SMA叠层变刚度水平万向阻尼器滞回性能研究

利用NiTi形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)的超弹性特性,开发了一种新型SMA叠层变刚度水平万向阻尼器,介绍了其基本构造和工作原理,建立了阻尼器恢复力计算模型并开展了滞回性能参数分析,研究了SMA张拉应变、SMA直径、阻尼器层数以及每层SMA丝根数对阻尼器行程、刚度、耗能、等效阻尼比的影响.研究结果表明：SMA叠层变刚度水平万向阻尼器的恢复力-位移滞回曲线呈饱满的纺锤形,阻尼器具有良好的能量耗散能力、自复位功能、大行程以及变刚度特性;随着SMA张拉应变由0.03不断增大至0.06,阻尼器最大行程不断减小而单位循环耗能呈先增大后减小趋势;随着SMA直径不断增大,阻尼器刚度和耗能能力不断增大而最大行程和等效阻尼比不变;随着叠层层数不断增大,阻尼器最大行程和单位循环耗能不断增加而刚度不断降低;随着每层SMA布置数量由8根增大至16和32根,阻尼器刚度和单位循环耗能不断增大而最大行程和等效阻尼比变化不明显.     

单自由度超弹性SMA减振结构随机振动控制理论研究

利用形状记忆合金（Shape Memory Alloy,简称SMA）丝的超弹性,提出了一种具有复位功能的阻尼器。在SMA丝的Graesser本构模型基础上,建立了阻尼器恢复力的滑移双线性模型;假定滞回面积相等,提出了恢复力的滑移刚塑性模型以近似简化滑移双线性模型。采用等价线性化法建立了单自由度超弹性SMA减振结构在高斯白噪声激励下的平稳随机振动分析公式。通过一算例,考虑不同激励谱密度和结构阻尼比：比较了等价线性法和蒙特卡罗（Monte Carlo）模拟法计算的结构振动响应（位移标准差和速度标准差）,证明了SMA减振结构随机振动控制理论的有效性;比较了等价线性减振结构和无控结构的动力特性（刚度和阻尼比）和振动响应,说明了SMA阻尼器能提高结构的刚度和阻尼比,因而可有效抑制结构的振动。     

斜拉桥主梁振动对拉索阻尼器减振效果的影响

应用拉索索端阻尼器是大跨度斜拉桥拉索减振的主要措施之一. 将主梁、索与阻尼器组合起来作为一个振动体系,通过理论分析与试验研究相结合的方法初步研究了主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响. 建立了由索、梁和Kelvin阻尼器组成的简化理论模型; 设计了索、梁和阻尼器组合系统的简化力学试验模型; 详细研究了主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响. 理论与试验分析结果表明: 对于容易发生索、梁耦合振动的拉索,主梁振动明显降低拉索附加阻尼器的减振效果;在大跨度斜拉桥拉索的减振设计中,需考虑主梁参与振动的影响.      

百色水利枢纽主要工程地质问题及施工处理

应用拉索索端阻尼器是大跨度斜拉桥拉索减振的主要措施之一. 将主梁、 索与阻尼器组合起来作为一个振动体系,通过理论分析与试验研究相结合的方法初步研究了 主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响. 建立了由索、梁和Kelvin阻尼器组成的简化理 论模型; 设计了索、梁和阻尼器组合系统的简化力学试验模型; 详细研究了主梁振动对拉 索附加阻尼器减振效果的影响. 理论与试验分析结果表明: 对于容易发生索、梁耦合振动的 拉索,主梁振动明显降低拉索附加阻尼器的减振效果;在大跨度斜拉桥拉索的减振设计中, 需考虑主梁参与振动的影响.     

用多微段变刚度杆单元分析钢筋混凝土斜拉桥的非线性地震响应

预先确定斜拉桥的弹塑性区域,把包含多微段平面变刚度梁单元推广应用于大跨度斜拉桥的非线性地震响应分析,用微段的刚度变化模拟钢筋混凝土的弹塑性性能,对双塔单索面钢筋混凝土斜拉桥进行了考虑几何非线性和材料非线性的地震响应分析,编制了相应的弹塑性分析程序,并与Huges单元分析结果进行了比较。结果表明:本文方法能较好地模拟在强震作用下钢筋混凝土斜拉桥的非线性性能,可以在大跨斜拉桥的非线性地震响应分析中应用。     

斜拉索附加带刚度阻尼器的参数优化分析

斜拉索的风雨振动及其控制是目前国内外研究的热点问题之一.其中,阻尼器减振技术得到了广泛的应用,但是,对于阻尼器的一些非理想因素如阻尼器刚度的影响,尚缺乏研究.本文对斜拉索附加带刚度的阻尼器的模态阻尼比进行了分析,通过分析复频率的变化,在阻尼器安装点距拉索锚固点长度与拉索长度之比远远小于1的假设下,得到了考虑刚度影响的拉索阻尼器的模态阻尼比的近似解析解.该近似解析解与数值计算得到的精确解对比吻合良好.对于斜拉索减振,与忽略刚度影响的阻尼器类似,带刚度的阻尼器同样存在着通用设计优化曲线.阻尼器所带有的刚度将显著的减小拉索-阻尼器系统所能获得的最大模态阻尼比,而所对应的阻尼器最优阻尼值将增大.     

形状记忆合金纤维复合材料薄壁梁的主动变形模型

提出具有变形主动驱动作用的SMA纤维混杂复合材料单闭室薄壁截面梁的力-位移本构关系模型。基于变分渐进法导出具有SMA主动纤维的复合材料薄壁空心梁的二维截面刚度系数以及截面内力（矩）与位移（转角）关系方程,含SMA纤维层合板材料性能由混合率进行预测。基于Tanaka的SMA应力应变关系以及Lin的线性相变动力模型,导出了SMA诱发的轴力、扭矩与弯矩的数学表达式。由本文建立的具有拉伸-扭转-弯曲静变形耦合的一般公式出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置特殊情形,并给出了简化的本构方程。在不考虑SMA纤维含量和温度变化的情况下,本文的模型可以退化为普通纤维复合材料单闭室薄壁截面梁的已有结果。通过数值计算揭示了SMA对弯曲-扭转静变形特性的作用规律,分析了SMA纤维含量与初始应变、驱动温度和复合材料铺层角的影响。     

形状记忆合金混杂复合材料薄壁梁主动变形模型

提出具有变形主动驱动作用的SMA纤维混杂复合材料单闭室薄壁截面梁的力-位移本构关系模型.基于变分渐近法导出具有SMA主动纤维的复合材料薄壁空心梁的二维截面刚度系数以及截面内力(矩)与位移(转角)关系方程,含SMA纤维层合板材料性能由混合率进行预测.基于Tanaka的SMA应力应变关系以及Lin的线性相变动力模型,导出了SMA诱发的轴力、扭矩与弯矩的数学表达式.由该文建立的具有拉伸-扭转-弯曲静变形耦合的一般公式出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置特殊情形,并给出了简化的本构方程.在不考虑SMA纤维含量和温度变化的情况下,本文的模型可以退化为普通纤维复合材料单闭室薄壁截面梁的已有结果.通过数值计算揭示了SMA对弯曲-扭转静变形特性的作用规律,分析了SMA纤维含量、驱动温度和复合材料铺层角的影响.     

斜拉索振动的模糊半主动控制研究

考虑拉索垂度及抗弯刚度的影响,得出了索-阻尼器系统振动偏微分方程;用中心差分法将偏微分方程在空间内离散,导出了系统的面内振动常微分方程组;提出了使用MR阻尼器(Magnetorheological Damper)作为控制设备,模糊集为基础的半主动控制算法,并运用提出的算法对索-阻尼器系统进行了振动控制分析。本文方法的优势在于算法自身的鲁棒性、处理非线性问题的能力强和不需要结构的精确数学模型,算法需要的输入变量少,可以解决实际工程中斜拉索的振动响应信息难以测量的困难。模糊算法的输出直接控制MR阻尼器的输入电压。与LQR-Clipped算法不同,MR阻尼器的输入电压可以是零与最大值之间的任意值。本文以实际斜拉桥拉索为例,分析了拉索的振动控制效果,结果表明本文提出的模糊半主动控制算法,使MR阻尼器的功能得到了更好的发挥,比MR被动控制效果好,且可以减小控制力。     

SMA阻尼器的阻尼特性分析及器件设计方法

提出了SMA中心引线型阻尼器的力学计算模型，以Brinson本构模型为理论依据建立了阻尼器的阻尼特性分析理论及器件设计方法；利用MATLAB编制的仿真软件进行了实例仿真。结果表明SMA阻尼器具有明显的阻尼特性，加上其耐久性和免维护性，适合用于土木工程的结构振动被动控制。     

大跨度桥梁多模态耦合颤振DTMD控制研究

DTMD是一种具有双频率的调谐质量阻尼器,与普通TMD相比,可以同时实现对主梁竖向和扭转运动的控制,具有较高的控制效率。本文基于多模态耦合颠振理论,导出带有DTMD的桥梁颠振系统运动微分方程,采用PK—F法求解系统颠振运动微分方程,并编制了多模态耦合颠振DTMD控制和参效分析程序,以崖门斜拉桥为算例,分析了DTMD对桥梁颤振控制的有效性并与普通TMD进行了对比,计算结果表明与传统TMD相比,DTMD对桥梁颠振具有更高的控制效率。     

Performance evaluation of shape-memory-alloy superelastic behavior to control a stay cable in cable-stayed bridges

This paper focuses on introducing and investigating the performance of a new passive control device for stay cable in cable-stayed bridges made with shape-memory alloys (SMA). The superelasticity and damping capability of SMA is sought in this study to develop a supplementary energy dissipation device for stay cable. A linear model of a sag cable and a one-dimensional constitutive model for the SMA are used. The problem of the optimal design of the device is studied. In the optimization problem, an energy criterion associated with the concept of optimal performance of the hysteretic connection is used. The maximum dissipation energy depends on the cross-sectional area, the length, and the location of the SMA on the cable. The effectiveness of the SMA damper in controlling the cable displacement is assessed. Furthermore, a study is conducted to determine the sensitivity of the cable response to the properties of the SMA device. The comparison between the SMA damper and a more classical passive control energy dissipation device, i.e., the tuned mass damper (TMD), is carried out. The numerical results show the effectiveness of the SMA damper to damp the high free vibration and the harmonic vibration better than an optimal TMD.     

Comparison of seismic performance of three restrainers for multiple-span bridges using fragility analysis

Steel restrainer cables for multiple-frame bridges in California in the United States showed the effectiveness to prevent the unseating at the internal hinges during the past several earthquakes. After that, the steel restrainer cables are being tried to apply for multiple-span-simply-supported (MSSS) bridges in the central and the southeastern regions in the United States. In addition, shape memory alloy (SMA) bars in tension are being studied for the same application. In multiple-frame bridges, the developed seismic forces are transferred to piers through the restrainers; however, in MSSS bridges, the seismic forces are transferred to abutments by the restrainers. Therefore, the abutment’s behavior should be investigated as well. This study assesses the seismic performance of the three types of restrainers—steel restrainer cables, SMA bars in tension, and SMA bars in bending for MSSS bridges—due to moderate to strong ground motions using a deterministic seismic analysis. Also, a fragility analysis is conduced to assess the seismic resistance for the overall bridge system. For these analyses, the bending test of an SMA bar is conducted and its analytical model is determined. Then, nonlinear time history analyses are conducted to assess the seismic responses of the as-built and the retrofitted bridges. The deterministic analysis illustrates how the restrainers influence the components of the bridge. However, it could not explain the effects on the whole bridge system. The fragility analysis shows the effects of the three restrainers on the overall bridge system. The fragility analysis indicates that the SMA bars in bending are the most effective ones.     

建筑结构的SMA被动振动控制方法

文章根据Robery K等研制的SMA中心牵引型耗能器的基本原理，设计出一种具有自我保护能力的新型耗能器，并建立了对应的力学模型。在此基础上，利用Brinson相变发展的本构模型从热力学第一定律出发建立了耗能器的热力学平衡方程式，为了探讨耗能器在结构中的被动控制效果，文章以三层单跨框架结构为例建立了结构在耗能器作用下的动力学方程式。最后，文章分别对耗能器与框架结构进行了数值仿真计算。结果表明，耗能器的耗能能力随温度的升高而下降，通过温控器的调节或改变相变温度点，可以使耗能器处于最佳耗能状态；SMA耗能丝材愈短，在相同的耗能器行程下，丝材应变愈大，相变发展愈充分，耗能量愈大，但最大应变不能超过材料的最大可恢复应变；SMA耗能器对结构在地震作用下的动力响应具有较显著的抑制作用，位移的峰值衰减率约50％一70％。     

高速铁路连续梁桥的共振响应与振动控制研究

以液体粘滞阻尼器为振动控制外部装置,主桥采用欧拉伯努利梁,通过中国和谐号动车组CRH380AL、日本新干线Shinkansen700和欧洲高速列车HSLMA8三种不同类型的高速列车对比,模拟分析了高速列车作用下桥梁结构共振响应的影响因素,以及粘滞阻尼器的阻尼系数与安装位置对桥梁结构振动响应的减振效果。研究结果表明,（1）合理有效地布置列车荷载轴距,可使桥梁结构发生基频共振的列车时速在运营时速之外,避免了桥梁结构发生较大振动峰值响应,即桥梁结构的基频共振;（2）随着粘滞阻尼器阻尼系数的增大,桥梁的加速度峰值在列车不同时速下均在减少,对桥梁振动有着不同程度的减振效果;（3）通过合理安置液体粘滞阻尼器,可有效降低高速列车作用下桥梁结构的共振响应;（4）随着粘滞阻尼器与主梁的连接点位置逐渐远离支座,粘滞阻尼器的减振效果逐渐明显;（5）随着粘滞阻尼器与桥台的连接点位置逐渐靠近支座,粘滞阻尼器的减振效果略有提升,但不明显。     

双曲面摩擦摆支座典型桥梁的地震响应研究

为研究不同因素对粤东高烈度地区双曲面摩擦摆支座高速公路典型桥梁工程地震响应的影响,选取潮安韩江特大桥主桥(55+4×90+55)m为研究对象,该桥所有墩梁之间均采用双曲面摩擦摆支座。采用ANSYS有限元软件建立全桥模型,基于时程分析法研究了多种因素下桥梁结构的地震响应。研究表明,在纵桥向地震动激励下,桩土的相互作用对各桥墩墩底地震响应影响显著;栓钉全部剪断比栓钉全部不剪断的各桥墩墩底弯矩和剪力分布更均匀,桥墩上的固定支座栓钉不剪断将会增加该桥墩的弯矩、剪力以及支座剪力,但对其他桥墩的影响较小;该研究成果可应用于带栓钉的摩擦摆支座桥梁的地震响应分析。     

基于胡聿贤谱的带支撑广义Maxwell阻尼隔震结构随机响应分析

工程中通过设置支撑将阻尼器和建筑结构连接, 但常为了简化分析, 将支撑的水平刚度看成无穷大, 即不考虑支撑对耗能结构随机地震响应的影响. 实际上, 考虑有限水平刚度的支撑对耗能结构响应的影响更加符合工程实际, 为考虑支撑影响的广义Maxwell耗能隔震结构在胡聿贤谱地震激励下的响应分析, 提出一种求解随机地震响应的简明解析解法. 将带支撑广义Maxwell阻尼器等效本构关系、隔震结构运动方程以及胡聿贤谱滤波方程联合组成非经典阻尼系统, 运用复模态法对该非经典阻尼系统解耦, 通过不同响应模态获得耗能隔震系统系列响应基于白噪声激励的Duhamel积分表达式; 利用Dirac函数的性质, 将系统系列响应协方差简化为无积分运算的表达式, 根据功率谱密度函数与其协方差函数的Wiener-Khinchin关系, 得到耗能隔震系统系列响应功率谱和地面加速度功率谱, 基于随机振动理论中谱矩的定义, 得到耗能隔震系统系列响应0 ~ 2阶谱矩. 算例通过与虚拟激励法对比分析, 验证所提方法在该耗能隔震系统分析的正确性和高效性, 并讨论了不同支撑刚度对阻尼器减震效果的影响.      

Fragility analysis of bridges under ground motion with spatial variation

Seismic ground motion can vary significantly over distances comparable to the length of a majority of highway bridges on multiple supports. This paper presents results of fragility analysis of highway bridges under ground motion with spatial variation. Ground motion time histories are artificially generated with different amplitudes, phases, as well as frequency contents at different support locations. Monte Carlo simulation is performed to study dynamic responses of an example multi-span bridge under these ground motions. The effect of spatial variation on the seismic response is systematically examined and the resulting fragility curves are compared with those under identical support ground motion. This study shows that ductility demands for the bridge columns can be underestimated if the bridge is analyzed using identical support ground motions rather than differential support ground motions. Fragility curves are developed as functions of different measures of ground motion intensity including peak ground acceleration, peak ground velocity, spectral acceleration, spectral velocity and spectral intensity. This study represents a first attempt to develop fragility curves under spatially varying ground motion and provides information useful for improvement of the current seismic design codes so as to account for the effects of spatial variation in the seismic design of long-span bridges.     

Seismic behaviour of isolated multi-span continuous bridge to nonstationary random seismic excitation

This paper concentrates on the results of responses of a multi-span continuous bridge isolated with double concave friction pendulum bearings subjected to non-stationary random seismic excitation characterized by the incoherence, the wave-passage, and the site-response effects. The earthquake excitation is modelled as a non-stationary random process as uniformly modulated broad-band excitation. To perform the seismic isolation procedure, the double concave friction pendulum bearings which are sliding devices that utilize two spherical concave surfaces are placed at each of the six support points of the deck. The non-stationary response of the isolated bridge is compared with the corresponding stationary response in order to study the effects of non-stationary characteristics of the earthquake input motion. Solutions obtained from the stationary and non-stationary stochastic analyses for the isolated bridge to spatially varying earthquake ground motions are compared for the special cases of the earthquake ground motion model. The spatially varying earthquake ground motions are described stochastically based on an empirical coherency loss function and a filtered power spectral density function. The site effect is considered by a transfer function derived from one dimensional wave propagation theory. It is observed that the stationary assumption is reasonable for the considered ground motion duration.