自復(fù)位SMA梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能與設(shè)計(jì)理論研究

將智能材料按其特殊功能與結(jié)構(gòu)相融合是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自我調(diào)節(jié)功能的一條新途徑，已經(jīng)引起一些發(fā)達(dá)國(guó)家研究者的高度重視。為了避免傳統(tǒng)屈服機(jī)制的鋼框架節(jié)點(diǎn)因發(fā)生塑性變形而造成震后修復(fù)困難，需要對(duì)延性高且能變形自復(fù)位的新型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究。. 本研究將形狀記記合金（SMA）與外伸端板螺栓節(jié)點(diǎn)相結(jié)合，提出利用SMA的超彈性構(gòu)建變形自復(fù)位的梁柱節(jié)點(diǎn)。與采用強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)理念的傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)不同，本研究節(jié)點(diǎn)將采用全新設(shè)計(jì)理念與構(gòu)造措施，在小震作用下具有足夠的強(qiáng)度與剛度；在大震作用下具有較好的變形能力及變形自恢復(fù)能力。本研究的具體內(nèi)容是：開(kāi)發(fā)一種超彈的SMA螺栓連接，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、變形與破壞機(jī)理研究。通過(guò)本項(xiàng)目研究，要提出SMA節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，給出強(qiáng)度計(jì)算公式及相關(guān)的構(gòu)造建議。本研究成果對(duì)于開(kāi)發(fā)自適應(yīng)變形、自診斷健康和自愈合變形的新一代可持續(xù)建筑有重要價(jià)值。 2100433B

本項(xiàng)目擬開(kāi)展超彈性形狀記憶合金（SMA）增強(qiáng)混凝土剪力墻抗震性能和設(shè)計(jì)方法研究。通過(guò)不同循環(huán)加載條件下SMA筋力學(xué)性能試驗(yàn)，揭示因潛熱引起的材料溫度變化規(guī)律以及相應(yīng)的馬氏體相變機(jī)理，建立適用于工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的SMA應(yīng)變率相關(guān)動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型；通過(guò)低周反復(fù)加載模型試驗(yàn)，研究超彈性SMA混凝土剪力墻損傷破壞演化過(guò)程，揭示其損傷發(fā)生發(fā)展機(jī)理、裂縫自修復(fù)和結(jié)構(gòu)自復(fù)位規(guī)律及破壞失效機(jī)理；基于有限元分析軟件，建立SMA混凝土剪力墻數(shù)值分析模型，揭示材料特征參數(shù)對(duì)剪力墻損傷破壞的影響規(guī)律；在數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出超彈性SMA混凝土剪力墻抗震性能的評(píng)價(jià)方法，建立基于性能的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法。本項(xiàng)目涉及工程學(xué)、材料學(xué)和力學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域，具有學(xué)科交叉性，其研究成果對(duì)發(fā)展智能材料與高層建筑結(jié)構(gòu)災(zāi)變振動(dòng)控制技術(shù)具有重要的科學(xué)意義。

本課題實(shí)施了基于超彈性形狀記憶合金（SMA）的鋼筋混凝土剪力墻試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)不同直徑的SMA棒材在不同加載條件下力學(xué)性能試驗(yàn)研究，分析了直徑、循環(huán)加載次數(shù)、應(yīng)變幅值、熱處理溫度對(duì)其力學(xué)性能的影響，得出大直徑SMA棒材相關(guān)力學(xué)特性及本構(gòu)模型；設(shè)計(jì)并制作自復(fù)位SMA-RC剪力墻模型，進(jìn)行了低周往復(fù)荷載模型試驗(yàn)，觀察并記錄了SMA-RC剪力墻損傷破壞過(guò)程，分析了剪力墻的損傷發(fā)展機(jī)理，裂縫修復(fù)依據(jù)，自復(fù)位規(guī)律以及破壞失效機(jī)理，結(jié)果顯示SMA-RC剪力墻具有優(yōu)越的自復(fù)位能力，在地震后經(jīng)過(guò)必要修復(fù)以后即可以繼續(xù)使用，為建筑抗震研究提供更多依據(jù)；基于工程水泥基復(fù)合材料（ECC）的優(yōu)越性，開(kāi)展了SMA-ECC剪力墻低周往復(fù)荷載模型試驗(yàn)，依據(jù)承載力、能量耗散、剛度退化等參數(shù)對(duì)比得出不同材料對(duì)剪力墻抗震性能影響，首次提出了SMA-ECC剪力墻，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外研究在這一點(diǎn)的空白；基于有限元分析軟件Opensees，建立SMA-RC剪力墻數(shù)值分析模型，分析材料參數(shù)對(duì)剪力墻損傷破壞影響規(guī)律；依據(jù)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，提出了自復(fù)位剪力墻抗震性能評(píng)價(jià)方法，建立了基于性能的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法。綜上所述，本研究為探討SMA-RC剪力墻的自復(fù)位機(jī)制奠定了堅(jiān)實(shí)的工作基礎(chǔ)。同時(shí)將SMA和ECC結(jié)合起來(lái)，提出并研究了具有更加優(yōu)越的自復(fù)位結(jié)構(gòu)，為建筑抗震研究提供了新的思路和啟示。本項(xiàng)目涉及多學(xué)科領(lǐng)域，具有學(xué)科交叉性，其研究成果對(duì)發(fā)展智能材料與高層建筑結(jié)構(gòu)災(zāi)變振動(dòng)控制技術(shù)具有重要的科學(xué)意義。

本項(xiàng)目研制一種新型預(yù)壓彈簧自恢復(fù)耗能支撐構(gòu)件，通過(guò)數(shù)值模擬及擬靜力試驗(yàn)研究自恢復(fù)耗能支撐構(gòu)件耗能能力、復(fù)位能力及設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其性能的影響規(guī)律，建立支撐構(gòu)件恢復(fù)力模型及其設(shè)計(jì)理論與方法；通過(guò)自恢復(fù)耗能支撐-框架局部子結(jié)構(gòu)精細(xì)化數(shù)值模擬和擬靜力試驗(yàn)研究子結(jié)構(gòu)受力性能及局部損傷分布規(guī)律、支撐構(gòu)件耗能能力及子結(jié)構(gòu)復(fù)位能力，揭示支撐-框架子結(jié)構(gòu)失效機(jī)制；基于多尺度建模方法研究高層建筑自恢復(fù)耗能支撐體系的抗震性能及功能可恢復(fù)性，建立自恢復(fù)耗能支撐系統(tǒng)與高層建筑結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的理論與方法，對(duì)提高我國(guó)高層建筑的抗震能力提供理論依據(jù)和科學(xué)支撐，具有重大的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用前景。