胡淑軍，顧 琦，姜國(guó)青，熊進(jìn)剛

(1. 南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西，南昌 330031；2. 江西省近零能耗建筑工程實(shí)驗(yàn)室，江西，南昌 330031；3. 洪都建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西，南昌 330029)

當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和震后快速恢復(fù)能力被日益重視[1]。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)常采用增加結(jié)構(gòu)自身延性來(lái)滿(mǎn)足更強(qiáng)的地震要求，但震后可能引起結(jié)構(gòu)過(guò)大的殘余變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)震后修復(fù)困難[2]?？苫謴?fù)功能結(jié)構(gòu)能在提高結(jié)構(gòu)抗震性能的同時(shí)，將損傷集中在可快速修復(fù)的耗能構(gòu)件上[3]。帶屈曲約束支撐[4]、偏心支撐[5]等的結(jié)構(gòu)可有效提高其抗側(cè)剛度和抗震性能，并將耗能和損傷集中在耗能構(gòu)件上，且損傷構(gòu)件震后也能被快速修復(fù)，但可能出現(xiàn)的殘余變形會(huì)給整體結(jié)構(gòu)的修復(fù)帶來(lái)極大困難。因此，需在提高耗能支撐抗震性能的同時(shí)，有效減小構(gòu)件殘余變形并增強(qiáng)構(gòu)件自復(fù)位能力。

形狀記憶合金(SMA)是一種具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性，在奧氏體相能表現(xiàn)出超彈性的材料，其恢復(fù)應(yīng)變可達(dá)6%～8%[6]，且受溫度[7]、加載速率[8]等因素影響。SMA 棒材和SMA 絲材均可用于土木工程中，SMA 棒材的承載能力高，但在應(yīng)力較大時(shí)可能產(chǎn)生殘余變形[9?10]，且性能不如SMA 絲材穩(wěn)定[11]。SMA 絲材可用于自復(fù)位阻尼器中，并表現(xiàn)出良好性能[12?17]，例如：任文杰等[8]提出一種形狀記憶合金-摩擦復(fù)合阻尼器，可根據(jù)不同輸入荷載切換不同的工作機(jī)制；Dolce 等[12]利用SMA 分段受拉原理研制出一種SMA 自復(fù)位阻尼器，即構(gòu)件在拉、壓荷載下由不同的SMA 組提供自復(fù)位和耗能；Ozbulut 等[13]提出并研究一種基于SMA 和摩擦的耗能裝置RVFD，并應(yīng)用于高層建筑中；劉明明和李宏男等[14]提出一種自復(fù)位SMA-剪切型鉛阻尼器，由SMA 絲材、剪切型鉛塊和復(fù)位彈簧組成；孫彤等[15]設(shè)計(jì)了一種新型多維SMA 阻尼器，能將扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為阻尼緣拉伸，從而提供拉壓及扭轉(zhuǎn)方向阻尼；Feng 等[16]基于SMA 環(huán)提出一種非對(duì)稱(chēng)的自復(fù)位支撐，并用于鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)中，有效避免節(jié)點(diǎn)損傷及提供自復(fù)位能力；展猛等[17]基于SMA 材料和壓電PZT陶瓷驅(qū)動(dòng)器，提出一種復(fù)位型SMA 壓電混合減震裝置。

高強(qiáng)螺桿在長(zhǎng)圓孔中的摩擦滑移可增大構(gòu)件延性和耗能能力，且板件間設(shè)置不同種類(lèi)墊片的摩擦系數(shù)差異很大[18?19]。其中，采用1 mm 厚的丁基橡膠所制成的墊片，其摩擦系數(shù)可低至0.075[4]。另外，在支撐中合理設(shè)計(jì)兩個(gè)長(zhǎng)圓孔和滑移螺桿，并在螺桿之間設(shè)置SMA 絲材，可使其在拉力或壓力作用下SMA 始終受拉[13]，從而進(jìn)一步增大其耗能能力，并使其滯回曲線(xiàn)趨向旗幟型，降低構(gòu)件的殘余變形。

本文基于SMA 的自復(fù)位性能和滑移螺桿在長(zhǎng)圓孔中的摩擦滑移耗能等思想，并結(jié)合丁基橡膠墊片的低摩擦效應(yīng)，提出一種抗震性能良好和自復(fù)位能力強(qiáng)的新型自復(fù)位SMA 支撐，其中SMA始終受拉。設(shè)計(jì)五個(gè)不帶SMA 的支撐和六個(gè)自復(fù)位SMA 支撐并進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)研究，并僅考慮溫度為20 ℃且加載速度為0.0012 s?1[20]，可得到支撐的滯回曲能、骨架曲線(xiàn)、割線(xiàn)剛度、耗能能力、承載能力和自復(fù)位能力等抗震性能指標(biāo)，為該種新型自復(fù)位SMA 支撐的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 自復(fù)位SMA 支撐的基本性能

1.1 自復(fù)位SMA 支撐的構(gòu)造

如圖1 所示，自復(fù)位SMA 支撐的主要組成構(gòu)件包括：前副板、后副板、左端板、右端板、高強(qiáng)螺栓、固定墊片、滑移螺桿、滑移墊片、丁基橡膠墊片、SMA。在前副板、后副板和右端板中間左、右兩側(cè)同一位置處分別開(kāi)設(shè)長(zhǎng)圓孔；在前副板、后副板和右端板上、下同一豎軸上分別開(kāi)設(shè)螺栓圓孔。在兩個(gè)長(zhǎng)圓孔處的各板兩側(cè)分別設(shè)置丁基橡膠墊片，然后在丁基橡膠墊片遠(yuǎn)離各板一側(cè)設(shè)置滑移墊片，并通過(guò)滑移螺桿將前副板、后副板和右端板固定連接，且滑移螺桿均設(shè)置在長(zhǎng)圓孔內(nèi)靠近另一長(zhǎng)圓孔端部一側(cè)，如圖1(a)滑移螺桿位置。在螺栓圓孔處各板兩側(cè)分別設(shè)置固定墊片，并通過(guò)高強(qiáng)螺栓固定連接。當(dāng)螺栓及螺桿均固定后，在兩個(gè)滑移螺桿上分別纏繞SMA 絲材，即可形成新型自復(fù)位SMA 支撐。

1.2 自復(fù)位SMA 支撐的工作原理

自復(fù)位SMA 支撐初始狀態(tài)如圖2(a)所示。前副板、后副板和左端板受兩個(gè)高強(qiáng)螺栓的固定作用，不發(fā)生任何滑移和變形。假設(shè)左端板在遠(yuǎn)離右端板一側(cè)截面初始為固接，當(dāng)右端板承受拉力作用時(shí)，右端板將帶動(dòng)右側(cè)滑移螺桿向右側(cè)移動(dòng)，而左側(cè)滑移螺桿受前副板和后副板內(nèi)的左側(cè)長(zhǎng)圓孔固定，不發(fā)生滑移，故SMA 絲材將處于受拉狀態(tài)，如圖2(b)；當(dāng)右端板恢復(fù)至初始狀態(tài)且逐漸受壓力作用時(shí)，右端板將帶動(dòng)左側(cè)滑移螺桿向左側(cè)移動(dòng)，此時(shí)右側(cè)滑移螺桿受前副板、后副板內(nèi)的右側(cè)長(zhǎng)圓孔固定，也不發(fā)生滑移，SMA 絲材仍處于受拉狀態(tài)，如圖2(c)。此外，當(dāng)外力卸載后，SMA 絲材的恢復(fù)力可為支撐提供復(fù)位力，且具有一定的耗能能力。在整個(gè)受力過(guò)程中，丁基橡膠墊片的設(shè)置將有效減小各板件與滑移墊片之間的摩擦力，增強(qiáng)構(gòu)件的自復(fù)位能力?；诖耍摲N支撐在拉力、壓力作用下SMA 始終受拉，有效實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的自復(fù)位能力。

圖 1 自復(fù)位SMA 支撐構(gòu)造圖Fig. 1 Schematic diagram of self-centering SMA brace

圖 2 自復(fù)位SMA 支撐工作原理圖Fig. 2 Work principle of self-centering SMA brace

1.3 自復(fù)位SMA 支撐的組裝

單個(gè)自復(fù)位SMA 支撐部件包括：1 塊左端板、1 塊右端板、1 塊前副板、1 塊后副板、2 束SMA 絲材、8 塊滑移墊塊、8 塊普通墊塊、12 塊丁基橡膠墊片、2 個(gè)高強(qiáng)螺栓、2 個(gè)滑移螺桿。各部件加工完成后，按如下步驟進(jìn)行組裝：

1)將裁剪好的丁基橡膠墊片粘貼在前副板、后副板、右端板與滑移墊塊接觸位置，如圖3(a)；

圖 3 自復(fù)位SMA 支撐的組裝圖Fig. 3 Assembly drawing of self-centering SMA brace

2)依照支撐構(gòu)造圖，采用滑移螺桿將滑移墊塊、前副板、后副板、右端板固定連接，并將滑移螺桿安裝在預(yù)定位置。隨后采用高強(qiáng)螺栓將普通墊塊、前副板、后副板和左端板固定連接。待上述裝配完畢后，使用扭矩扳手對(duì)滑動(dòng)螺桿的兩側(cè)螺母施加扭矩至目標(biāo)值，如圖3(b)；

3)由于SMA 絲材剛度較大，人工纏繞SMA絲材無(wú)法與滑移螺桿緊密貼合。設(shè)計(jì)一種方鋼支撐套筒，其軸線(xiàn)距與支撐滑動(dòng)螺桿的軸心距相同。將錨固好的SMA 絲材，通過(guò)套筒、圓形桿將預(yù)應(yīng)力張拉到目標(biāo)值，并采用方鋼支撐卡住兩套筒中間。另外，SMA 絲材之間采用雞心形連接。具體如圖3(c)；

4)取出設(shè)置了預(yù)拉力的SMA 絲材，并套入位于初始位置的滑移螺桿內(nèi)，即可形成本文所提出的自復(fù)位SMA 支撐，如圖3(d)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)

為研究新型自復(fù)位SMA 支撐的抗震性能及自復(fù)位能力，設(shè)計(jì)多組考慮多種因素影響的模型，并對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)研究。各主要參數(shù)如表1 所示。

表 1 試件主要參數(shù)Table 1 Table Main parameters of specimens

首先，設(shè)五個(gè)不帶SMA 絲材的支撐模型(模型1～模型5)，以考慮滑動(dòng)螺桿扭矩值的影響，并得到支撐承載力與扭矩值的關(guān)系。其次，設(shè)計(jì)六個(gè)帶SMA 的模型，以考慮扭矩值、SMA 面積和SMA 預(yù)應(yīng)力對(duì)支撐的影響。其中，兩個(gè)模型的SMA 絲材橫截面積分別是25.12 mm2、43.96 mm2(模型 6、模型 7)，分別是 16 圈 (兩側(cè)各 8 圈)、28 圈(兩側(cè)各14 圈)；兩個(gè)模型考慮滑移螺桿扭矩值的影響(模型8、模型9)，并與模型7 對(duì)比；兩個(gè)組模型考慮SMA 預(yù)拉力的影響(模型10、模型11)，并與模型7 對(duì)比。試件總長(zhǎng)度為450 mm，最大位移行程為17 mm(約為SMA 長(zhǎng)度的6%)。

在自復(fù)位支撐中，左端板尺寸為110 mm×80 mm×15 mm(長(zhǎng)×寬×厚，下同)；前副板和后副板尺寸相等，均為424 mm×80 mm×8 mm；右端板長(zhǎng)是424 mm×80 mm×15 mm；固定墊片半徑為15 mm，厚5 mm；滑移墊片半徑為40 mm，厚3 mm(兩側(cè)設(shè)置有1 mm 厚的丁基橡膠墊片)；螺栓圓孔半徑為5 mm，長(zhǎng)圓孔半徑為10 mm，長(zhǎng)度為17 mm，其它具體尺寸詳見(jiàn)圖4。

圖 4 自復(fù)位SMA 支撐的幾何尺寸圖Fig. 4 Details of the self-centering SMA brace

2.2 材料性能

1) SMA 絲材的力學(xué)性能

本次試驗(yàn)中選用NITI 形狀記憶合金絲材，其直徑為1 mm，長(zhǎng)度為37.5 mm，合金成分為56.00%(Ni 原子分?jǐn)?shù)，下同)、43.59%Ti、0.04%C、0.05%Co、0.10%Cr、0.01%Cu、0.015%Fe、0.10%Si、0.095% 其它元素。試驗(yàn)溫度為20 ℃，SMA 絲材的初始狀態(tài)為奧氏體狀態(tài)，且參照文獻(xiàn)[20]加載速度取0.0012 s?1，且忽略其它加載速率的影響。采用SANS 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)SMA 絲材進(jìn)行單一應(yīng)變循環(huán)加載、逐級(jí)增量應(yīng)變加載，具體表示為：

① 單一應(yīng)變循環(huán)加載：對(duì)SMA 絲材進(jìn)行幅值為 0.06 應(yīng)變、加載速率為 0.0012 s?1的 30 圈循壞加載；

② 逐級(jí)增量應(yīng)變加載：對(duì)SMA 絲材進(jìn)行幅值為0.06 應(yīng)變、增幅為0.01 應(yīng)變/次、加載速率為 0.0012 s?1的循環(huán)加載。

如圖5 所示SMA 絲材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。在單一應(yīng)變循環(huán)加載中，當(dāng)SMA 絲材在應(yīng)變0.06下循環(huán)30 圈后，應(yīng)力及應(yīng)變均減小，最后回到初始狀態(tài)，曲線(xiàn)呈明顯的旗形，無(wú)明顯殘余變形，即SMA 絲材具有良好的自復(fù)位能力。另外，SMA絲材30 圈的循環(huán)拉伸曲線(xiàn)幾乎保持重合，即力學(xué)曲線(xiàn)無(wú)明顯改變和退化。在逐級(jí)增量應(yīng)變加載中，其骨架曲線(xiàn)的輪廓與單一應(yīng)變循環(huán)加載的曲線(xiàn)一致。當(dāng)應(yīng)變逐步增大時(shí)，曲線(xiàn)圍成的圖形為呈旗型，且每級(jí)應(yīng)變下的應(yīng)力、應(yīng)變均能回歸至初始零狀態(tài)，其耗能能力也在逐漸增大。

圖 5 SMA 絲材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig. 5 Stress-strain curve of SMA wire

圖 6 SMA 的本構(gòu)模型Fig. 6 Constitutive model of SMA

基于以上力學(xué)試驗(yàn)所得SMA 絲材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，可得到各參數(shù)的值，具體如表2 所示。

表 2 SMA 絲材的力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of NITI-SMA wire

2)鋼板的材料性能

自復(fù)位SMA 支撐中，各連接板件采用Q345B鋼材，前副板、后副板厚度均為8 mm，右側(cè)板厚度為15 mm。材性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表 3 鋼板的力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical properties for steel plate

2.3 試驗(yàn)裝置及加載制度

本次試驗(yàn)在南昌大學(xué)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。如圖7 所示，加載設(shè)備為SDS100 電液伺服試驗(yàn)機(jī)，且采用試驗(yàn)機(jī)中的靜力試驗(yàn)?zāi)K，其最大加載力為100 kN，并采用液壓夾頭、液壓驅(qū)動(dòng)加載。安裝時(shí)，采用夾頭將左端板固定在下端，右端板也采用夾頭固定在上端，并通過(guò)上端的力傳感器同步施加和采集荷載和位移。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中室溫為20 ℃。

圖 7 加載裝置圖Fig. 7 Experiment setup diagram

本文采用增量幅值加載的方式對(duì)構(gòu)件施加位移荷載[8]，所采用的位移幅值和相應(yīng)加載步如圖8所示。加載速率為0.0012 s?1應(yīng)變，換算成位移值為14.4 mm/min，如圖8 所示。

圖 8 加載方式Fig. 8 Loading protocal

2.4 量測(cè)方案

各板件應(yīng)變的測(cè)點(diǎn)布置方案如圖9 所示。在右端板中部布置A1、A2、A3 應(yīng)變片，間距為60 mm；在前副板、后副板中間布置A4、A5 應(yīng)變片，以測(cè)量各板件在外力作用下的應(yīng)力分布情況。此外，由于左端板、前副板、后副板在外荷載下不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，且加載時(shí)右端板的力和位移自動(dòng)采集。構(gòu)件的自復(fù)位率可通過(guò)滯回曲線(xiàn)中的殘余變形和加載位移值進(jìn)行確定，故整個(gè)加載過(guò)程中無(wú)需再布置位移計(jì)。

圖 9 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置Fig. 9 Location of strain gauges

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 滯回曲線(xiàn)

1) 不帶SMA 支撐的滯回曲線(xiàn)

當(dāng)支撐的滑移螺桿間未設(shè)置SMA，且構(gòu)件滑移距離小于長(zhǎng)圓孔尺寸時(shí)，各板件的滑動(dòng)需克服板件間丁基橡膠墊片所產(chǎn)生的摩擦力。此時(shí)，支撐的抗滑移承載力Fslip可表示為[19]：

式中：ns是摩擦面數(shù)目；nb是螺栓數(shù)目(等于2)；Tb是滑移螺桿預(yù)拉力；μ是抗滑移系數(shù)(取0.075[4])。

各構(gòu)件的滑移螺桿在不同扭矩值下的滯回曲線(xiàn)如圖10(a)所示。各構(gòu)件在加載初期，軸向力較大，隨后減小，這可能是由于相同壓力下接觸面之間的靜摩擦力大于滑動(dòng)摩擦力。當(dāng)滑移進(jìn)入穩(wěn)定后，由于滑移螺桿間沒(méi)有設(shè)置SMA，滑移螺桿移動(dòng)至各加載位移時(shí)無(wú)法復(fù)位至初始狀態(tài)，即滑移螺桿下次加載的初步位移值為上一步的加載位移值。另外，各加載步的初始加載時(shí)，僅有4 個(gè)摩擦面，隨后增至6 個(gè)或8 個(gè)摩擦面，故各加載步后期軸力增大，且反向加載中進(jìn)入4 個(gè)摩擦面的滑移。例如，第二個(gè)加載步后右側(cè)滑移螺桿被拉至2 mm 處，在第三個(gè)加載步開(kāi)始后，只有當(dāng)位移加載到2 mm 時(shí)，右端板才接觸到右側(cè)滑移螺桿后摩擦面將明顯增多，故軸力向會(huì)發(fā)生突變。因此，各構(gòu)件滯回曲線(xiàn)中的軸力突變值主要由變化的摩擦面數(shù)目ns所引起的。此外，構(gòu)件加載過(guò)后無(wú)法自復(fù)位，故其殘余變形較大。

圖 10 不帶SMA 試件的滯回曲線(xiàn)Fig. 10 Hysteresis curves of specimens without SMA

取各支撐僅右端板在摩擦滑移且滑移螺桿未發(fā)生移動(dòng)時(shí)(僅4 個(gè)摩擦面)的軸力值，并與相應(yīng)扭矩值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖10(b)所示。隨著扭矩值的增大，構(gòu)件軸力值也逐漸增大，大致呈線(xiàn)性關(guān)系，與式(1)理論計(jì)算值相符。分析結(jié)果可為自復(fù)位SMA 支撐的研究提供參考。

2) 自復(fù)位SMA 支撐的滯回曲線(xiàn)

圖11 是考慮了SMA 面積、滑移螺桿預(yù)拉力和SMA 預(yù)應(yīng)力的支撐滯回曲線(xiàn)，均明顯的雙旗型。另外，由于支撐在摩擦滑移時(shí)會(huì)產(chǎn)生抗滑移荷載，使得SMA 無(wú)法完全克服摩擦力并復(fù)位至初始狀態(tài)，故會(huì)產(chǎn)生殘余變形。各試件的主要變化趨勢(shì)為：各加載步初期有一小段平滑段，隨著位移和SMA 應(yīng)力均增大，構(gòu)件的承載能力也明顯提高，整個(gè)往復(fù)加載過(guò)程中滯回曲線(xiàn)主要位于第一、第三象限，殘余變形小，且復(fù)位效果明顯。

圖 11 自復(fù)位SMA 支撐試件的滯回曲線(xiàn)Fig. 11 Hysteresis curves of self-centering SMA brace specimens

① SMA 面積的影響。如圖11(a)，對(duì)比試件SCB-10-16-1 和 SCB-10-28-1 可 知，增 大 SMA 面積可有效提高構(gòu)件的承載能力，并略微減小構(gòu)件的殘余變形。另外，增大SMA 面積對(duì)構(gòu)件的抗滑移承載力無(wú)明顯影響；

② 滑移螺桿扭矩力的影響。如圖11(b)，對(duì)比三種試件的滯回曲線(xiàn)可知，增大滑移螺桿扭矩值可提高構(gòu)件的承載能力，但該值的增量與構(gòu)件抗滑移承載力的增量基本相同。同時(shí)，增大扭矩值還將使得構(gòu)件的殘余變形有所變大，影響其自復(fù)力能力；

③ SMA 預(yù)拉力的影響。如圖11(c)，對(duì)比預(yù)拉力為1 kN、3 kN、5 kN 的曲線(xiàn)可知，增大SMA預(yù)拉力可提高構(gòu)件的承載能力，但所得到的滯回曲線(xiàn)更捏縮，滯回面積更小，這主要是由于增大預(yù)拉力可使SMA 在相同位移下具有更高應(yīng)力，但不會(huì)對(duì)抗滑移承載力和殘余變形產(chǎn)生明顯影響(預(yù)應(yīng)力為5 kN 時(shí)的殘余變形有所偏差，但正負(fù)殘余變形基本相同，可能是由施工誤差所致)，具有良好的復(fù)位能力。

3.2 骨架曲線(xiàn)

圖12 給出了各自復(fù)位SMA 支撐的骨架曲線(xiàn)。從圖中可以看出，各骨架曲線(xiàn)彈性階段基本保持直線(xiàn)，隨后呈上升趨并能達(dá)到預(yù)期位移，且各曲線(xiàn)關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。對(duì)比各構(gòu)件骨架曲線(xiàn)可知，SMA 面積、螺桿預(yù)拉力和SMA 預(yù)拉力對(duì)構(gòu)件的初始剛度和承載能力均有影響。

圖 12 自復(fù)位SMA 支撐試件的骨架曲線(xiàn)Fig. 12 Skeleton curves of self-centering SMA brace specimens

3.3 割線(xiàn)剛度

自復(fù)位SMA 支撐的割線(xiàn)剛度可以反映其剛度退化的情況，可表達(dá)式為：

式中：Fmax、Fmin分別為第i 次循環(huán)加載時(shí)的最大正、負(fù)軸力；Dmax、Dmin分別為第i 次循環(huán)加載時(shí)的最大正、負(fù)位移。

圖13 所示，各試件在正負(fù)兩個(gè)方向上的割線(xiàn)剛度總體變化趨勢(shì)相一致。加載初期，由于SMA應(yīng)力較小，構(gòu)件主要處于摩擦滑移，其割線(xiàn)剛度逐漸增大；隨后SMA 應(yīng)力增大，各構(gòu)件割線(xiàn)剛度逐漸減小。當(dāng)構(gòu)件位移繼續(xù)增大且SMA 應(yīng)力緩慢上升時(shí)，剛度退化有所減緩并趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。此外，基于各構(gòu)件的割線(xiàn)曲線(xiàn)可知，SMA 面積、螺桿預(yù)拉力和SMA 預(yù)拉力可提高構(gòu)件的割線(xiàn)剛度。

圖 13 割線(xiàn)剛度曲線(xiàn)Fig. 13 The curve of secant stiffness

3.4 應(yīng)變變化規(guī)律

圖 14 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線(xiàn)Fig. 14 Strain curves of key positions

為研究自復(fù)位SMA 支撐在往復(fù)荷載下各板件的應(yīng)變變化規(guī)律，取受力最大的SRC-10-28-5 試件為研究對(duì)象。根據(jù)表3 的材性數(shù)據(jù)可知，前副板和后副板的屈服應(yīng)變?yōu)?772×10?6，右端板的屈服應(yīng)變?yōu)?780×10?6。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)變值-位移曲線(xiàn)圖14 如所示，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值隨位移的增大而增大，與承載力和骨架曲線(xiàn)變化趨勢(shì)相同。測(cè)點(diǎn)A1、A2、A3 的應(yīng)變變化規(guī)律基本一致，最大值分別為 145×10?6、128×10?6、107×10?6，即離左側(cè)滑移螺桿近的應(yīng)變值越大，但均遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)變；測(cè)點(diǎn)A4、A5 在加載步下的位移也基本一致，最大值為 126×10?6、122×10?6，小于屈服應(yīng)變。此外，同一位移處的A2、A4、A5 最大應(yīng)變值相近。

取A1 和A4 測(cè)點(diǎn)在往復(fù)荷載下的全過(guò)程應(yīng)變-位移曲線(xiàn)對(duì)比，如圖15 所示。根據(jù)圖2 可知，試件受拉時(shí)，右端板僅右側(cè)加載處至右側(cè)滑移螺桿處受力，且前副板、后副板的受力處也僅為高強(qiáng)螺桿至左側(cè)滑移螺桿之間，即此時(shí)測(cè)點(diǎn)A1、A4 均不會(huì)產(chǎn)生明顯應(yīng)力和變形；試件受壓時(shí)，測(cè)點(diǎn)A1、A4 的受力變形與構(gòu)件的受力變形相同。兩測(cè)點(diǎn)在受壓狀態(tài)下的應(yīng)變變化規(guī)律與試件的滯回曲線(xiàn)基本相同；受拉狀態(tài)下的應(yīng)變均較小，這與測(cè)點(diǎn)處的受力模式相同，同時(shí)也證明A1 應(yīng)變值大于A4 應(yīng)變值。

圖 15 測(cè)點(diǎn)A1、A4 的應(yīng)變-位移曲線(xiàn)Fig. 15 Strain-displacement curves of A1、A4 positions

3.5 耗能能力

為明確自復(fù)位SMA 支撐的耗能能力，研究各加載位移下試件耗能值的大小，如圖16 所示。隨著各試件位移的增大，相應(yīng)耗能值也逐漸增加，即試件可提供穩(wěn)定的耗能能力。對(duì)比試件SCB-10-16-1 和SCB-10-28-1 可知，在位移為14 mm 時(shí)的耗能值分別為206.1 J 和321.3 J，即增大SMA 面積可明顯提高支撐的耗能能力；對(duì)比SCB-10-28-1、SCB-30-28-1 和 SCB-50-28-1 可知，最大加載步中的耗能值分別為321.3 J、407.8 J 和481.3 J，即增大滑移螺桿扭矩值也能有效增大支撐的耗能能力；對(duì)比 SCB-10-28-1、SCB-10-28-3 和 SCB-10-28-5 可知，最大耗能值分別為321.3 J、363.4 J和333.5 J，即小幅增加SMA 預(yù)拉力可有效改善支撐耗能能力，但預(yù)拉力值增加太多時(shí)，盡管可以提高構(gòu)件的承載能力，同時(shí)滯回曲線(xiàn)也會(huì)帶來(lái)較大捏縮現(xiàn)象，造成耗能值的下降，耗能變化規(guī)律需通過(guò)等效黏滯阻尼系數(shù)進(jìn)一步判斷。

圖 16 試件耗能能力Fig. 16 Energy dissipation capacity of specimens

3.6 等效黏滯阻尼系數(shù)

圖 17 試件等效黏滯阻尼系數(shù)Fig. 17 Energy dissipation indices of the specimens

3.7 承載力及自復(fù)位能力

對(duì)各自復(fù)位SMA 支撐試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可獲得試件的最大承載力、抗滑移承載力、殘余變形等參數(shù)。如圖18 的自復(fù)位SMA 支撐在受拉狀態(tài)下的力-位移曲線(xiàn)[21]可知，該種構(gòu)件的承載力等于SMA 的承載力與滑移螺桿的抗滑移承載力兩部分組成，且殘余變形主要由旗幟形曲線(xiàn)與滑移曲線(xiàn)在卸載時(shí)所產(chǎn)生的。

圖 18 自復(fù)位SMA 支撐的力-位移曲線(xiàn)Fig. 18 Force-displacement curve of self-centering SMA brace

結(jié)合圖11 中各曲線(xiàn)值，可得如表4 的性能指標(biāo)。增大SMA 面積、SMA 預(yù)應(yīng)力對(duì)抗滑移承載力和殘余變形無(wú)明顯影響，但可以明顯提高試件的最大承載力和自復(fù)位率，且最大自復(fù)位率達(dá)到93.7%。增大滑移螺桿扭矩值可增大構(gòu)件的最大承載力，且抗滑移承載力與圖10 中相應(yīng)各扭矩值下的不帶SMA 支撐結(jié)果基本相符，SMA 的承載力也基本保持不變，即承載力的增量?jī)H為抗滑移承載力的增量，同時(shí)將明顯增大支撐的殘余變形，并降低其自復(fù)位能力。

表 4 自復(fù)位SMA 支撐的性能指標(biāo)Table 4 Performance indices of self-centering SMA braces

4 結(jié)論

本文共對(duì)五個(gè)不帶SMA 的支撐和六個(gè)自復(fù)位SMA 支撐進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)研究，考察了SMA 面積、滑移螺桿扭矩值和SMA 預(yù)應(yīng)力對(duì)各試件滯回曲能、耗能能力、承載能力和自復(fù)位能力等抗震性能指標(biāo)的影響，并得到以下結(jié)論：

(1)提出的自復(fù)位SMA 支撐具有良好的耗能能力、承載性能、延性及自復(fù)位能力，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中各板件未達(dá)到屈服，且SMA 可復(fù)位至初始狀態(tài)，無(wú)任何構(gòu)件發(fā)生損傷；

(2)各自復(fù)位SMA 支撐試件的滯回曲線(xiàn)均較飽滿(mǎn)且呈現(xiàn)旗幟型，說(shuō)明這類(lèi)構(gòu)件具有良好的抗震性能，且最大自復(fù)位率達(dá)到93.7%，即此類(lèi)支撐可作為一種自復(fù)位阻尼器使用；

(3)增大SMA 面積可有效提高試件的耗能能力、承載能力、等效黏滯阻尼系數(shù)和自復(fù)位能力；然而，盡管增大SMA 預(yù)應(yīng)力可提高試件的承載能力和自復(fù)位能力，但也會(huì)減小試件的耗能能力和等效黏滯阻尼系數(shù)，未來(lái)需對(duì)該參數(shù)進(jìn)行深入研究；

(4)增大滑移螺桿扭矩值會(huì)增大試件的抗滑移承載力、耗能能力、承載能力和等效黏滯阻尼系數(shù)，以及抗滑移承載力的增量與相應(yīng)不帶SMA 的支撐抗滑移承載力基本相同，且SMA 絲材所受承載力基本不變，但會(huì)降低試件的自復(fù)位能力。