形狀記憶合金在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

吳 靜

（太原學(xué)院建環(huán)系 山西 太原 030031）

1 引言

地震是人類面對(duì)的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[1]，防震減災(zāi)、建設(shè)韌性城市一直是建筑界的中心問(wèn)題。鋼結(jié)構(gòu)因?yàn)樽灾剌p、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)應(yīng)用廣泛，許多體育館、機(jī)場(chǎng)、影視院等建筑中均可以見到鋼結(jié)構(gòu)的身影，在地震來(lái)臨時(shí)，這些大跨度的鋼結(jié)構(gòu)公共建筑經(jīng)常被用來(lái)當(dāng)作地震避難所使用，所以鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能對(duì)于整個(gè)城市的防災(zāi)減震具有重要的意義。傳統(tǒng)的抗震方法主要是通過(guò)結(jié)構(gòu)本身的塑性變形和滯回耗能來(lái)耗散能量，但是由于各種原因在大的地震下結(jié)構(gòu)中的某些部位會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形甚至發(fā)生破壞影響到整個(gè)建筑的抗震性能，這些發(fā)生破壞的部位通常是結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，其恢復(fù)也成了很多工程師困擾的問(wèn)題，同時(shí)傳統(tǒng)的抗震方法對(duì)控制建筑成本來(lái)說(shuō)并不友好。而今擁有優(yōu)異的形狀記憶能力、高彈性、超強(qiáng)的恢復(fù)性、耐腐蝕性和抗疲勞性能的形狀記憶合金走進(jìn)工程師們的視野，成為對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震控制的有效手段，引起了業(yè)界的關(guān)注[2]。

2 形狀記憶合金的性能

早在1932年，Arne?lander就發(fā)現(xiàn)Au-Cd合金可以記住其初始狀態(tài)，遺憾的是這并未引起人們的重視。直到1963年，Buehler發(fā)現(xiàn)Ni-Ti合金具有良好的形狀記憶能力，此后關(guān)于形狀記憶合金的研究如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。形狀記憶合金一開始在航天航空和醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用，近年來(lái)隨著人們對(duì)形狀記憶合金研究的不斷深入，該材料的價(jià)格也不斷降低，使其在鋼結(jié)構(gòu)中作為耗能減震構(gòu)件應(yīng)用前景廣闊[3]。與傳統(tǒng)的建筑材料相比，形狀記憶合金具有優(yōu)越的形狀記憶能力、超彈性等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 形狀記憶能力

形狀記憶合金在產(chǎn)生一定限度的變形后可以通過(guò)加熱的方式使材料恢復(fù)至變形前的狀態(tài)，我們稱之為材料的形狀記憶效應(yīng)[4]。根據(jù)材料的記憶情況，又可以將材料的形狀記憶效應(yīng)分為單程、雙程以及全程的形狀記憶效應(yīng)。單程的形狀記憶效應(yīng)是材料中的奧氏體和馬氏體在達(dá)到對(duì)方的轉(zhuǎn)換溫度時(shí)可以相互轉(zhuǎn)換，但是在逆變過(guò)程中馬氏體會(huì)回到奧氏體原有的狀態(tài)；雙程的形狀記憶效應(yīng)是合金在馬氏體相下由于外力作用產(chǎn)生了錯(cuò)位或者不可逆的變形，加熱過(guò)程中馬氏體中的可逆部分變?yōu)閵W相體，低溫時(shí)又形成一定量的馬氏體，材料在反復(fù)的高溫和低溫狀態(tài)下能反復(fù)回到高溫和低溫下的形狀；全程的記憶效應(yīng)在合金產(chǎn)生一定限度的變形后通過(guò)加熱可以使材料回到初始的狀態(tài)，但是通過(guò)冷卻可以使材料變?yōu)榕c初始形狀相反的方向。

2.2 超彈性

形狀記憶合金產(chǎn)生非彈性塑性應(yīng)變后如若繼續(xù)加載，那么材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)熱彈性馬氏體形變，這種形變下的馬氏體在應(yīng)力解除后即便不加熱也會(huì)回到母相狀態(tài)，材料的變形也會(huì)隨著逆變回到初始的狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力降為零時(shí)，應(yīng)變也會(huì)恢復(fù)為零，且應(yīng)力與應(yīng)變之間呈現(xiàn)明顯的非線性特征，我們把形狀記憶合金的這種特性稱為材料的超彈性或者偽彈性效應(yīng)[5]。形狀記憶合金的施工工藝包括熱處理、冷變形等，都會(huì)對(duì)材料的超彈性產(chǎn)生影響，所以在實(shí)際工程中應(yīng)用形狀記憶合金時(shí)需要對(duì)材料進(jìn)行“處理訓(xùn)練”。此外，研究表明形狀記憶合金的彈性模量還會(huì)隨著溫度的改變發(fā)生改變，這種特性成為控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要因素之一。

2.3 高阻尼性能

形狀記憶合金的高阻尼性源自馬氏體中相界面、孿界面及界面的運(yùn)動(dòng)。材料的阻尼特性可以用比阻尼來(lái)表示，比阻尼越大，表示材料的阻尼特性越好，鋼結(jié)構(gòu)中使用的普通低碳鋼其比阻尼僅為6%，而形狀記憶合金的比阻尼高達(dá)40%。鋼結(jié)構(gòu)正是利用形狀記憶合金的高阻尼特性來(lái)達(dá)到耗能減震的效果。

2.4 高恢復(fù)力性

如若形狀記憶合金在外力作用下產(chǎn)生了很大的塑性變形，那么在溫度升高的過(guò)程中合金會(huì)由于約束在內(nèi)部產(chǎn)生較大的恢復(fù)力，比如Ni-Ti合金所能產(chǎn)生的恢復(fù)力高達(dá)500～900 MPa，合金所處的溫度、相變程度以及初始?xì)堄嘧冃味紝?duì)形狀記憶合金產(chǎn)生的恢復(fù)力大小有很大影響。形狀記憶合金高恢復(fù)力的原因是當(dāng)合金溫度升高時(shí)材料內(nèi)的馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變，奧氏體的彈性模量遠(yuǎn)大于馬氏體，且合金的彈性模量隨溫度升高大幅增加，此時(shí)合金材料如果被約束將會(huì)產(chǎn)生巨大的恢復(fù)力。高恢復(fù)性是形狀記憶合金構(gòu)件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和變形進(jìn)行控制的重要因素之一。

3 形狀記憶合金在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

3.1 形狀記憶合金拉索

形狀記憶合金拉索主要是依靠合金材料的形狀記憶能力和超彈性來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)控制以達(dá)到耗能減震的目的[6]。拉索是一種只能承受拉力的特殊構(gòu)件，在地震來(lái)臨時(shí)部分拉索會(huì)受到壓力或彎曲作用使其不能發(fā)揮應(yīng)有的作用，所以需要在合金拉索中添加預(yù)應(yīng)力使其在使用過(guò)程中一直承受拉力以達(dá)到穩(wěn)定控制的效果。李化使用ANSYS對(duì)一應(yīng)用形狀記憶合金拉索的高層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)控制分析，結(jié)果表明形狀記憶合金對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)的位移控制效果顯著，比不施加合金拉索的結(jié)構(gòu)位移減小了50%左右，并且因?yàn)楹辖鸩牧狭己玫暮哪苣芰?，可以阻止地震能力向上傳遞，合金拉索的隔震效果明顯；浮忠元[7]對(duì)一施加形狀記憶合金拉索的大跨鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同控制方案的有限元分析，結(jié)果表明在鋼網(wǎng)架的柱間支撐上施加合金拉索對(duì)控制網(wǎng)架振動(dòng)響應(yīng)的效果顯著，控制效果高達(dá)40%。

3.2 形狀記憶合金螺桿

傳統(tǒng)的鋼框架將角鋼節(jié)點(diǎn)作為主要的耗能部位，但是角鋼節(jié)點(diǎn)的柔性較大，可使用的范圍較小。哈工大何小輝[8]采用形狀記憶合金螺桿與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)結(jié)合提出了新的梁柱節(jié)點(diǎn)來(lái)改善鋼框架的抗震性能，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了施加鋼螺桿和合金螺桿的節(jié)點(diǎn)的性能，結(jié)果表明施加螺桿可以明顯改善節(jié)點(diǎn)的抗震能力，但鋼螺桿節(jié)點(diǎn)在模擬地震力下破壞的脆性特征顯著，而形狀記憶合金螺桿由于合金材料良好的超彈性和抗疲勞性能使節(jié)點(diǎn)具有更穩(wěn)定、更好的耗能能力和防倒塌能力。

3.3 形狀記憶合金阻尼器

形狀記憶合金阻尼器并不是一個(gè)新穎的話題，早在1995年，美國(guó)加州大學(xué)就研制出了一款合金阻尼器并得以應(yīng)用；2010年，宋娃麗[9]提出在層間應(yīng)用的合金阻尼器用以增大結(jié)構(gòu)阻尼達(dá)到隔震減震的目的；2018年莊鵬，王文婷，韓淼等[10]將形狀記憶合金彈簧和平板支座相結(jié)合的形狀記憶合金彈簧-摩擦支座，建立了該支座的恢復(fù)力模型，并將該模型帶入一鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明該支座控制鋼網(wǎng)殼地震響應(yīng)的效果顯著。如今又出現(xiàn)了新型的形狀記憶合金自復(fù)位阻尼器，該阻尼器主要由耗能、復(fù)位和約束連接3部分組成，自復(fù)位阻尼器的工作機(jī)制主要靠這3部分間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。耗能裝置主要由施加了預(yù)應(yīng)力的合金絲組成，合金絲具有極強(qiáng)的耗能能力和抗疲勞能力，耗能減震效果極好；復(fù)位裝置的主要工作構(gòu)件是合金彈簧，雖然形狀記憶合金具有良好的自恢復(fù)力，但在地震下合金的復(fù)位時(shí)間較長(zhǎng)，預(yù)壓彈簧可以很好地彌補(bǔ)這個(gè)不足；約束連接裝置上的錨固系統(tǒng)起到連接阻尼器各部位的作用。

3.4 形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器

形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)控制的構(gòu)件，主動(dòng)控制是采用現(xiàn)代控制技術(shù)對(duì)輸入結(jié)構(gòu)的地震波和結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤分析，通過(guò)分析結(jié)果利用驅(qū)動(dòng)器對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力，達(dá)到控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的目的。樊禹江[11]、翁光遠(yuǎn)等[12]設(shè)計(jì)了一種形狀記憶合金主動(dòng)桿件，并將其應(yīng)用到一個(gè)鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中進(jìn)行模擬震動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果顯示該主動(dòng)桿件控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的效果顯著。整體來(lái)說(shuō)，使用主動(dòng)驅(qū)動(dòng)器對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)控制所需的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜且經(jīng)濟(jì)性較差，在實(shí)際工程中應(yīng)用難度較大。

4 結(jié)語(yǔ)

形狀記憶合金由于良好的形狀記憶能力、高彈性、高阻尼、高恢復(fù)力、良好的抗疲勞能力和耐腐蝕性在鋼結(jié)構(gòu)耗能減震方面應(yīng)用廣泛，對(duì)未來(lái)建設(shè)智能結(jié)構(gòu)和智慧城市具有重要的意義。形狀記憶合金也存在一些缺陷，比如合金材料中的馬氏體和奧氏體在反復(fù)轉(zhuǎn)變中難免會(huì)導(dǎo)致材料損傷，對(duì)相變過(guò)程中材料的抗疲勞性能會(huì)產(chǎn)生一定影響，且目前來(lái)說(shuō)形狀記憶合金的造價(jià)略高、加工難度較大，未來(lái)可以通過(guò)改善合金材料的加工工藝和水平以降低形狀記憶合金價(jià)格使其具有更廣闊的應(yīng)用前景。