基于形状记忆合金复合橡胶支座的结构隔震理论与试验研究

1. 项目简介： “基于形状记忆合金复合支座的结构隔震理论与试验研究”为国家自然科学基金项目、辽宁省重点实验室项目和辽宁省教育厅高校科研基金项目的联合项目。该项目将形状记忆合金新型智能材料应用到结构隔震减震中，实现了新型智能材料对建筑结构的振动控制。

2. 研究基本内容与成果： 在结构隔震领域中，应用最广泛的隔震元件是普通叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座。普通支座由于橡胶本身耗能不足，易造成因隔震层变形过大所导致的支座失稳；铅芯橡胶支座铅芯变形后无法恢复原状，因而降低了它的自恢复能力。中国新规范规定叠层橡胶支座在罕遇地震下发生容许的最大剪切变形应小于等于0.55D（叠层橡胶支座的有效直径）。而实际在罕遇地震下支座所发生的剪切变形往往大于0.55D，这样支座就难以恢复到原来位置。该项目充分利用形状记忆合金（SMA）材料的超弹性性能，将SMA制作成绞线，进行了SMA丝和SMA绞线超弹性性能试验，得出SMA绞线具有更好的超弹性性能。将其布置在普通支座四周，作为支座恢复力的补充，从而使叠层橡胶支座能够更好地恢复到原位。项目研制了SMA绞线－叠层橡胶复合支座，进行了支座的构造设计，分析了其改变结构隔震性能的工作原理。建立了基于SMA绞线－叠层橡胶复合支座的结构隔震体系地震反应分析理论，并进行了数值模拟分析；通过在国家地震局工程力学研究所进行的“SMA绞线－叠层橡胶复合支座振动台试验”结果分析，完善了结构隔震理论，为工程设计提供了技术支撑。在以上研究基础上，项目探讨了SMA绞线－叠层橡胶复合支座的半主动控制问题。由于结构主动控制存在造价昂贵、实施精度要求高的问题，因此操作的技术复杂，可靠性和稳定性较难保证；而结构被动控制虽然构造简单、性能稳定、成本低廉，但控制效果有限，调节性差也很难达到理想的振动控制效果；半主动控制与主动控制和被动控制相比有着耗能小、稳定性好和动力可调、潜力大的优点。项目进一步提出了SMA半主动隔震支座构造模型和理论分析方法，通过数值推导和模拟分析得出了SMA绞线的合理布置方式来提高支座的抗拉拔能力；温感控制器的应用充分发挥了SMA绞线的形状记忆效应为支座提供了足够的恢复力，从而承受较大的变形。叠层橡胶支座、SMA复合橡胶支座和SMA半主动隔震支座的对比分析中，说明SMA半主动隔震支座提高了上部结构的整体性，隔震、耗能效果明显，其性能优于其他两种支座。该支座的研究在结构振动控制及参数优化等方面有着广阔的发展前景，具有很大的研究价值和意义。

3. 创新点： [1] 建立了基于形状记忆合金智能材料的结构隔震理论与计算方法； [2] 研制了SMA绞线－叠层橡胶复合支座，实现了结构被动控制； [3] 研制了新型智能复合支座，实现了结构的半主动控制。

4. 获奖情况： 主持完成的辽宁省教育厅项目“应用形状记忆合金的大跨桥梁结构自适应控制理论与试验研究”，2010年获阜新市科技进步一等奖。

1．项目简介：“基于形状记忆合金复合支座的结构隔震理论与试验研究”为国家自然科学基金项目、辽宁省重点实验室项目和辽宁省教育厅高校科研基金项目的联合项目， 将形状记忆合金新型智能材料应用到结构隔震减震中，实现了新型智能材料对建筑结构的振动控制。2．研究基本内容与成果：在结构隔震领域中，应用最广泛的隔震元件是普通叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座；普通支座由于橡胶本身耗能不足，易造成因隔震层变形过大所导致的支座失稳；铅芯橡胶支座铅芯变形后无法恢复原状，因而降低了它的自恢复能力。中国新规范规定叠层橡胶支座在罕遇地震下发生容许的最大剪切变形应小于等于0.55D(叠层橡胶支座的有效直径)。而实际在罕遇地震下支座所发生的剪切变形往往大于0.55D，这样支座就难以恢复到原来位置。该项目充分利用形状记忆合金(SMA)材料的超弹性性能，将SMA制作成绞线，进行了SMA丝和SMA绞线超弹性性能试验，得出SMA绞线具有更好的超弹性性能，将其布置在普通支座四周，作为支座恢复力的补充，从而使叠层橡胶支座能够更好地恢复到原位。项目研制了SMA绞线－叠层橡胶复合支座，进行了支座的构造设计，分析了其改变结构隔震性能的工作原理。建立了基于SMA绞线－叠层橡胶复合支座的结构隔震体系地震反应分析理论，并进行了数值模拟分析；通过在国家地震局工程力学研究所进行的“SMA绞线－叠层橡胶复合支座振动台试验”结果分析，完善了结构隔震理论，为工程设计提供了技术支撑。在以上研究基础上，项目探讨了SMA绞线－叠层橡胶复合支座的半主动控制问题。由于结构主动控制存在造价昂贵、实施精度要求高的问题，因此操作的技术复杂，可靠性和稳定性较难保证；而结构被动控制虽然构造简单、性能稳定、成本低廉，但控制效果有限，调节性差也很难达到理想的振动控制效果；半主动控制与主动控制和被动控制相比有着耗能小、稳定性好和动力可调、潜力大的优点，项目进一步提出了SMA半主动隔震支座构造模型和理论分析方法，通过数值推导和模拟分析得出了SMA绞线的合理布置方式来提高支座的抗拉拔能力；温感控制器的应用充分发挥了SMA绞线的形状记忆效应为支座提供了足够的恢复力，从而承受较大的变形；叠层橡胶支座、SMA复合橡胶支座和SMA半主动隔震支座的对比分析中，说明SMA半主动隔震支座提高了上部结构的整体性，隔震、耗能效果明显，其性能优于其他两种支座。该支座的研究在结构振动控制及参数优化等方面有着广阔的发展前景，具有很大的研究价值和意义。3．创新点：[1]建立了基于形状记忆合金智能材料的结构隔震理论与计算方法；[2]研制了SMA绞线－叠层橡胶复合支座，实现了结构被动控制；[3]研制了新型智能复合支座，实现了结构的半主动控制。4．获奖情况：主持完成的辽宁省教育厅项目“应用形状记忆合金的大跨桥梁结构自适应控制理论与试验研究”，2010年获阜新市科技进步一等奖。