应用SMA拉索的高层钢结构振动控制研究

论文摘要

高层钢结构的高度越大,受地震作用的影响就越显著,因此有必要对其进行振动控制。形状记忆合金(SMA)是一种新型的功能性材料,具有形状记忆、超弹性等特性。由于具有这些显著特性,形状记忆合金已成为结构振动控制中一种优越的传感和驱动材料,从而在结构振动控制的应用研究中发挥着越来越重要的作用。本论文将利用SMA材料的超弹性性能,采用SMA拉索对高层钢结构的地震反应进行振动控制,提出了控制拉索的优化布置方案,在提高高层钢结构建筑的抗震安全性方面具有重要的理论意义和工程价值。本文工作和所取得的成果主要表现在以下几个方面:(1)在充分认识SMA特性的基础上,根据振动控制理论,设计了利用SMA拉索被动控制高层钢结构振动的方案。(2)根据SMA的Brinson本构模型和热力学方程,推导了利用SMA拉索振动控制高层钢结构的动力学方程,并建立起基于有限元原理和形状记忆合金超弹性性能的振动控制数值分析方法。(3)建立一实例高层钢结构模型的SMA拉索被动控制方案,检验SMA拉索在高层钢结构被动控制中的有效性。运用有限元软件对该模型进行实施SMA拉索被动控制的结构地震反应时程分析,探讨SMA拉索对高层钢结构地震响应的被动控制效果和规律,以及影响控制效果的各种因素。通过理论与实例分析,得到SMA拉索对结构的被动控制效果要优于传统拉索的结论,当结构的动力特性和各SMA拉索的初始工作状态相同时,地震激励愈强烈,SMA拉索的被动控制效果越明显,拉索的布置方式对其控制效果也有影响,为形状记忆合金在实际工程中的应用作了一些准备工作,具有一定的工程价值和实践意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景及意义
• 1.2 工程结构振动控制的基本方法
• 1.2.1 建筑结构抗震设计准则
• 1.2.2 减振技术的发展
• 1.2.3 高层建筑结构振动控制的技术与装置
• 1.2.4 工程结构振动控制技术与传统抗震技术的比较
• 1.3 形状记忆合金（SMA）简介
• 1.3.1 形状记忆合金的发展概况与研究进展
• 1.3.2 形状记忆合金的主要特性
• 1.3.3 形状记忆合金的基本特性在土木工程中的应用
• 1.4 研究内容与方法
• 第2章 形状记忆合金（SMA）的材料特性及其本构模型关系
• 2.1 形状记忆效应的基本原理
• 2.1.1 形状记忆效应
• 2.1.2 形状记忆效应的微观机理
• 2.1.3 影响形状记忆效应的因素
• 2.2 SMA超弹性的基本原理
• 2.2.1 SMA的超弹性
• 2.2.2 SMA超弹性的微观机理
• 2.2.3 SMA产生超弹性的条件
• 2.3 SMA的本构关系
• 2.3.1 本构关系的分类
• 2.3.2 单晶理论本构模型
• 2.3.3 数学型本构模型
• 2.3.4 细观力学本构模型
• 2.3.5 唯象理论本构模型
• 第3章 形状记忆合金（SMA）拉索的被动控制技术
• 3.1 传统拉索控制方案的缺点
• 3.2 SMA拉索被动控制原理和方法
• 3.2.1 SMA拉索被动控制原理
• 3.2.2 SMA拉索被动控制方法
• 3.2.3 SMA拉索初始工作状态的确定原则
• 3.3 SMA拉索被动控制高层钢结构地震响应的运动方程
• 3.3.1 基本假定与模型
• 3.3.2 地震激励下结构的热力学运动方程
• 3.3.3 SMA拉索的热力学方程
• 3.4 地震激励下结构的运动方程的求解方法
• 第4章 应用SMA拉索高层钢结构的被动控制分析
• 4.1 引言
• 4.2 高层钢结构的控制指标
• 4.2.1 侧移限制
• 4.2.2 舒适度要求
• 4.2.3 稳定和抗倾覆
• 4.2.4 控制效果
• 4.3 工程实例模型
• 4.3.1 实例模型及其动力特性
• 4.3.2 实例模型的控制效果比较
• 4.3.3 输入地震波的强度对实例模型控制效果的影响
• 4.3.4 SMA拉索布置方案的优化
• 4.3.5 影响SMA拉索振动控制效果的因素
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果