SMA在結構加固修復中的應用研究

任紅梅 彭功生

(1.上海城建職業學院,上海 200438; 2.中交第三航務工程勘察設計院有限公司,上海 200032;3.中交物流規劃設計研究院有限公司,上海 200231)

0 引 言

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy,SMA)是一種兼有感知和驅動功能的新型材料,以其獨特的超彈性效應、形狀記憶效應、良好的抗疲勞性能、抗腐蝕能力及生物相容性,被廣泛應用于電子儀器、汽車工業、醫療器械、工程控制和能源開發等領域[1]。

SMA的獨特物理力學性能,引起了土木工程界的廣泛關注并成功應用于結構工程的各個領域,提供諸如傳感、能量耗散、驅動、監測、自復位等功能。下面將對SMA在結構加固修復領域的應用進行總結,并根據應用原理將其劃分為不用的類別。

1 SMA在結構加固修復中的應用研究

1.1 基于SMA的耗能支撐與阻尼器

被動控制裝置能夠有效地防止結構構件和非結構構件在地震作用下破壞。在被動控制裝置中,增設支撐是一種被廣泛采用的結構方案與抗震加固方法(尤其對于鋼結構)。支撐主要由鋼構件以線、桿、桁架的形式,按圖1所示的方式裝在框架結構中,用于抵抗地震作用[2]。

圖1 框架結構增設SMA支撐示意圖Fig.1 Schematic Representation of the SMA Braces for Frame Structures

支撐的耗能主要與其在拉壓作用下的力學性能有關。然而,近年來一些震害表明普通鋼支撐框架的薄弱點十分突出,包括由于支撐屈曲失效后所導致的有限延性、低耗能能力、支撐在拉壓作用下的非對稱力學性能以及連接節點的失效等。為了克服這些問題,屈曲約束支撐(Buckling Restrained Braced Frame,BRBF)被提出,這種支撐能夠在拉壓狀態下都達到屈服強度。然而,BRBF的使用卻一直存在著震后殘余變形大的問題。在支撐系統中采用SMA已成為一個替代方案,在框架結構中以支撐的形式成功地應用SMA主要是由于SMA的超彈性及滯回耗能特性,且這種滯回特性并沒有表現出明顯的速度依賴性[3]。

Motahari等[4]提出了基于SMA的新型阻尼器,與BRBF相比,具有不同的初始剛度和屈服力。相關研究表明,SMA支撐具有良好的耗能能力、自復位能力及在小位移下具有較高剛度等。然而BRBF具有更強的耗能能力,因此混合裝置被提出以將能量耗散和自復位特征相結合。

Yang等[5]設計研究了一種混合裝置,該裝置由一套自復位SMA線、兩個能量吸收支桿及兩根高強度套管(用來引導運動,見圖2)組成。SMA線被放置于高強度套管內,主要用于將變形應變控制在6%以內。該裝置在一個三層的模型中進行了測試,分別采用了圖3中所示的兩種安裝形式。分析表明,混合支撐框架表現出了與BRBF系統類似的能量耗散能力,且同時也具有優良的自復位能力。

1.2 基于SMA的結構隔震

基礎隔震系統被分為兩種主要類別:彈性體類別(基于橡膠材料的彈性和黏滯阻尼特性)與滑動類別(基于摩擦特性)。通常一個有效的隔震裝置應包括以下幾個要求:①足夠的耗能能力以減輕地震作用;②良好的復位能力以避免過度變形或失穩;③震后沒有殘余變形;④抗往復荷載的耐久性。近年來,已經對基于SMA的建筑和橋梁隔震裝置展開了深入研究,SMA具有隔振系統所需要的理想性能:①自復位能力。可提供一個額外的恢復力使得上部結構能夠在地震過后恢復到其初始位置或狀態,即使裝置上存在一個非平衡力,如支座的摩擦力或者結構構件的塑性力;②小位移下的高剛度,避免結構在風荷載或自身因素導致的變形下產生傾覆;③良好的耗能能力,通過引入SMA的超彈性馬氏體單元來耗散能量,以減小上部結構在地震作用下的加速度和位移響應;④其他重要特性,如抗疲勞性[6-7]、長期可靠性、高耐久性、不老化降解、對于溫度的有限敏感性和適應性等。

圖2 文獻[6]提出的混合裝置Fig.2 Hybrid device reported in Ref.6

圖3 支撐安裝形式Fig.3 Different configurations of the proposed device

SMA隔振系統包括多種類型。Krumme等[8]研究了SMA滑動隔震裝置的性能,其中抗滑力是通過一對相對的SMA張拉構件來實現的,見圖4,該裝置顯著改善了混凝土框架結構的層間位移。

圖4 文獻[8]提出的SMA滑動隔震裝置Fig.4 Sliding isolation systemreported in Ref.8

Wilde等[9]研究了一種應用于高架橋梁的由超彈性SMA棒制成的隔震裝置(圖5)的性能,通過與一座普通支座橋梁的對比分析表明,該隔震裝置能夠提供顯著的阻尼效應,改善上部結構地震響應;特別是對于小震激勵水平,與常規隔震裝置相比該隔振裝置能將橋墩和橋面板之間的相對位移降低到一個可以忽略不計的水平,且裝有SMA隔振裝置的橋梁的破壞能量較裝有普通隔振裝置的橋梁的破壞能量小。

圖5 文獻[11]提出的SMA隔震裝置示意圖Fig.5 Schematic of the SMA isolation devicereported in Ref.11

Choi等[10]提出了一種將SMA線混入橡膠支座的新型隔震裝置,如圖6所示。通過對一座三跨連續鋼橋的地震響應分析,與普通鉛芯橡膠隔震裝置的性能進行了對比,該隔震裝置能夠有效地改善大震作用下橋面板的相對位移,并將其恢復至初始位置。

圖6 文獻[12]提及的SMA橡膠隔震裝置Fig.6 Schematic of the SMA rubber isolation device reported in Ref.12

Gur和Mishra[11]提出了一種基于隨機理論的優化設計方案,使得隔震裝置位移與上部結構加速度最小化。該隔震裝置是通過鋼-聚四氟乙烯表面的相對運動來耗散輸入的能量,SMA的超彈性具有抑制作用,同時利用相變引起的SMA滯回作用消耗能量,如圖7所示。隨機響應分析表明,與純摩擦支座系統相比,SMA摩擦系數與相變強度的最佳組合能夠使得樓面加速度最小化,隔震效果最大化。

圖7 文獻[11]提及的建筑結構基礎隔震Fig.7 Base isolated building structure reported in Ref.11

在基于SMA的隔震裝置設計時,工作溫度是SMA材料性能的一個關鍵參數,特別是溫度下降所導致的應力增加,而且超彈性效應只能在較高的溫度下實現,此時奧氏體相穩定。Ozbulut與Hurlebaus[12]研究了一種滑動類型基礎隔震裝置的性能(考慮環境溫度的變化),通過神經模糊模型捕捉SMA材料在不同溫度和負載頻率下的響應。該隔振裝置由鋼-聚四氟乙烯滑動支座組成,承擔豎向荷載并耗散能量,提供自復位力和額外的阻尼(圖8),報道稱,在0-20 ℃-40 ℃的溫度范圍內,該隔震裝置有效地減小了被測試橋梁的地震響應。此外,該裝置的初始剛度和屈服強度隨著溫度的增加而增加,在高溫下可以獲得大的復位力。

圖8 文獻[12]中采用的滑動支座與SMA裝置Fig.8 Sliding bearings and SMA device reported in Ref.12

1.3 基于SMA的結構構件自修復

SMA的形狀記憶效應,還可用于結構構件的自修復。Li等[13]研究了NiTi形狀記憶合金恢復應力與溫度的關系,通過不同強度的電流加熱對混凝土梁進行試驗,研究了NiTi形狀記憶合金線作為緊急修復裝置的性能。試驗結果表明,在電流加熱的情況下,NiTi形狀記憶合金線能夠使混凝土裂縫閉合,有效地減小梁的變形。

Song和Ma[2]提出了與SMA驅動特性有關的智能混凝土概念,成束的馬氏體相SMA線被用于張拉小尺寸混凝土試件,通過檢測SMA絲的電阻變化,得到混凝土試件中的應變分布。文獻[2]還建議,對于爆炸或地震作用導致的微裂縫,通過電流加熱SMA絲進行修復。

Li等[14]提出了碳纖維板與SMA相結合的一種混凝土梁的加固修復方法。其中,混凝土試件由SMA絲暫時加固,在達到永久性的跨中撓度后,SMA絲由一個恒定的電流加熱,產生恢復力,從而使試件的變形減小,混凝土裂縫閉合(即應急損傷修復過程的第一階段)。然后,碳纖維板采用環氧樹脂被粘在試件的底部,完成的加固過程即為永久性損傷修復過程。

1.4 SMA直接用于結構加固

只有少數既有建筑的加固修復是直接通過SMA系統來實現的,且主要用于對歷史保護建筑的加固修復。文獻[15]報道了一棟鐘樓的加固修復,這棟鐘樓位于意大利Trignano的S.Giorgio教堂,高18.5 m,最初建于1302年,1996年10月遭受了4.8級地震的襲擊,造成嚴重的損傷。該鐘樓加固修復采用了一種基于SMA的新方案,即在鐘樓的四個角落,沿鐘樓全高放置預應力筋,從基礎至屋頂固定(圖9)。其中SMA裝置由60根直徑1 mm、長度300 mm的線組成,被安裝在第三層樓面高度的每個墻垛。這些線被張拉至20 kN,達到超彈性狀態,以保證砌體墻體始終處于受壓狀態,防止地震過程中墻體內出現拉應力。加固修復后,該鐘樓在2000年一次地震中,未出現明顯的損傷。

圖9 San Giorgio鐘樓加固方案Fig.9 Strengthening schematic for San Giorgio bell tower

文獻[15]報道在1997年意大利St.Francesco in Assisi教堂修復時也采用了SMA。教堂需采取妥善的加固修復措施以達到足夠的安全等級,同時保持原有的歷史面貌。為了解決這個問題,一種基于SMA的連接裝置被用于屋頂結構的加固修復,使得傳遞至鼓室的地震力降低,并控制砌體墻體的位移。另一個例子是用于San Francisco的Sherith以色列猶太教堂的加固[15],一種基于SMA的張拉系統被采用以抑制山墻端部向外變形(提供恢復力使墻體自動復位),既不改變屋頂隔板的剪切剛度,也不改變其彎曲剛度。

SMA還可用于對混凝土柱施加側向約束,以提高其延性和強度。Shin與Andrawes[16]研究了采用新型主動約束技術(SMA螺旋線)約束的混凝土軸心受壓構件的性能。首先將SMA線被張拉至接近6%的應變,然后以螺旋形式纏繞混凝土構件,在加熱后,SMA螺旋線通過形狀記憶效應,在構件上產生一個大的圍壓。

Choi等[17]對直徑0.4 m,高度1.4 m,采用SMA絲約束的圓形混凝土柱進行了試驗研究,纏繞的高度為400 mm,SMA絲間距為2.0 mm。側向荷載施加在加固后的柱頂。報道稱,與普通圓形混凝土柱相比,SMA絲纏繞加固的柱極限強度和延性有所增加,且彎曲強度無退化(圖10)。

圖10 循環受壓加載后的SMA約束試件Fig.10 SMA confined test specimen after cyclic compressive test

Andrawes等[18]對采用SMA螺旋線加固的混凝土橋墩柱進行了試驗研究和數值模擬工作(圖11)。根據位移控制往復加載試驗的結果,采用SMA加固的柱與普通CFRP加固的柱相比強度最高提高了38%,同時有效剛度和柱的殘余變形顯著改善。

圖11 預應力SMA箍約束橋墩混凝土柱示意圖Fig.11 Schematic illustrating the concept of using prestrained SMA hoops to apply external confining pressure on RC bridge columns

2 討 論

由上可知,SMA在結構加固修復領域的應用是與其基本物理力學特征密切相關的:

(1) 利用SMA的形狀記憶效應[19]:使常溫下為馬氏體相SMA預先產生塑性變形,然后將其埋人結構構件中。當構件產生裂紋和損傷時,利用SMA高溫下產生的回復力改變結構內部的應力狀態,進而防止構件裂紋和損傷的進一步發展。

(2) 利用SMA的超彈性效應。將常溫下為奧氏體狀態的SMA與隔震裝置結合,一方面利用SMA的超彈性在地震過程中滯回耗能,另一方面當隔震裝置在地震作用后發生殘余變形時,利用SMA超彈性性能產生的回復力,使隔震裝置復位。

(3) 利用SMA的電阻特性。利用SMA的電阻特性制成傳感元件實現結構健康監測與自診斷。將常溫下預應變的奧氏體相SMA絲或馬氏體相SMA絲粘貼在構件易產生應力集中或發生開裂的部位,或將其埋入構件中。在荷載作用下,通過監測SMA絲的電阻值,可以了解結構構件內部應力、應變的變化,從而判斷材料損傷;而通電加熱SMA絲或利用其超彈性特性所產生的回復力,可以控制裂紋的發展,使裂紋回縮直至閉合。

3 結 語

盡管SMA在工程結構的發展中具有相當的潛力,但幾項技術難題事實上限制了它們更廣泛的應用。SMA對成分的變化非常敏感,合金成分的微小變化可能導致材料力學性能的顯著變化,因此要求嚴格的質量控制以確保性能。此外,由于是溫度敏感材料,SMA材料性能依賴于周圍的工作環境。另一個制約其應用的因素是工程結構的尺寸往往較大,因此需要大量的SMA材料,導致結構成本高昂。

雖然SMA的價格仍然比其它建筑材料高,但NiTi記憶合金價格在過去的十年中有了明顯的下降。事實上,在工藝和制造技術上的進步使得SMA質量和產量增加,導致成本的進一步降低[1]。我國目前已有許多家單位從事SMA的研究和生產工作,并且取得了不錯的成果。SMA在結構加固修復領域有著廣闊的應用前景。

未來我國SMA在工程結構中的發展趨勢以開發高性能的SMA,發展和應用新型的SMA為主,并降低SMA的制備成本,完善其制作工藝,提高質量。