科研分享|配备SMA 丝束支撑的自复位钢框架振动台试验和数值分析
00
小编寄语
Angus' opnion
又轮值周末，今天Angus给大家分享一篇我早些年拜读的北京工业大学邱灿星教授课题组的一篇journal paper。这是以SMA 材料（丝材）作为结构材料为数不多从构件做到结构层面的的研究。这篇paper可以带给我从构件到结构，从静力到动力，从理想设计到现实缺陷全方位展示一个典型工科属性研究的缩影的机会。也欢迎大家引用支持：
Qiu, C.X., and Zhu, S.Y. 2017. “Shake table test and numerical study of self-centering steel frame with SMA braces.” Earth. Eng. & Struct. Dyn. 46: 117-137
01
本文创新点和贡献
Innovations and contributions of paper
从实现结构自复位功能的技术可以将自复位研究大致分为：1）利用后张拉（PT）技术的节点，构件（阻尼器，支撑，剪力墙等）及集 合该类节点，构件的结构 ；2）利用形状记忆合金（SMA）超弹（SE）或者形状记忆效应（SME）的节点，构件（阻尼器，支撑，剪力墙等）及集 合该类节点，构件的结构；3）利用变摩擦机制的装置，如环簧，楔面摩擦装置等及集 合该类装置的结构。
文中的研究对象属于第二类，利用SMA 材料（丝材）作为支撑构件承载和耗能的主要材料，集成在一个拉压转换的滑动的支撑构造里，实现支撑无论在拉压情景下，SMA 丝材始终处于轴向受拉的状态下工作。
笔者将本文的主要创新点和贡献总结如下：
1）较早提出利用SMA 丝材（束）作为承载和耗能双功效，且兼具复位的支撑构造 (笔者认为SMA 丝材是SMA 各类形状下性能最为稳定构造，但是其可靠的锚固是一个关键问题。时下，也有学者将SMA 丝材做成cable，笔者非常看好此类研究，具有潜在的商用价值的可能，相较于SMA 棒材，板材，角钢以及其他各类形式。备注：本文讨论的SMA 均为NiTi基)；
2) 本文研究的支撑对象基于一个真实的原型结构，进行缩尺而得，不仅仅是支撑构造的概念性试验验证。当然本文因为试验室设备能力的原因，缩尺的比例较大，一定程度也损失一定真实性；
3）本文研究较为全面，从静力的支撑滞回测试，到动力的子结构的试验，并兼以有限元加以补充分析。
4）本文在振动台试验中，将结构质量配重和主体框架分离的想法，也使得试验质量布置方便，及避免测试框架柱子承受较大轴力与实际情况不符（但是对主体结构和配重体系的理想刚性铰接（仅传递惯性力）的加工精度要求也提高了）。
02
研究思路
Research flow
研究思路如下：
1. SMA 丝材
首先，本文对研究支撑对象（SMA丝材的自复位支撑）所采用的SMA 丝材的力学性能做了回顾，典型的SMA 丝材的力学行为如下：
图1 SMA 丝的滞回行为
从图中我们可以得出几点特征： 1）SMA 丝材性能稳定，可以几乎完全复位；2）SMA 丝材稳定的力学行为可以延伸至至少应变为8%；3）SMA 丝材发生相变后，进入马氏体状态下，其伪屈服后刚度较大；4）大约在应变为5%左右，材料开始进入马氏体强化阶段。当然尽管上述优势，我们也可以观察到，该批SMA 丝材因为伪屈服后刚度较大，导致丝材的耗能能力相对欠缺。
2. SMA 丝支撑
了解到SMA 丝材的力学性能，由于支撑的性能主要由丝材的力学性能以及构造决定。图2给出了自复位支撑的具体构造：
图8 试件现场图
振动台试验选择了2条典型的地震动，一条为远场地震动（LA17），另一条为近场地震动（NF09）。LA17 的地震水平近似于对应美国洛杉矶地区的设计地震水平。为了利用加工的试件捕捉更多地震动下（小震，中震，大震）的动力行为，分别将这两条地震进行了缩放，并按照一定顺序施加给振动台作为试件的激励，施加顺序如图9下：
图9 试验顺序
在试验基础上，也对振动台试件进行了数值模拟，数值模型如图10：
图10数值模型
特别注意，为了捕捉到支撑初始刚度的松弛现象，进行了自复位材料（self-centring material）和多线性弹性材料（elasticmultilinear material）进行串联，以此对对具有初始刚度松弛的支撑进行模拟，其具体做法如图11：
图11 考虑刚度松弛的支撑模拟技术
4. 结果分析
图12 展示的是结构顶层位移（屋顶位移角）在地震的结果，相应的数值模拟结果也一并呈现。
图12 (a) LA17, (b) NF09
从试验和数值结果来看，可以得出以下几点：1）试件实现了自复位功能，所有试件在震后残余位移角可以忽略不计；2）试件经历大震后LA17*1.5 地震后，试验依然可以继续承担较大的余震，且试件没有观测到残余变形；3）数值模拟一定程度上很好的预测了试验的峰值响应，证实了所采用的模拟技术可以很好的跟踪试件位移的行为。
此外也对比各工况下的试件试验和数值预测的基底剪力，如图13所示：
图13 (a) LA17, (b) NF09
基地剪力的对比规律和位移响应一致。
在结束震动试验后，研究随后对二层支撑进一步进行了静力测试，并与开始震动台试验前的支撑静力结果进行了对比，对比结果如图14：
图14 二层支撑振动台前后静力试验结果对比
由试验结果可知，支撑在震动台试验经历多次小，中，大，以及余震之后，性能基本没有退化，保持和震前几乎一致，表明此支撑可以帮助结构实现韧性性能，即震中承载和耗能，震后免修复，不影响结构的功能。
03
研究结论
Research conclusions
本研究通过从构件到子结构，从静力到动力试验，结合数值模拟技术对SMA 丝材支撑及集 合该支撑的结构进行了较为全面的研究，可以得出以下结论：
1）配备所提支撑的结构具备较好的自复位能力 （在实测2%的峰值位移角下可以实现0残余位移角的复位）。
2）配备所提支撑的结构可以经历多次强震，且性能没有退化，结构依然维持韧性，即该类结构不光有抵御余震的能力，还可以在震后免修复即可维持结构原有功能，且具备下一次抵御地震的能力。
3）建立的数值模型可以精确的捕捉结构的动力行为，即：峰值位移响应和剪力。
笔者注：
尽管配有自复位丝材支撑的结构有上述可取的抗震性能，但正如作者文中提及那样，还有很多地方需要进一步研究，第一：如何给丝材进行更有效的锚固，且施加一定的预紧力减轻刚度松弛的问题。如果刚度松弛不可避免，那么这个松弛的大小对结构的性能影响可否定量量化？第二，尽管文中做了振动台试验，缩尺效应严重。振动台试验所需的支撑承载力只有1吨，但真实结构的承载力可能需要上百吨。支撑输出这么大的力，是否需要开发更合适的支撑构造，丝材的直径可能要加大，是否会带来丝束间的干扰，受力不均匀，以及大量的丝材导致锚固更加困难；第三：本支撑仅依靠SMA 作为全部的承载和耗能来源，尽管SMA 丝的制造工艺相对成熟，但是势必会导致建造成本增加；第四：SMA丝材自复位支撑呈现出高屈服后刚度低耗能能力，势必会导致结构的加速度响应增加，可能带来非结构构件损坏。上述笔者的思考也是笔者博士阶段一直思考的问题，也期待各位有兴趣的同仁一起探讨。
最后提前祝大家圣诞节快乐了，记得吃苹果！！！
参考文献略，可参阅原文
