SMA在结构加固修复中的应用研究

任红梅 彭功生

(1.上海城建职业学院,上海 200438; 2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司,上海 200032;3.中交物流规划设计研究院有限公司,上海 200231)

0 引 言

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)是一种兼有感知和驱动功能的新型材料,以其独特的超弹性效应、形状记忆效应、良好的抗疲劳性能、抗腐蚀能力及生物相容性,被广泛应用于电子仪器、汽车工业、医疗器械、工程控制和能源开发等领域[1]。

SMA的独特物理力学性能,引起了土木工程界的广泛关注并成功应用于结构工程的各个领域,提供诸如传感、能量耗散、驱动、监测、自复位等功能。下面将对SMA在结构加固修复领域的应用进行总结,并根据应用原理将其划分为不用的类别。

1 SMA在结构加固修复中的应用研究

1.1 基于SMA的耗能支撑与阻尼器

被动控制装置能够有效地防止结构构件和非结构构件在地震作用下破坏。在被动控制装置中,增设支撑是一种被广泛采用的结构方案与抗震加固方法(尤其对于钢结构)。支撑主要由钢构件以线、杆、桁架的形式,按图1所示的方式装在框架结构中,用于抵抗地震作用[2]。

图1 框架结构增设SMA支撑示意图Fig.1 Schematic Representation of the SMA Braces for Frame Structures

支撑的耗能主要与其在拉压作用下的力学性能有关。然而,近年来一些震害表明普通钢支撑框架的薄弱点十分突出,包括由于支撑屈曲失效后所导致的有限延性、低耗能能力、支撑在拉压作用下的非对称力学性能以及连接节点的失效等。为了克服这些问题,屈曲约束支撑(Buckling Restrained Braced Frame,BRBF)被提出,这种支撑能够在拉压状态下都达到屈服强度。然而,BRBF的使用却一直存在着震后残余变形大的问题。在支撑系统中采用SMA已成为一个替代方案,在框架结构中以支撑的形式成功地应用SMA主要是由于SMA的超弹性及滞回耗能特性,且这种滞回特性并没有表现出明显的速度依赖性[3]。

Motahari等[4]提出了基于SMA的新型阻尼器,与BRBF相比,具有不同的初始刚度和屈服力。相关研究表明,SMA支撑具有良好的耗能能力、自复位能力及在小位移下具有较高刚度等。然而BRBF具有更强的耗能能力,因此混合装置被提出以将能量耗散和自复位特征相结合。

Yang等[5]设计研究了一种混合装置,该装置由一套自复位SMA线、两个能量吸收支杆及两根高强度套管(用来引导运动,见图2)组成。SMA线被放置于高强度套管内,主要用于将变形应变控制在6%以内。该装置在一个三层的模型中进行了测试,分别采用了图3中所示的两种安装形式。分析表明,混合支撑框架表现出了与BRBF系统类似的能量耗散能力,且同时也具有优良的自复位能力。

1.2 基于SMA的结构隔震

基础隔震系统被分为两种主要类别:弹性体类别(基于橡胶材料的弹性和黏滞阻尼特性)与滑动类别(基于摩擦特性)。通常一个有效的隔震装置应包括以下几个要求:①足够的耗能能力以减轻地震作用;②良好的复位能力以避免过度变形或失稳;③震后没有残余变形;④抗往复荷载的耐久性。近年来,已经对基于SMA的建筑和桥梁隔震装置展开了深入研究,SMA具有隔振系统所需要的理想性能:①自复位能力。可提供一个额外的恢复力使得上部结构能够在地震过后恢复到其初始位置或状态,即使装置上存在一个非平衡力,如支座的摩擦力或者结构构件的塑性力;②小位移下的高刚度,避免结构在风荷载或自身因素导致的变形下产生倾覆;③良好的耗能能力,通过引入SMA的超弹性马氏体单元来耗散能量,以减小上部结构在地震作用下的加速度和位移响应;④其他重要特性,如抗疲劳性[6-7]、长期可靠性、高耐久性、不老化降解、对于温度的有限敏感性和适应性等。

图2 文献[6]提出的混合装置Fig.2 Hybrid device reported in Ref.6

图3 支撑安装形式Fig.3 Different configurations of the proposed device

SMA隔振系统包括多种类型。Krumme等[8]研究了SMA滑动隔震装置的性能,其中抗滑力是通过一对相对的SMA张拉构件来实现的,见图4,该装置显著改善了混凝土框架结构的层间位移。

图4 文献[8]提出的SMA滑动隔震装置Fig.4 Sliding isolation systemreported in Ref.8

Wilde等[9]研究了一种应用于高架桥梁的由超弹性SMA棒制成的隔震装置(图5)的性能,通过与一座普通支座桥梁的对比分析表明,该隔震装置能够提供显著的阻尼效应,改善上部结构地震响应;特别是对于小震激励水平,与常规隔震装置相比该隔振装置能将桥墩和桥面板之间的相对位移降低到一个可以忽略不计的水平,且装有SMA隔振装置的桥梁的破坏能量较装有普通隔振装置的桥梁的破坏能量小。

图5 文献[11]提出的SMA隔震装置示意图Fig.5 Schematic of the SMA isolation devicereported in Ref.11

Choi等[10]提出了一种将SMA线混入橡胶支座的新型隔震装置,如图6所示。通过对一座三跨连续钢桥的地震响应分析,与普通铅芯橡胶隔震装置的性能进行了对比,该隔震装置能够有效地改善大震作用下桥面板的相对位移,并将其恢复至初始位置。

图6 文献[12]提及的SMA橡胶隔震装置Fig.6 Schematic of the SMA rubber isolation device reported in Ref.12

Gur和Mishra[11]提出了一种基于随机理论的优化设计方案,使得隔震装置位移与上部结构加速度最小化。该隔震装置是通过钢-聚四氟乙烯表面的相对运动来耗散输入的能量,SMA的超弹性具有抑制作用,同时利用相变引起的SMA滞回作用消耗能量,如图7所示。随机响应分析表明,与纯摩擦支座系统相比,SMA摩擦系数与相变强度的最佳组合能够使得楼面加速度最小化,隔震效果最大化。

图7 文献[11]提及的建筑结构基础隔震Fig.7 Base isolated building structure reported in Ref.11

在基于SMA的隔震装置设计时,工作温度是SMA材料性能的一个关键参数,特别是温度下降所导致的应力增加,而且超弹性效应只能在较高的温度下实现,此时奥氏体相稳定。Ozbulut与Hurlebaus[12]研究了一种滑动类型基础隔震装置的性能(考虑环境温度的变化),通过神经模糊模型捕捉SMA材料在不同温度和负载频率下的响应。该隔振装置由钢-聚四氟乙烯滑动支座组成,承担竖向荷载并耗散能量,提供自复位力和额外的阻尼(图8),报道称,在0-20 ℃-40 ℃的温度范围内,该隔震装置有效地减小了被测试桥梁的地震响应。此外,该装置的初始刚度和屈服强度随着温度的增加而增加,在高温下可以获得大的复位力。

图8 文献[12]中采用的滑动支座与SMA装置Fig.8 Sliding bearings and SMA device reported in Ref.12

1.3 基于SMA的结构构件自修复

SMA的形状记忆效应,还可用于结构构件的自修复。Li等[13]研究了NiTi形状记忆合金恢复应力与温度的关系,通过不同强度的电流加热对混凝土梁进行试验,研究了NiTi形状记忆合金线作为紧急修复装置的性能。试验结果表明,在电流加热的情况下,NiTi形状记忆合金线能够使混凝土裂缝闭合,有效地减小梁的变形。

Song和Ma[2]提出了与SMA驱动特性有关的智能混凝土概念,成束的马氏体相SMA线被用于张拉小尺寸混凝土试件,通过检测SMA丝的电阻变化,得到混凝土试件中的应变分布。文献[2]还建议,对于爆炸或地震作用导致的微裂缝,通过电流加热SMA丝进行修复。

Li等[14]提出了碳纤维板与SMA相结合的一种混凝土梁的加固修复方法。其中,混凝土试件由SMA丝暂时加固,在达到永久性的跨中挠度后,SMA丝由一个恒定的电流加热,产生恢复力,从而使试件的变形减小,混凝土裂缝闭合(即应急损伤修复过程的第一阶段)。然后,碳纤维板采用环氧树脂被粘在试件的底部,完成的加固过程即为永久性损伤修复过程。

1.4 SMA直接用于结构加固

只有少数既有建筑的加固修复是直接通过SMA系统来实现的,且主要用于对历史保护建筑的加固修复。文献[15]报道了一栋钟楼的加固修复,这栋钟楼位于意大利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级地震的袭击,造成严重的损伤。该钟楼加固修复采用了一种基于SMA的新方案,即在钟楼的四个角落,沿钟楼全高放置预应力筋,从基础至屋顶固定(图9)。其中SMA装置由60根直径1 mm、长度300 mm的线组成,被安装在第三层楼面高度的每个墙垛。这些线被张拉至20 kN,达到超弹性状态,以保证砌体墙体始终处于受压状态,防止地震过程中墙体内出现拉应力。加固修复后,该钟楼在2000年一次地震中,未出现明显的损伤。

图9 San Giorgio钟楼加固方案Fig.9 Strengthening schematic for San Giorgio bell tower

文献[15]报道在1997年意大利St.Francesco in Assisi教堂修复时也采用了SMA。教堂需采取妥善的加固修复措施以达到足够的安全等级,同时保持原有的历史面貌。为了解决这个问题,一种基于SMA的连接装置被用于屋顶结构的加固修复,使得传递至鼓室的地震力降低,并控制砌体墙体的位移。另一个例子是用于San Francisco的Sherith以色列犹太教堂的加固[15],一种基于SMA的张拉系统被采用以抑制山墙端部向外变形(提供恢复力使墙体自动复位),既不改变屋顶隔板的剪切刚度,也不改变其弯曲刚度。

SMA还可用于对混凝土柱施加侧向约束,以提高其延性和强度。Shin与Andrawes[16]研究了采用新型主动约束技术(SMA螺旋线)约束的混凝土轴心受压构件的性能。首先将SMA线被张拉至接近6%的应变,然后以螺旋形式缠绕混凝土构件,在加热后,SMA螺旋线通过形状记忆效应,在构件上产生一个大的围压。

Choi等[17]对直径0.4 m,高度1.4 m,采用SMA丝约束的圆形混凝土柱进行了试验研究,缠绕的高度为400 mm,SMA丝间距为2.0 mm。侧向荷载施加在加固后的柱顶。报道称,与普通圆形混凝土柱相比,SMA丝缠绕加固的柱极限强度和延性有所增加,且弯曲强度无退化(图10)。

图10 循环受压加载后的SMA约束试件Fig.10 SMA confined test specimen after cyclic compressive test

Andrawes等[18]对采用SMA螺旋线加固的混凝土桥墩柱进行了试验研究和数值模拟工作(图11)。根据位移控制往复加载试验的结果,采用SMA加固的柱与普通CFRP加固的柱相比强度最高提高了38%,同时有效刚度和柱的残余变形显著改善。

图11 预应力SMA箍约束桥墩混凝土柱示意图Fig.11 Schematic illustrating the concept of using prestrained SMA hoops to apply external confining pressure on RC bridge columns

2 讨 论

由上可知,SMA在结构加固修复领域的应用是与其基本物理力学特征密切相关的:

(1) 利用SMA的形状记忆效应[19]:使常温下为马氏体相SMA预先产生塑性变形,然后将其埋人结构构件中。当构件产生裂纹和损伤时,利用SMA高温下产生的回复力改变结构内部的应力状态,进而防止构件裂纹和损伤的进一步发展。

(2) 利用SMA的超弹性效应。将常温下为奥氏体状态的SMA与隔震装置结合,一方面利用SMA的超弹性在地震过程中滞回耗能,另一方面当隔震装置在地震作用后发生残余变形时,利用SMA超弹性性能产生的回复力,使隔震装置复位。

(3) 利用SMA的电阻特性。利用SMA的电阻特性制成传感元件实现结构健康监测与自诊断。将常温下预应变的奥氏体相SMA丝或马氏体相SMA丝粘贴在构件易产生应力集中或发生开裂的部位,或将其埋入构件中。在荷载作用下,通过监测SMA丝的电阻值,可以了解结构构件内部应力、应变的变化,从而判断材料损伤;而通电加热SMA丝或利用其超弹性特性所产生的回复力,可以控制裂纹的发展,使裂纹回缩直至闭合。

3 结 语

尽管SMA在工程结构的发展中具有相当的潜力,但几项技术难题事实上限制了它们更广泛的应用。SMA对成分的变化非常敏感,合金成分的微小变化可能导致材料力学性能的显著变化,因此要求严格的质量控制以确保性能。此外,由于是温度敏感材料,SMA材料性能依赖于周围的工作环境。另一个制约其应用的因素是工程结构的尺寸往往较大,因此需要大量的SMA材料,导致结构成本高昂。

虽然SMA的价格仍然比其它建筑材料高,但NiTi记忆合金价格在过去的十年中有了明显的下降。事实上,在工艺和制造技术上的进步使得SMA质量和产量增加,导致成本的进一步降低[1]。我国目前已有许多家单位从事SMA的研究和生产工作,并且取得了不错的成果。SMA在结构加固修复领域有着广阔的应用前景。

未来我国SMA在工程结构中的发展趋势以开发高性能的SMA,发展和应用新型的SMA为主,并降低SMA的制备成本,完善其制作工艺,提高质量。