形状记忆合金智能预应力梁试验与理论研究

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1、⑧申请同济大学工学硕士学位论文形状记忆合金智能预应力粱试验与理论研究培养单位：土木工程学院一级学科：土木工程二级学科：结构工程研究生：周黎黎指导教舜：李杰教授二oo五年六月摘要随着智能材料结构逐渐兴起，形状记忆合金作为一种重要的智能材料，已逐渐开始应用于土木工程领域内。利用形状记忆合金的记忆效应，将常温下为马氏体状态的形状记忆合金丝进行预拉伸，再将其以预应力筋的形式应用于钢筋混凝土梁中，则可以通过加热合金丝产生的回复力来控制钢筋混凝土梁的应力和变形。本文首先对形状记忆合金进行了物理力学试验，在粘

2、结力试验和回复力试验的基础上提出了以体外预应力形式实现形状记忆合金智能预应力的方法，并以镦头方式锚固预应力筋。在此基础上进行了形状记忆合金智能预应力梁试验，结果表明，形状记忆合金智能预应力筋能够有效地提高混凝土梁的刚度和强度，控制其挠度和裂缝等使用性能。运用通用有限元计算软件ANSYS对形状记忆合金智能预应力梁进行了非线性分析。采取拟温度载荷法模拟了形状记忆台金智能预应力筋的回复作用，建立了形状记忆合金智能预应力梁的三维分析模型，分析了智能预应力筋对混凝土梁应力与变形的控制，并与试验结果进行了比

3、较。分析结果表明，采用拟温度载荷法的非线性有限元分析能够较好的对形状记忆合金智能预应力梁进行数值模拟。在有限元分析的基础上进行了形状记忆合金智能预应力梁的数值试验，研究了形状记忆合金预应力筋面积、有效偏心距以及外荷载对智能预应力控制效果的影响。研究结果表明，形状记忆合金预应力筋面积越大、有效偏心距越大、初始荷载越小，智能预应力筋对梁挠度的控制效果越好。其中，形状记忆合会预应力筋的面积对挠度控制的影响最为显著。基于上述工作，提出了形状记忆合金智能预应力梁的控制设计计算方法。以形状记忆合金预应力的有

4、效回复力为切入点，在考虑形状记忆合金预应力筋二次效应影响的情况下，对智能预应力梁的挠度控制、裂缝控制和应力控制提出了设计建议。通过与试验结果的对比，证实了这一控制设计计算方法的正确性。最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。摘要关键词：智能结构，形状记忆合金，有限元分析，变形控制，裂缝控制，应力控制AbstractRapidgrowthinsmartmaterialstructuresisfuelingthedemandthattheshapememoryalloy(SMA)，whichis

5、regardedbymanyasanimportantsmartmaterial，tobeappliedincivilengineering．Byexploitingthememorycapabilityoftheshapememoryalloy,aSMAwirewMchisinthemartensiticstateundernormaltemperaturescanbetensionedandincorporatedintoaconcretebeamwithaformofprestressed

6、reinforcement．Asaresult，thestressanddeformationofthebeamcanbecontrolledbymakinguseoftherestoringforceresultingfromheatingtheSMAwire．Inthispaper,experimentshavebeenconductedonshapememoryalloyandwehaveproposedamethodwhichcanachievethesmartprestressofth

7、eshapememoryalloyviaanexternalunbondedformusedtogetherwithheading．Basedontheproposedapproach，theresultsofthecorrespondingexperimentsonaSMAsmartprestressedbeamhavedemonstratedthattheSMAprestressedwirecansubstantiallyimprovetherigidityandintensityofthe

8、concretebeamandeffectivelycontrolitsserviceperformance，suchasthedeflectionandcrack．Byusingthefiniteelementanalysissoftware(ANSYS)，anon-linearanalysisontheSMAsmartprestressedbeamhasbeencarriedout．Therein，theeffectoftherestoringforceofaSMAwirewasmimick