形状记忆合金主动约束钢筋混凝土桥墩的抗震特性研究

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1、学兔兔www.xuetutu.com形状记忆合金主动约束钢筋混凝土桥墩的抗震特性研究程桂胜39形状记忆合金主动约束钢筋混凝土桥墩的抗震特性研究编译程桂胜(宁波工程学院，浙江宁波315016)摘要：过去地震中钢筋混凝土(RC)桥墩的损坏多数是由于弯曲延性不足或抗剪能力不够而引起的，为改善其抗震性能，在地震地面运动激励下，研究分别使用碳纤维增强复合材料(CFRP)和形状记忆合金(sMA)后RC桥墩的抗震特性。结果表明：在提高墩柱的强度、等效刚度以及降低墩柱的残余位移等方面，使用SMA均明显优于使用CFRP。关键词：桥梁；钢筋混凝土桥墩

2、；形状记忆合金；主动约束；抗震特性中图分类号：U442．55文献标志码：A文章编号：1671—7767(2011)04—0039—031引言过去地震中许多摧毁性的桥梁破坏均由1根或2SMA丝及其对桥墩的约束机理多根钢筋混凝土(RC)墩柱的破坏而引起。从1989sMA是具有独特的超弹性和形状记忆效应等年的洛马一普里塔地震、1994年的北岭地震以及热力学特性的一类合金。随着温度变化，这种合金1995年的日本神户地震灾害中可看出，现有桥墩在中马氏体成分也会发生变化，从而改变其力学特性。中强地震中易于损坏，这促使研究者对地震中RC过去40

3、年中，研究人员为考察镍钛合金的形状记忆桥墩的损伤与破坏原因进一步研究。研究证明，过效应做了大量的研究工作。研究表明：马氏体镍钛去地震中损坏的桥墩多数是因弯曲延性不足或抗剪合金具有高于环境温度的马氏体相变结束温度Mf，能力不够而引起的。延性不足的原因有：①桥墩横此时其呈现塑性且会产生很大的残余应变。如果将向配筋不足；②在塑性铰区域的钢筋搭接长度不够。这种合金加热至高于奥氏体相变结束温度A，合金便恢复到其原始形状，此即形状记忆效应。在RC桥墩外面加钢套管或纤维增强复合材料图1为用预应变SMA丝对RC桥墩施加约束。(FRP)从而施加被动

4、约束是提高其延性的常用方法。如图1所示，将100的马氏体SMA丝缠绕在RC桥墩上，然后将其加热至高于奥氏体相变结束温度虽然被动约束方法已被普遍接受并在世界各地Ar，SMA丝欲恢复到其原有形状，同时对桥墩施加应用，但研究表明：对桥墩施加主动约束的效果会更了约束力。好。这些研究包括进行主动约束效果方面的材料试验研究；研究混凝土受主动约束后的基本特性；探讨通过对混凝土构件施加主动约束来改善其抗震性能的可行性。其中，有些是研究用预应力箍筋实现主动约束，其它是试图使用预应力纤维增强复合材料实现主动约束。研究结果表明：墩柱施加主动约束后，可以

5、避免其剪切破坏，同时也会改善其抗弯性能。尽管主动约束技术有许多优点，其实际应用还(a)加热前截面(b)加热后截面是有些困难，例如在现场提供约束力的工艺。本文图1用预应变SMA丝对RC墩柱施加约束提出一种简便而有效的新技术，即使用形状记忆合金(SMA)对RC桥墩施加主动约束，通过与使用碳3使用SMA和CFRP的桥墩抗震特性比较纤维增强复合材料(CFRP)的传统约束工艺对比，3．1桥墩模型探讨这一新技术的有效性。在RC桥墩上缠绕SMA螺旋丝，用OpenSees收稿日期：2010—09—15编译者简介：程桂胜(1952一)，男，教授，1

6、982年毕业于河北工学院工程力学专业，工学学士，1990年毕业于河北工业大学一般力学专业，工学硕士(E—mail：nbcgsl952@163．corn)。学兔兔www.xuetutu.com40世界桥梁2011年第4期有限元程序研究其抗震特性。为便于研究使用的基本周期对应的加速度谱值调整为1．5g，调整SMA后的效果，采用Kawashima等人在2001年测前、后的地面加速度峰值(PGA)见表3。试用的墩柱模型(见图2)。表1为桥墩的材料特性。3．4抗震特性结果比较采用3个响应参数判断SMA主动约束技术有效性。这3个响应参数是：①

7、墩柱的强度，定义为墩柱的最大位移处承受的最大横向力；②等效柱刚度，定义为最大位移处的割线刚度；③残余柱位移，定义为地震地面位移记录激励结束时墩柱的横向位移。3．4．1墩柱强度标准化强度值为缠绕墩柱强度与未缠绕墩柱强I．．IL⋯⋯⋯⋯一j度的比值。图3给出RC墩柱分别缠有SMA螺旋(a)试验墩柱(b)分析模型单位：mm丝、CFRP在6种调整地震激励下的标准化强度值。图2Kawashima等人研究用的墩柱及其分析模型从图3中可以看出，缠有SMA、CFRP的墩柱均较m袁1RC墩柱的材料特性未缠绕墩柱的强度有所提高。缠绕SMA的强度平特性

8、均提高73，而缠绕CFRP的强度平均提高39。截面直径／mm有效高度()／mm纵向配筋率／箍筋配筋体积比／混凝士抗压强度／MPa纵向筋屈服强度／MPa箍筋屈服强度／MPa轴向力／kN一3．2分别使用SMA和CFRP约束桥墩的3种方法在地震激励下，对