具有自复位功能的SMA混凝土剪力墙抗震性能研究

The goal of this proposed study is to improve the seismic performance of reinforced conrete shear wall using superelastic shape memory alloy bars. Through cyclic tensile tests on the mechanical behaviors of superelastic SMA bars under virious loading conditions, the temperature change law of the SMA material due to the latent heat under different loading conditions as well as the mechanism of the relative Martensite transformation will be revealed, and a strain rate-dependent dynamic constitutive model of superelastic SMA bar for the seismic response analysis of engineering structure will be presented. In order to study the process of damage evolution of the SMA-RC shear wall, pseudo-static tests on scale models will be carried out and the experimental results will reveal the occurrence and development mechanism of the damage, capacities of crack self- reparation and recentering, and the mechanism of failure. Based on the FE software, the numerical analysis model for superlestic SMA- RC shear wall will be presented, and the effect of the characteristic parameters on the seismic performance of SMA-RC shear wall will be studied. Based on the numerial simulation and experimental results, the evaluation method for the seismic performance of superelastic SMA-RC shear wall will be proposed and the performance-based simplified design method will be presented. In this project, multi-disciplinary fields inculuding engineering science, material science and mechanics will be involved and interdisciplinary cross will exist, and the research results have important scientific significance for the development of smart materials and seismic vibration control strategies for high-rise building.

本项目拟开展超弹性形状记忆合金（SMA）增强混凝土剪力墙抗震性能和设计方法研究。通过不同循环加载条件下SMA筋力学性能试验，揭示因潜热引起的材料温度变化规律以及相应的马氏体相变机理，建立适用于工程结构地震反应分析的SMA应变率相关动态本构模型；通过低周反复加载模型试验，研究超弹性SMA混凝土剪力墙损伤破坏演化过程，揭示其损伤发生发展机理、裂缝自修复和结构自复位规律及破坏失效机理；基于有限元分析软件，建立SMA混凝土剪力墙数值分析模型，揭示材料特征参数对剪力墙损伤破坏的影响规律；在数值模拟和试验研究的基础上，提出超弹性SMA混凝土剪力墙抗震性能的评价方法，建立基于性能的简化设计方法。本项目涉及工程学、材料学和力学等多学科领域，具有学科交叉性，其研究成果对发展智能材料与高层建筑结构灾变振动控制技术具有重要的科学意义。

本课题实施了基于超弹性形状记忆合金（SMA）的钢筋混凝土剪力墙试验研究、理论分析和数值模拟。通过对不同直径的SMA棒材在不同加载条件下力学性能试验研究，分析了直径、循环加载次数、应变幅值、热处理温度对其力学性能的影响，得出大直径SMA棒材相关力学特性及本构模型；设计并制作自复位SMA-RC剪力墙模型，进行了低周往复荷载模型试验，观察并记录了SMA-RC剪力墙损伤破坏过程，分析了剪力墙的损伤发展机理，裂缝修复依据，自复位规律以及破坏失效机理，结果显示SMA-RC剪力墙具有优越的自复位能力，在地震后经过必要修复以后即可以继续使用，为建筑抗震研究提供更多依据；基于工程水泥基复合材料（ECC）的优越性，开展了SMA-ECC剪力墙低周往复荷载模型试验，依据承载力、能量耗散、刚度退化等参数对比得出不同材料对剪力墙抗震性能影响，首次提出了SMA-ECC剪力墙，弥补了国内外研究在这一点的空白；基于有限元分析软件Opensees，建立SMA-RC剪力墙数值分析模型，分析材料参数对剪力墙损伤破坏影响规律；依据模型试验和数值模拟结果，提出了自复位剪力墙抗震性能评价方法，建立了基于性能的简化设计方法。综上所述，本研究为探讨SMA-RC剪力墙的自复位机制奠定了坚实的工作基础。同时将SMA和ECC结合起来，提出并研究了具有更加优越的自复位结构，为建筑抗震研究提供了新的思路和启示。本项目涉及多学科领域，具有学科交叉性，其研究成果对发展智能材料与高层建筑结构灾变振动控制技术具有重要的科学意义。