SMA-叠层橡胶复合隔震支座耗能能力的影响因素研究.docx

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叠层橡胶复合隔震支座耗能能力的影响因素研究

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王锦力+牟善鑫+刘海卿

摘要：为研究SMA丝-叠层橡胶支座和SMA绞线-叠层橡胶支座力学性能，基于AuricchioSacco本构模型分析形状记忆合金材料的超弹性特性，采用有限元方法分别建立这两种橡胶支座模型，在此基础上以位移幅值和竖向荷载作为主要影响因素，数值模拟分析得出两种橡胶支座的恢复力-位移滞回曲线，建立了位移和荷载变量对支座的等效水平刚度、等效阻尼比和单位循环耗能的关系，进而分析两种橡胶支座的性能差异，为该支座的工程设计和使用提供理论依据。

关键词：SMA丝-绞线叠层橡胶支座；AuricchioSacco本构；有限元模拟；滞回曲线

：TU352：A：1000-0666（2017）01-0070-05

0引言

隔震結构是指在建筑物上部结构与基础之间设置隔震层，以延长结构自震周期、增大阻尼、减小地震作用对上部结构的响应，达到预期的防震要求。形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy缩写为SMA）是一种新型功能性和智能性材料，它与普通材料相比，具有独特的超弹性和形状记忆特性。应用SMA丝的超弹性和形状记忆特性与普通叠层橡胶支座制成的SMA-复合叠层橡胶支座在智能隔震减震领域具有良好的效果。

我国对形状记忆合金丝的基本力学性能进行了大量的研究并取得了重要的研究成果（王社良等，2007；贺志荣，2005；钱辉等，2013）；有关学者对应用了SMA丝（绞线）的叠层橡胶支座的动力响应和数值模拟等性能进行了研究（庄鹏，薛素铎，2013；庄鹏等，2006；刘海卿等，2007）；但对于SMA丝和SMA绞线对支座刚度、耗能和等效阻尼比影响的分析很少，为此本文应用AuricchioSacco本构模型采用有限元分析软件ADINA对SMA丝和SMA绞线对支座的性能差异进行数值模拟对比。

1SMA丝材料数值模拟研究

11AuricchioSacco本构模型形状记忆合金材料的应变可以用如下公式表示：

其中，εe为弹性应变，ξSβ为相变应变，α（T-T0）为温度引起应变，β为马氏体逆向变参数，α为热膨胀系数，T0为参考温度，T为试验温度。

形状记忆合计材料的应力-应变关系可表示为

弹性模量E与马氏体体积分数ξS有关，采用下式：

式中，EA为奥氏体弹性模量（MPa），ES为马氏体弹性模量（MPa）。

12模型验证

王社良（2000）使用有效长度150mm、直径01mm、最大恢复应变8%、最大恢复力为600Mpa的形状记忆合金丝做拉伸试验，得到了一条形状饱满的应力应变曲线。数值模拟采用AuricchioSacco本构，通过有限元分析软件ADINA对相变伪弹性进行模拟，基本材料参数见表1。通过试验结果和有限元模拟结果对比，数值模拟与试验结果拟合良好，如图1所示。

试验结果与模拟结果如图1所示，通过对比分析，数值模拟结果与文献的试验结果有较好的拟合性，应用此本构模型可以对SMA丝的超弹性进行较好的模拟。地震研究40卷第1期王锦力等：SMA-叠层橡胶复合隔震支座耗能能力的影响因素研究

2SMA丝、SMA绞线-叠层橡胶支座有限元分析

21模型建立SMA-叠层橡胶支座主要由形状记忆合金丝（绞线）、橡胶、薄钢板组成。橡胶属于超弹性近似不可压缩材料，具有较好的弹性，在外力作用下能发生较大位移，表现出复杂的材料非线性和几何非线性，采用Mooney-Rivlin模型分析和计算（江宜城等，2008；郑明军等，2003）。形状记忆合金丝（绞线）用Truss单元连接于叠层橡胶支座的封板之间，整体结构采用8结点3D实体单元建模，效果图如图2所示。

22材料参数

叠层橡胶支座直径200mm，材料参数如表2、3所示，试件中钢板均采用Q235。形状记忆合金丝直径1mm，绞线用7根直径1mm合金丝按照钢绞线国家标准机械捻制而成，加工后绞线直径45mm，主要性能参数如表1（刘海卿，2006）。

23数值模拟

分析SMA丝-叠层橡胶支座和SMA绞线-叠层橡胶支座在受力和变形不同条件下的性能差异，用表1形状记忆合金丝材料参数进行了2种工况模拟试验。模拟工况1，控制竖向压力不变，研究水平位移幅值加载对形状记忆合金丝、绞线的影响。模拟工况2，保持两试件水平位移幅值不变，对其进行变压力加载，工况数值见表4。模拟试验可得到SMA丝、绞线叠层橡胶支座的恢复力-位移滞回曲线，实验结果如3图所示。

3结果分析

根据试验工况结果计算SMA丝、绞线-叠层橡胶支座的单位循环耗能WS、等效刚度KS和等效阻尼比ξS，由于滞回曲线的形状和面积反映了叠层橡胶支座的耗能能力，滞回曲线越饱满，面积越大，耗能越大，阻尼越大，因此，可用滞回曲线所包围的面积表示单位循环耗能，等效刚度和等效阻尼比的计算公式如下

式中，X