形状记忆合金摩擦隔振系统的非线性动力学及参数优化研究

Seismic research for bridge structures is a priority subject in the bridge engineering technology field. Recently, some scholars develop a SMA-friction vibration isolator for bridge by using the self-centering ability of shape memory alloy(SMA) and high energy dissipation ability of friction element, and their research results suggest that the isolator has significant vibration isolation effect as the bridge suffering the horizontal base excitation. The coupling effect of the horizontal movement and vertical movement will be significant as the bridge under strong earthquake, meanwhile, if the system present the nonlinear dynamic phenomenon such as internal resonance, the vibration energy will transfer between the horizontal and vertical direction but no attenuation. Therefore, the fact that the effect of vertical base excitation on the bridge system is ignored as present researches will bring quite large deviation for the research results. The dynamic equation coupled with horizontal movement and vertical movement will be established based on the improved SMA model in the project, and the influences of the vertical excitation on the dynamic behaviors of the system will be investigated through the researches of the dynamic equation. The perturbation theory will be employed to solve the solutions including the internal resonance one of the dynamic equation, and the singularity theory will be used to study the bifurcation mode of the solutions of the system and their transformational conditions. Finally, the influences of the changes of the dynamic behavior of the system and the structure parameters on the vibration control effect of the vibration isolator will be investigated, and then the structure parameter optimization research of the SMA-friction vibration isolator will be implemented.

桥梁结构抗震是桥梁工程技术领域内必须研究的重点课题。最近有研究利用伪弹性形状记忆合金(SMA)大变形自回复能力和滑动摩擦元件高耗能特点构造出SMA摩擦复合桥梁隔振器，并研究证明了水平基础激励下该隔振器的良好隔振效果。在强震作用下，桥梁结构的水平运动和垂向运动的耦合性增强，如果系统内部出现内共振等动力学现象，能量会在垂向和水平方向相互传递而难以衰减，而目前的研究没有考虑基础激励垂向分量对桥梁结构的作用，可能会对研究结果带来较大偏差。本项目拟在优化选择SMA本构模型的基础上建立水平运动和垂向运动相互耦合的SMA摩擦复合桥梁隔振系统的动力学方程,并通过该方程的动力学研究来分析垂向激励对结构动力学响应的影响。本项目拟用摄动理论发展该方程的解析法，并用奇异性理论研究该系统响应解的分岔模式及其转换条件。最后分析系统行为改变和参数变化对隔振器振动控制效果的影响，并对SMA摩擦复合隔振器进行参数优化研究。

利用形状记忆合金(SMA)、摩擦元件构造隔振器对结构进行地震响应控制是目前研究的热点之一。本项目研究了SMA材料的力学性能和本构关系改进、SMA阻尼器减振特性、SMA-摩擦三维隔震高架桥动力学响应和参数优化，主要研究结果及其科学意义如下：. NiTi合金的马氏体相变开始应力、弹性模量、等效阻尼比随循环次数呈指数关系降低，而累积残余应变则相反；在一定范围内，SMA的阻尼能力随变形速率增加而增加，随直径尺度增加而减小；当卸载发生在马氏体相变阶段时，应变幅值对马氏体相变开始应力随循环次数的退化规律无显著影响，而奥氏体弹性模量退化程度随应变幅值加剧；当应变幅值为4%-6%时SMA兼具良好的阻尼特性和变形可回复能力。科学意义：揭示了循环载荷下SMA伪弹性力学性质的影响因素和规律，可为SMA力学性质宏观和微观机理的进一步研究提供参考。. 对SMA的Graesser本构模型进行了改进，修正了该模型对SMA应力诱发相变完成前后加卸载力学行为的描述，提出了滞回控制参数与相变应力之间的定量关系。科学意义：该模型能够更准确描述伪弹性SMA的加卸载力学行为，且其参数确定简单，便于科学研究和工程应用。. 建立了垂向和水平向弹性解耦的SMA-摩擦三维隔振高架桥动力学模型，并选择近场自然地震波作为输入激励，研究了垂向地震激励对桥梁隔振系统动力学响应结果的影响，研究结果表明，近场地震作用下，较高的垂向地震分量会显著影响结构的动力学响应，不可忽略；研究了隔振系统水平和竖向自振周期、隔振层摩擦系数对三维激励下桥梁动力学响应影响规律，并得到了隔振结构的优化参数区间。此外，研究获得环境变量(温度和外激励幅值)对超弹性SMA阻尼器减振特性影响规律，可为SMA阻尼器的应用提供指导。科学意义：明确了近场地震下垂向地震作用对隔振结构水平向地震动响应的影响，并且参数优化的结果可为SMA-摩擦隔振结构的设计和进一步研究打下基础。