1、西南科技大学硕士学位论文基于形状记忆合金阻尼器的高层框架结构抗震优化的研究姓名：杨慧申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：陈国平20090609西南科技大学硕士研究生学位论文第页摘要随着材料科学的迅速发展，作为一种新型的功能材料，形状记忆合金（）在工程结构中有着良好的应用前景，同时也可为研究土木工程结构的振动控制理论及应用方法提供一个新的途径。因此，研究阻尼器及其在结构振动控制中的应用，特别是在一些特殊结构振动控制中的应用，具有重要的理论意义和工程应用前景。结构耗能减振技术是一种新型的结构控制技术，通过在结构的适当位置安装耗能减振装置，利用这些装置的耗能来减小结构在强震作用下的振动响应。形
2、状记忆 合金（）具有形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼特性，利用其超弹性制成的形状记忆合金阻尼器是一种性能优良的耗能减振装置，可以有效的控制结构的动力响应，在理论上和实用上都是很有价值的。本文对常见的高层混凝土框架结构在不同结构刚度比的情况下进行动力时程分析，通 过改变阻尼器影响参数来优化阻尼器在结构中的应用。根据得出的位移控制量随刚度比的变化曲线，确定最适合的结构刚度比对减震控制最有效的范围，从而 对阻尼器在结构中的使用进行优化研究。关键词：形状记忆合金阻尼器振动控制优化研究西南科技大学硕士研究生学位论文第 页，（）；，（），：（）；独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究
3、工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：孑匀慧日期：叫，关于论文使用和授权的说明本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：车匀慧导师签名： 日期：纠丫西南科技大学硕士研究生学位论文
4、第页绪论地震是地球在运动和发展过程中，地壳和地幔上部的岩层相互作用而产生并向外释放能量的一种过程。当释放的能量超过一定的限度后，就会给人类带来损失，甚至 毁灭性的灾害。地震的发生有很大的随机性，所以它对人类社会构成了严重的威胁。大地震是一种突发性和毁灭性的自然灾害，对人类社会构成严重威胁。一次突发性的大地震在瞬间就可能对地面的建筑物造成大量的破坏或损伤，并可能引发火灾、海 啸、疾病等次生灾害，从而 导致严重的人身伤亡和经济损失，产生巨大的社会影响。我国是一个多地震国家， 历史上的地震灾害面积非常广泛。我国位于环太平洋火山地震带的西部，是世界上遭受严重震害的国家之一。就全国范围而言，高于度抗震
5、设防区的面积占全国国土总面积的，而高于度抗震设防区的面积约占全国国土总面积的。特别是近几十年来地震活动非常频繁，一些特大地震己使人民生命财产遭受了巨大损失。年我国发生级的唐山大地震，死亡人数达多万。年月日我国台湾发生了里氏 级的大地震，造成数万人的 伤亡和数百亿美元的经济损失，年月日西藏玛尼发生级地震，年月日台湾省发生级地震，也造成了很大的人员伤亡和财产损失。年月日，在四川省汶川发生了级大地震，地震波及面积广，造成的直接经济损失亿元人民币，死伤人数达到了万左右，对国家造成了巨大的影响。随着城市现代化进程的加快、人口的增加和密集，地震带来的人员伤亡和经济损失也日趋严重。为了减轻地震灾害，人们在地
6、震预报和地震工程方面进行了大量的研究。而工程结构在地震时遭受的严重破坏或损伤则是导致这些损失的主要原因。因此，为了避免或减轻地震灾害所造成的损失，很有必要深入研究建筑结构的抗震设计理论和工程应用方法。从而对地震的防御成为减灾防灾的主要课题之一，反映在结构工程领域就是人们不断地探索结构抗震的方法和途径。我国地处世界上两个最活跃的地震带上，是世界上地震灾害最严重的国家之一， 强烈的地震给我国造成的严重震害，也促使我们更应该重视这一课题的研究。传统抗震设计方法及现行规范要求传统的抗震设计方法很多，但基本上都是依靠结构本身的性能来抵御地西南科技大学硕士研究生学位论文第页震作用，其目的是保证建筑物在地震
7、激励下具有一定的承载力、刚度和延性，以满足“小震不坏，中震可修，大震不倒的抗震设防要求。其抗震设计方法是控制结构在不同的地震烈度下具有不同的损坏程度，即以“小震不坏，中震可修，大震不倒”作为结构的抗震设防目标。通过适当控制结构的刚度，使得结构部件（如梁、柱、 墙、节点等）在受较强地震作用时能够进入非弹性状态，并且具有 较大的延性，以消耗地震能量，即所 谓的“延性结构体系，这也是目前世界各国普遍采用的抗震设计方法。实践证明，在实际工程中以这种抗震设计方法为指导进行设计的结构，一般情况下是行之有效的抗震结构体系。但是这种抗震设计方法的结果只能使建筑物处于被动抵御地震作用的地位，是一种消极被动的抗震
8、设计思想，同 时这种设计方法在一定程度上会大幅度增加建设成本，其建筑造价增加的幅度大约是度增加一，度增加一，度增加一但由于目前的科学技术水平还不能准确地预估未来结构可能会遭遇的地震强度和特性，以及对材料的非线性性质、 结构阻尼的变化等因素与结构破坏机理的内在关系还认识不足，所以目前的抗震设计方法无法准确地控制房屋结构的损坏程度和破坏机制。对于生命线工程、核电站等重要的建筑结构，以及业主 对安全性有特殊要求的情况是不能满足其需要的。此外，按传统方法设计的房屋是依靠结构构件的塑性变形来消耗地震能量，强震时结构将产生难以修复的破坏甚至倒塌，另外比结构本身造价可能更高的房屋装修和内部管线、设备等也将遭
9、到严重破坏。因此 传统抗震设计方法是消极、被动的抗震方法恤，传统抗震技术的最大弱点还在于传统抗震体系实质上是把结构本身及主要承重构件（柱、梁、节 点等）作为了“消能的构件，结构的弹性变形是不能够消能的，所以结构必须付出塑性变形的代价来耗散地震输入的能量，从而使整个结构或构件出现不同程度的损伤。又由于地震的随机性及结构抗震能力的变异性， 对结构在地震中的损伤程度难以进行控制，特别是出现超强地震时，结 构更是难以确保安全。而目前传统抗震结构体系是通过加强结构，提高侧向 刚度以满足抗震需求的，但是结构刚度越大，其所受地震作用也越大。其结 果，除了安全性、经济性问题外，对 于采用高强、轻质材料的高层建
10、筑、超高 层建筑、大跨度结构及桥梁等的技术发展，也造成了严重的制约。针对传统抗震设计上面的这些不足和缺点，近年来，土木工程领域新兴一种新型的抗震方式一结构消能减震振动控制，即对结构施加控制机构，由西南科技大学硕士研究生学位论文第页控制机构和结构共同承受地震作用，以调谐和减轻结构的地震反应。结构控制研究表明：合理有效的抗震途径是通过一定的抗震控制装置或耗能装置对建筑物的地震响应进行准确而及时的主动或被动抗震控制，即根据地震强度和频度的变化，通 过附属控制机构，施加抵消振动效应的作用力，从而使人们能够根据结构抗震控制等级的需要，积极主动，准确有效地控制建筑物的地震响应，抑制和减小结构的变形，确保
11、结构具有足够的可靠性和理想的抗震适用性口，耗能减震控制耗能减震的概念地震发生时，地面运 动引起结构的震动反应， 结构通过能量转换（一般转化为动能或热能等形式）来吸收或耗散大量的地震能量。传统的抗震结构体系容许结构及承重构件（柱、梁、 节点等）在地震中出现损坏，这一损坏过程就是能量的消耗过程，而结构及构件的严重损坏或倒塌就是地震能量转换或消耗的最终完成。结构耗能减震技术是在结构物的某些部位（如支撑、剪力墙、节点、联结缝或连接件、楼 层空间、相 邻建筑物、主附 结构等）设置耗能装置，通 过耗能装置产生摩擦、弯曲（或剪切、扭转）弹塑性滞回变形来耗散或吸收地震输入结构中的能量，以减小主体结构的地震反应
12、。耗能装置和支撑构件共同构成耗能部件，装有耗能部件的结构称为耗能减震结构“。耗能减震结构在小震和设计风荷载作用下处于弹性状态，向主体结构提供刚度，从而保证结构满足正常使用要求：在中震、大震及强震作用下，耗能装置率先进入耗能状态， 产生较大的阻尼，耗散地震 输入结构的大部分能量，并迅速衰减结构的动力反应（位移、速度、加速度等），而主体结构不出现明显弹塑性变形，从而确保其在强震或强风作用下的安全性和正常实用性。结构振动控制的方法很多，大致分为被动控制、主动控制、混合控制及半主动控制四种。其中，减震控制属于被动控制。耗能减震控制因其减震效果好、构造简单 、造价低廉、适用范围广、维护方便等特点而愈来愈
13、受到国内外学者的重视，并在 许多新建工程、建筑抗震加固及震后修复工程中得到应用，取得了良好的效果和经济效益“”。西南科技大学硕士研究生学位论文第页耗能结构的原理当结构物中安装有耗能装置时，在风和小地震的作用下，这些耗能装置具有足够的初始刚度， 处于弹性状态， 结构物仍具有足够的侧向刚度以满足使用要求；当出现中强地震时，随着结构侧向变形的增加，耗能装置产生较大的阻尼，大量消耗输入结构的地震能量，避免主体结构出现明显的非弹性状态，并且迅速衰减结构的地震响应（位移、速度、加速度和结构内力），从而保护主体结构及构件在强震中免遭破坏，确保主体结构的安全。可以用简单的表达式来说明地震中结构的能量转换过程。
14、结构在地震中任意时刻的能量方程为订 ，：传统结构：；。，。耗能结构：。，。式中；。：地震时输入结构的总能量；：结构在地震过程中存储的动能和弹性应变能；。：结构本身阻尼消耗的能量；。：主体结构产生塑性变形吸收的能量；，：耗能装置消耗的能量。对于传统抗震结构，由于结构本身的阻尼很小，因此可忽略不计。为了最后终止地震反应，只能依靠主体结构产生大量的塑性变形。来吸收能量。但是这样 必然导致主体结构的严重破坏，甚至倒塌。而对于耗能减震结构，在地震作用时耗能装置将率先进入工作状态，大量消耗输入结构的地震能量。这样既可以保 护主体结构免遭破坏，又可以迅速衰减地震反应，确保结构的安全。随着技术的进步以及对被动
15、控制研究的进一步深入，可以预见被动耗能结构在建筑物振动控制中将得到越来越多的应用。耗能减震装置结构通过在结构中加入耗能器装置，可以降低结构在外界干扰下的敏感性，从而可以达到减小结构振动的目的。在 结构振动时，耗能器消耗能量从而降低结构的振动反应。通常耗能器安装在结构中出现较大相对位移的两点之间，相对位移使得耗能器在结构振动时往复运动，耗散能量。耗能器因为耗能方式的不同，分为速度相关型耗能器如：粘弹性耗能器、粘滞型耗能器等、摩擦型耗能器，金属型耗能器则属于滞回型耗能器。如下分别对常用的耗能器做一简要介绍：（）粘弹性耗能器列西南科技大学硕士研究生学位论文第页粘弹性耗能器同时具有弹簧和流体的性质，既
16、有弹性又有粘性。在适度的变形能力范围内，可以恢复到它原来的形状，即有弹性性能；另一方面也具有一定的抗剪能力，它不象弹簧那样贮存能量，而是把能量转换成热能向四周扩散。而且粘 弹性材料在一个方向受力变形以后，随着力的解除，它不象弹簧那样急促的左右仲缩，而是缓慢的恢复到无应力状态，由此可以减小结构的振动。具有代表性的有匹兹堡钢铁大厦（层），西雅图哥伦比亚中图工程结构消能减震控制方法心（层）等大楼中都安装了粘弹性耗能器。从年代末，粘弹性物质开始应用于建筑结构的抗震中。粘弹性阻尼器由粘弹性材料和约束钢板组成。典型的粘弹性阻尼器如图所示。其滞回环呈椭圆形，具有很好的消能性能，同时也能提供刚度和阻尼。计算和
17、试验表明， 设置了粘弹性阻尼器的高层钢结构的整体阻尼比可提高几倍，所以它能十分有效地抑制高层钢结构建筑的地震和风振反应。但是，由于粘 弹性材料的性能受温度、 频率和应变幅值的影响，所以粘弹性阻尼器的性能受温度、 频率和应变幅值的影响较大。有关研究结果表明，在高频下，随着循环次数的增加，消能能力逐渐退化至某一西南科技大学硕士研究生学位论文第页平衡值；当应变幅值小于时， 应变的影响不大，但在大应变的激励下，随着循环次数的增加，消能能力逐渐退化至某一平衡值，（）粘滞阻尼器钉粘滞流体阻尼器是利用其内部活塞前后压力使粘滞流体流过阻尼孔产生阻尼力，从而耗散能量。目前已经研制开发出的粘滞阻尼器主要有筒式流体
18、阻尼器、粘性阻尼墙系统、油 动式阻尼器等。粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和粘滞流体组成。活塞上开有小孔，并可以在充有硅油或其他粘性流体的缸内作往复运动。当活塞在简体间产生相对运动时，流体从活塞的小孔内通过，对两者的相 对运动产生阻尼，从而耗散能量。图粘弹性阻尼器：图粘滞性阻尼器常见的粘滞阻尼器，活塞上孔的数量和筒内流体的体积，可根据阻尼器所需提供的阻尼值来确定。粘滞阻尼器能提供较大的阻尼，有效地减小结构的振动。阻尼器可安装在型钢支撑的交点与下方梁之间，交点支撑可以自由移动，梁与阻尼器可用万向接头连接。活塞两边是储液箱，随着建筑物的摇晃，粘滞流体在左右两个储液箱之间流动，粘滞流体的抵抗力与活塞的运动
19、速度成正比，由此得到阻尼效果。粘滞阻尼器产生的阻尼力一般与速度和温度有关。图 是一种常见的粘滞阻尼器。（）摩擦耗能器钉摩擦耗能是通过可以改变形状的机构在结构震动时发生变形，耗能装置内部产生的摩擦力耗散结构的动能。摩擦耗能装置是可滑动而改变形状的机构。该装置按 强风或强震作用下，其主要构件尚未屈服时装置滑移，以摩擦功耗能，并改变了结构的动力特性达到减振的目的。常见的有摩擦耗能支撑、西南科技大学硕士研究生学位论文第页摩擦节点等。摩擦耗能器的滞回曲线是丰满的矩形，耗能能力强，工作性能稳定。和订在摩擦耗能方面较早的研究。摩擦阻尼器的研究始于上世纪年代末，是根据摩擦做功耗散能量的原理而设计的。目前己有多
20、种不同构造的摩擦阻尼器，如型摩擦阻尼器、摩擦阻尼器。型摩擦阻尼器由加拿大的和于年提出，如图（）所示，它是一可滑动而改变形状的机构。机构 带有摩擦制动板，机构的滑移受板间摩擦力控制，而摩擦力取决于板间的挤压力，可以通过松紧节点板的高强度螺栓来调节。该装置按正常使用荷载及小震作用下不发生滑动设计，而在强烈地震作用下，其主要构件尚未发生屈服，装置即产生滑移以摩擦功耗散地震能量，并改变了结构的自振频率，从而使结构在强震中改变动力特性，达到减震的目的。年，与又提出了改进的型摩擦阻尼器，如图 （） 图 所示。图（）型摩擦阻尼器（）图（）改进的型摩擦阻尼器（）（）复合型耗能器盯这类耗能器包括各种由材料的塑性
21、变形耗能、材料的粘弹性耗能，液体阻尼耗能，混合耗能等多种形式的耗能减震装置，这类耗能器种类很多，新型的装置也在不断的出现。现在常见的有图所示铅挤压阻尼器，本文所用的东南大学设计的图卜所示形状记忆合金（）阻尼器以及各种活塞阻尼器等属于这类耗能装置。这类耗能器常根据其耗能作用方式的不同分为速度相关型耗能器、位移相关型耗能器以及复合型耗能器。西南科技大学硕士研究生学位论文第页蝴蟹麓图铅挤压阻尼器图形状记忆合金阻尼器卜耗能减震结构的优越性及应用范围耗能减震结构体系与传统抗震体系相比，具有如下优越性：（）安全性传统抗震结构体系实质上是把结构本身及主要承重构件（柱、梁、节点等）作为“耗能”构件。按照传统抗
22、震设计方法，容许结构本身及构件在地震中出现不同程度的损坏。由于地震的随机性和结构实际抗震能力设计计算的误差性， 结构在地震中的损坏程度难以控制，特别是出现超烈度强震时，结构就更加难以确保安全。耗能减震体系由于设有非承重耗能构件（耗能支撑、耗能剪力墙等）或耗能装置，它们具有极大的耗能能力，在 强震中率先进入耗能状态，耗散地震能量及衰减结构的地震反应，保护主体结构和构件免遭损坏，从而确保结构在强震中的安全性。国内外耗能减震结构的振动台试验研究表明，耗能减震结构与传统抗震结构相比， 结构地震反应减少。此外，耗能构件（或装置）属“非结构构件，即非承重构件，其功能仅在结构变形过程中发挥耗能作用，对结构的
23、承载力和安全性不构成任何影响或威胁。所以，耗能减震 结构体系是一种非常安全可靠的结构减震体系。（）经济性传统抗震结构体系采用“硬抗地震的途径，通过加强结构、加大断面、加多钢筋等途径提高结构抗震性能，使 结构的造价明显提高。耗能减震结构体系是通过“柔性耗能来减小结构地震反应，可以减西南科技大学硕士研究生学位论文第页小结构中剪力墙的数量，减小构件断面，减少钢筋，而其抗震性能反而提高。国外工程资料表明，耗能减震结构体系与传统抗震结构体系相比，可节约结构造价一；若用于已有建筑结构的改造加固，可节省造价左右。（）技术合理性传统抗震结构体系是通过加强结构侧向刚度以满足抗震要求的，但结构刚度越大，地震作用（
24、荷载）也越大。 这将严重制约高强、轻质的高层建筑、超高层建筑、大跨度结构及桥梁结构等的发展。耗能减震结构体系是通过设置耗能构件或装置，使结构在出现变形时迅速消耗地震能量，保护主体结构在强震中的安全。且结构越高、越柔，跨度越大，耗能减震效果就越显著。由于耗能减震结构体系具有以上优越性，已被广泛、成功地应用于“柔性工程结构物减震（或抗风），它已广泛应用于下述结构：高层、超高层建筑；高柔结构、高耸塔架；大跨度桥梁；柔性管道、管线（生命线工程）：已有建筑抗震（抗风）加固。耗能减震控制的发展展望耗能减震技术为建筑的抗震设计和抗震加固提供了一条崭新的途径，它克服了传统结构“硬碰硬”式的抗震设计方法，具有概
25、念简单、减震机理明确减震效果显著，安全可靠的特点。然而同 时应注意到， 虽然耗能减震技术的研究和应用已取得很大进展，但仍处于研究与试点阶段，在成为常规的技术方法之前，尚须解决以下问题：（）综台考虑各种因素的影响（温度、湿度、开裂等），对已有耗能减震装置的可靠性、耐久性进行深人研究；（）开发新型、高效、适应性强的耗能减震装置，为大范围推广该技术奠定基础；（）进行各种耗能装置的比较、 优化分析。给出具体的计算模型，尽快使其标准化、系列化，便于 设计中推广使用；（）加强对耗能减震器的设置问题及减震效果的定量分析；（）耗能减震器的安装，维修和使用情况的研究：（）加快耗能减震装置的生产基地和试点工程建设
26、，完善耗能减震体系的设计、施工方法与标准，编制相应的计算，分析 软件：（）加强耗能减震技术在受到地震损害的建筑物及加层位移建筑中的研究和应用。西南科技大学硕士研究生学位论文第 页由于耗能减震体系比传统抗震体系更加有效、安全、适用、可靠、并能节省造价，它必将成为一种崭新的结构体系。可以预言，耗能减震技术将成为世 纪建筑减震防灾的重要手段和方法，将为减轻地震对人类造成的危害作出贡献 ”。形状记忆合金（简称：）形状记忆合金（）是一种全新的功能材料，具有独特的形状记忆效应、相变伪弹性和超阻尼特性，利用的这些特性可以制成各种复合材料和控制装置，对结 构进行损伤监控、被 动或者主动控制结构的变形以及地震反
27、应，具有很好的应用前景。形状记忆合金（）不再遵守“热胀冷缩和“虎克定律。在恒温下的应力一应变关系呈明显的非线性关系，当应力为 零时应变也为零，具有滞回 环效应，因此其超弹性效应是一种特殊的滞回耗能性能。形状记忆合金是一种近几十年逐步发展起来的新型智能材料，其主要应用于土木工程、航空航天、医 疗、 电子、电器、汽车等领域，而且其领 域还在不断扩大。而之所以能得到这么快的发展，是因为它本身所具有的独特而优异的形状记忆效应和超弹性”。形状记忆合金的研究现状年美国海军武器实验室首次发现近等原子比的合金具有良好的形状记忆效应，自年代以来，人们对的特性极其应用进行了大量的研究，年代中期以后每年的专利更是约
28、项，应用领域涉及到电器、机械、医疗、航天、化学、能源、土木等。在土木工程领域，上个世纪年代初，一些学者对阻尼结构的地震反应进行了研究；美国加利福尼亚大学的地震工程研究中心对装有拉力装置的交叉支撑层钢结构模型进行了研究；等对安装有阻尼器的 桥梁的减震进行了系统的研究；近年来，人们对 利用的超弹性和驱动特性实现对结构振动和变形的被动和主动控制进行了大量的研究，各种减震装置和复合材料不断出现，结构模型实验证明了对结构的振动控制具有良好的效果。在国内西安建筑科技大学、东南大学、哈尔滨 工业大学及一些材料方面的学者对的基本性能和在土木工程领域的应用作了大量的研究。目前，基于超弹性的被动控制器的研究较多，
29、但在 设计方法、影响因素和 优化控制方面仍然需要进一步的深化研究，而利用的特性对结构减震消能控制问题的研究仍显不够充西南科技大学硕士研究生学位论文第页分，从的特性来看，它可以较好的满足土木工程结构的振动控制要求，其应用前景广阔，有待于人们进一步的研究、开发和利用“”形状记忆合金的主要特性及其在土木工程领域的应用形状记忆合金是一种新型的功能材料，其马氏体相变过程属于热弹性马氏体相变，相 变过程中，晶格结构由体心结构向面心结构转变，这种转变在高于马氏体的温度时也可以有应力诱发完成，这些微观属性使得形状记忆合金在宏观上表现出独特的形状记忆效应、超弹性和阻尼特性，这些特性使得形状记忆合金在很多领域有着
30、重要的应用价值。作为智能材料之一，最早广泛应用于航空航天、机器人、医疗等精密尖端领域。近年来，随着材料加工技术和工业化生产能力的提高，在土木工程中的研究与应用也有了较快的发展。形状 记忆合金材料首次应用于土木工程结构振动控制技术是在年，随后世界许多国家都开展了大量研究各种形状记忆合金阻尼器基础理论的工作。 经过几十年的研究，研究人员发现具有耐腐蚀和抗疲劳性好，可恢复应变大等其他金属材料所无法比拟的优点，此外还具有独特的力学特性，如：形状记忆效应、相 变伪弹性（超弹性）、变阻尼特性等，它可以解决许多工程中用传统材料难以解决的实际问题，因而在土木工程中的应用前景将十分广阔”。国内外针对阻尼器结构抗
31、震设计的研究现状自从年首次提出利用拉索控制结构振动响应的基本概念以来，绝大多数研究人员的工作都集中在主动拉索控制方法的基本理论和应用上，等利用本构模型建立了形状记忆合金在张拉状态下实现结构主动控制的计算理论。直到年，等人才对拉索被动控制作了相关的研究，他们将形状记忆合金丝像拉索一样设置在三层钢框架模型的层间，研究了合金丝在无预应力情况下对结构地震反应的控制效果；年，等人研制了预拉伸丝超弹性阻尼器：美国的等人提出将拉索用于临海结构的屋面和墙体的拉结装置。美国加州大学地震工程研究中心的等人研制出一种用于土木结构地震反应的被动阻尼装置。主要安装于结构与基础之间，耗散和隔离横向的地震响应，它的 设计采
32、用了多股超弹性索缠绕到个距离固定的椭圆型柱上，该 装置称为单面阻尼器。如果将两个单面阻尼器组合起来，可制成双面阻尼器。性能测试结果表明， 这种阻尼器具有稳定的迟滞性，受频率西南科技大学硕士研究生学位论文第页等因素的影响较小。美国加州的等人研制了另外一种双面阻尼器，称为装置。装置的性能 测试是在加州大学地震工程研究中心的一台带温控的卧式平面试验机上进行。结果表明，在允许的范围，该阻尼器性能不受频率的影响而且抗疲劳性能良好。最近几年，国内一些学者也作过相应的研究，工社良等人在框架结构中建立了形状记忆合金拉索控制系统的振动主、被动控制分析的理论和方法，取得了较好的控制效果；东南大学土木工程学院于年进
33、行了形状记忆合金拉索被动控制试验，将拉所耗能器安装在两层框架模型上，进行了框架结构振动试验，试验结果表明这种耗能器控制效果明显。后来又先后开发了几种阻尼器，如图所示，并进行了大量的实验研究；西安建筑科技大学进行了装拉索的单层单跨和三层单跨框架结构模型的被动控制振动台试验，并通 过数值模拟分析拉索的被动控制效果；天津大学对多层钢框架结构安装了阻尼器，进行比较全面的研究，并取得了满意的结果；哈尔滨工业大学也做了的理论研究，并开发了新性的具有自感知功能的阻尼器和锥形阻尼器；北京工业大学也进行了阻尼器的研究，开发了复合摩擦阻尼器；此外上海交通大学和华中科技大学也进行了的研究。问题的提出地震和风灾严重威
34、胁着人类的生存与发展，自从人类诞生以来人们就为抵抗这两种自然灾害而奋斗。随着科学技术和人民生活水平的提高，预防与抵御地震和风灾害的能力也在不断地提高，结构减震控制技术作为抗御地震（强风）的一种有效方法，也得到了发展和应用，并成为比较成熟的技术。在结构中加入耗能器来控制结构的地震的耗能减震方法是结构减震控制技术中一种有效、安全、可靠、经济的减震方法。形状记忆合金是一种新型的功能材料，制成的阻尼器具有非常明显的耗能效果。但由于形状记忆合金的价格比较昂贵，为了使这种新型功能材料得到推广和应用就必须找出经济适用的使用方案。本文的主要问题就在于针对阻尼器在结构中布置位置和数量优化不理想的效果下，本文通过
35、改变结构和阻尼器的刚度比，即调整了阻尼器的参数来反应结构震动的控制效果，得出了位移最有效控制的结构刚度比的范围，从而使阻尼器在结构中的使用更经济有效。西南科技大学硕士研究生学位论文第页本论文的主要研究内容针对消能减震控制体系目前的现状及其研究方向，本文首先根据的热力学特性和本构关系分析了材料的应力应变曲线，确定其恢复力模型，明确其良好的吸能消能特点。在此基础上，依据 东南大学设计的阻尼器及其性能参数，建立有限元分析模型，对常见的混凝土高层框架结构在不同的影响参数（刚度比阻尼器刚度结构刚度）情况下进行大量的计算机模拟防真分析，在验证了耗能器优良的耗能减震性能的同时，得出位移控制量随刚度比变化曲线
36、，确定最适合的结构刚度比对减震控制最有效的范围，从而优化阻尼器在结构中的使用。主要内容安排如下：第一章为绪论部分， 简要介绍了工程减震控制技术与传统结构抗震设计方法相比较而言所具有的优越性等内容，重点介绍了耗能减震体系及耗能装置的特点和耗能原理。第二章根据的热力学特性和本构关系分析了材料的应力应变曲线，确定其恢复力模型。第三章对有限单元法及应用其进行结构分析的基本过程作了介绍，并对如何通过 实现进 行了重点探讨。第四章建立普通混凝土框架结构和设置阻尼器的多种不同刚度比的结构模型， 应用大型通用有限元程序对其进行动力分析。探讨了通过改变阻尼器的影响参数来优化阻尼器在结构中的使用的优化方法。根据计
37、算结果，得出最大位移控制量随刚度比变化曲线，确定最适合的结构刚度比对减震控制最有效的范围。第五章为结论与展望， 对前面几章的研究进行了总结，并对以后研究方向进行了展望。西南科技大学硕士研究生学位论文第页的材料特性及其本构模型概述现行建筑抗震设计规范町（）规定，结构消能减震设计是指在建筑结构中设置消能装置，通过其局部变形提供附加阻尼，消耗输入上部结构的地震能量，达到预期设防要求。消能装置中安装有消能器（又称阻尼器），消能器的功能是，当结构构件（或节点）发生相对位移（或转动）时，产生较大阻尼，从而发挥消能减振作用。 为了达到最佳消能效果，要求消能器提供最大阻尼，即当构件（或节点）在力（或弯矩）作用
38、下发生相对位移（或转动）时，消能器所做的功最大。这可以用消能器阻尼力一位移关系滞回曲线所包络的面积来度量，包络的面积越大，消能器的消能能力越大，消能效果越明显。消能器主要分为位移相关型、速度相关型及其他类型。粘滞流阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器等属于速度相关型，即消能器对结构产生的阻尼力主要与消能器两端的相对速度有关，与位移无关或与位移的关系为次要因素；金属屈服型阻尼器、摩擦阻尼器属于位移相关型，即消能器对结构产生的阻尼力主要与消能器两端的相对位移有关，当位移达到一定程度才能发挥耗能作用。 图为常见各种材料的应力一应变关系的滞回曲线。口了）形，）厂。、一一一口丁），乙，。（口口而（弹性材糕（
39、）粘住流体）秧簿体孛霉料（）彤状 记忆台 贪图常见几种材料的应力一应变关系由上图可看出形状记忆合金（）阻尼器为位移相关型阻尼器，并且能够提供一定的刚度， 应力一应变曲线在加、卸 载过程中形成旗帜型的环状，这说明材料在此过程中可吸收和耗散大量的能量。因此可以利用形状记忆合金制成被动阻尼器，将其设置在结构的层间，使之感受层间变形，以达到消西南科技大学硕士研究生学位论文第页耗地震能量的目的他们幢”。形状记忆合金材料特性在形状记忆合金材料的物理性能中，形状记忆效应、超弹性效应和阻尼性能是形状记忆合金最主要的三个特性，现简要介绍如下形状记忆效应普通的金属材料，当内部应力超过其弹性极限时，将产生塑性变形，
40、由于塑性变形的不可逆转，卸载之后，材料的 变形不可能恢复到原始状态。所谓形状记忆效应（）是指材料在较低的温度下或增加应力时，经受塑性变形，当升高温度或减少应力时，这种材料能恢复原来的形状，这种现象就称之为形状记忆效应。具体的说，形状记忆效应是指材料会记忆它在高温奥氏体状态下的形状，即将形状记忆合金在低温马氏体状态下产生预变形，加热后就会恢复到原来在奥氏体状态下的形状。马氏体相变是形状记忆合金产生形状记忆效应的主要机制。材料内部的马氏体一旦生成，会随温度的降低生长，随温度的升高而减少，而相变的驱动力主要来源于两相自由能之差。当温度低于平均温度（两相自由能相等的温度）时，发生马氏体相变，也称之为正
41、相变；当温度高于平均温度时，就发生奥氏体相变，也称之 为逆相变。形状记忆合金的马氏体相变不仅可由温度引起，应力也可诱发马氏体相变，称之为应力诱发马氏体相变，图 表示应力与温度之间的对应关系。其中。是 马氏体相变起始温度，是马氏体相变结束温度，彳。是奥氏体相变 起始温度，彳，是奥氏体相变结束温度。如果在温度互时施加 应力， 马氏体相变在。 线上的点开始发生，而在，线上的点完成，这时，所有的母体成为马氏体相。由于温度低于么。，在点卸载时不会发生相变。当温度兀时，点与点之间为弹性加载段。在点马氏体相变开始，点马氏体相变结束。当超过点处应力时，材料进入马氏体加载阶段。当 应力减少时，在点与点之 间，材料表 现为弹性卸载特性。奥氏体相变在点开始，并且在点结束。这时 ，所有母体成为奥氏体相。若继续卸 载进入点与点之间时，材料表现为弹性卸载特性。形状记忆合金的马氏体相变属于热弹性马氏体相变，在冷却中形成的马氏体会随着温度的变化而长大或收缩，相和相的
