于SMA丝材刚度较大，人工缠绕SMA 丝材无法与滑移螺杆紧密贴合。设计一种方钢支撑套筒，其轴线距与支撑滑动螺杆的轴心距相同。将锚固好的SMA丝材，通过套筒、圆形杆将预应力张拉到目标值，并采用方钢支撑卡住两套筒中间。另外，SMA丝材之间采用鸡心形连接。具体如图3(c)；
4)取出设置了预拉力的SMA丝材，并套入位于初始位置的滑移螺杆内，即可形成本文所提出的自复位SMA支撑，如图3(d)。
2    试验概况
2.1    试件设计
为研究新型自复位SMA支撑的抗震性能及自复位能力，设计多组考虑多种因素影响的模型，并对各构件进行试验研究。各主要参数如表1所示。
表 1    试件主要参数
Table 1    Table Main parameters of specimenscentering
试件序号试件编号扭矩值/
(N·m)
SMA圈数
SMA面积/
mm2
SMA预拉力/
kN
1SCB-10-0-0100  0.000
2SCB-20-0-0200  0.000
3SCB-30-0-0300  0.000
4SCB-40-0-0400  0.000
5SCB-50-0-0500  0.000
6SCB-10-16-1101625.121
7SCB-10-28-1102843.961
8SCB-30-28-1302843.961
9SCB-50-28-1502843.961
10SCB-10-28-3102843.963
11SCB-10-28-5102843.965
首先，设五个不带SMA丝材的支撑模型(模型1~模型5)，以考虑滑动螺杆扭矩值的影响，并得到支撑承载力与扭矩值的关系。其次，设计六个带SMA的模型，以考虑扭矩值、SMA面积和SMA预应力对支撑的影响。其中，两个模型的SMA丝材横截面积分别是25.12 mm2、43.96 mm2 (模型6、模型7)，分别是16圈(两侧各8圈)、28圈(两侧各14圈)；两个模型考虑滑移螺杆扭矩值的影响(模型8、模型9)，并与模型7对比；两个组模型考虑SMA预拉力的影响(模型10、模型11)，并与模型7对比。试件总长度为450 mm，最大位移行程为17 mm(约为SMA长度的6%)。
在自复位支撑中，左端板尺寸为110 mm×80 mm×15 mm(长×宽×厚，下同)；前副板和后副板尺寸相等，均为424 mm×80 mm×8 mm；右端板长是424 mm×80 mm×15 mm；固定垫片半径为15 mm，厚5 mm；滑移垫片半径为40 mm，厚3 mm(两侧设置有1 mm厚的丁基橡胶垫片)；螺栓圆孔半径为5 mm，长圆孔半径为10 mm，长度为17 mm，其它具体尺寸详见图4。
图 4    自复位SMA支撑的几何尺寸图
Fig. 4    Details of the self-centering SMA brace
2.2    材料性能
1) SMA丝材的力学性能
本次试验中选用NITI形状记忆合金丝材，其直径为1 mm，长度为37.5 mm，合金成分为56.00% (Ni原子分数，下同)、43.59%Ti、0.04%C、0.05%Co、0.10%Cr、0.01%Cu、0.015%Fe、0.10%Si、0.095%其它元素。试验温度为20 ℃，SMA丝材的初始状态为奥氏体状态，且参照文献[20]加载速度取0.0012 s−1，且忽略其它加载速率的影响。采用SANS电子万能试验机对SMA丝材进行单一应变循环加载、逐级增量应变加载，具体表示为：
① 单一应变循环加载：对SMA丝材进行幅值为0.06应变、加载速率为0.0012 s−1的30圈循坏加载；
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② 逐级增量应变加载：对SMA 丝材进行幅值为0.06应变、增幅为0.01应变/次、加载速率为0.0012 s −1
的循环加载。
如图5所示SMA 丝材的应力-应变曲线。在单一应变循环加载中，当SMA 丝材在应变0.06下循环30圈后，应力及应变均减小，最后回到初始状态，曲线呈明显的旗形，无明显残余变形，即SMA 丝材具有良好的自复位能力。另外，SMA 丝材30圈的循环拉伸曲线几乎保持重合，即力学曲线无明显改变和退化。在逐级增量应变加载中，其骨架曲线的轮廓与单一应变循环加载的曲线一致。当应变逐步增大时，曲线围成的图形为呈旗型，且每级应变下的应力、应变均能回归至初始零状态，其耗能能力也在逐渐增大。
σAM s σAM f σMA
s σMA f
εL E A σAM u σAM s σAM f σMA
s
SMA 超弹性的本构关系需要指定6个参数
、、、、、[21]，并参考文献[22]考虑末端尖角模型及最大应力，如图6所示。其中，为奥氏体向马氏体相变开始应
力；为奥氏体向马氏体相变结束应力；σMA f εL E A 为马氏体向奥氏体逆相变开始应力；为马氏体向奥氏体逆相变结束应力；为最大相变应变；为初始弹性模量。
基于以上力学试验所得SMA 丝材的应力-应变曲线，可得到各参数的值，具体如表2所示。
表 2    SMA 丝材的力学参数
Table 2    Mechanical parameters of NITI-SMA wire
材料εL E A /MPa σAM s /MPa σAM f /MPa σAM u /MPa
σMA s /MPa σMA f /MPa SMA
0.06
59531
550
590
625
265
225
2)钢板的材料性能
自复位SMA 支撑中，各连接板件采用Q345B 钢材，前副板、后副板厚度均为8 mm ，右侧板厚度为15 mm 。材性试验结果见表3。
表 3    钢板的力学参数
Table 3    Mechanical properties for steel plate
编号厚度/mm 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 伸长率/(%)1836554520623.12
15
372
556
209
25.2
2.3    试验装置及加载制度
本次试验在南昌大学工程力学实验室进行。如图7所示，加载设备为SDS100电液伺服试验机，且采用试验机中的静力试验模块，其最大加载力为100 kN ，并采用液压夹头、液压驱动加载。安装时，采用夹头将左端板固定在下端，右端板也采用夹头固定在上端，并通过上端的力传感器同步施加和采集荷载和位移。整个试验过程中室温为20 ℃。力传感器
控制计算机
控制终端
信号连接器
新型支撑试件
图 7    加载装置图
Fig. 7    Experiment setup diagram
本文采用增量幅值加载的方式对构件施加位移荷载[8]
，所采用的位移幅值和相应加载步如图8
图 5    SMA 丝材的应力-应变曲线Fig. 5    Stress-strain curve of SMA wire
图 6    SMA 的本构模型
Fig. 6    Constitutive model of SMA
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