基于SMAFDB的試驗、抗震性能剖析及基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計探索一、緒論1.1研究背景與意義地震作為一種極具破壞力的自然災(zāi)害，給人類的生命和財產(chǎn)安全帶來了巨大威脅。在過去的幾十年里，全球范圍內(nèi)發(fā)生了多起強(qiáng)烈地震，如2008年中國汶川8.0級特大地震、2011年日本東海岸9.0級地震以及2023年土耳其7.8級地震等，這些地震不僅導(dǎo)致大量建筑物倒塌，還造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，成為了地震工程領(lǐng)域的重要研究課題。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法主要通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性變形來耗散地震能量，以實現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)計目標(biāo)。然而，這種方法往往會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震后產(chǎn)生較大的殘余變形，修復(fù)難度大且成本高，嚴(yán)重影響了建筑結(jié)構(gòu)的使用功能和安全性。為了克服傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法的不足，自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系應(yīng)運(yùn)而生。自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系在地震作用下能夠產(chǎn)生一定的變形來耗散地震能量，同時在地震結(jié)束后，利用自身的復(fù)位機(jī)制恢復(fù)到初始位置，從而有效減小結(jié)構(gòu)的殘余變形，提高結(jié)構(gòu)的震后可恢復(fù)性。在自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系中，自復(fù)位支撐作為一種關(guān)鍵的耗能和復(fù)位元件，發(fā)揮著重要作用。自復(fù)位支撐通常由耗能裝置和復(fù)位裝置組成，能夠在地震作用下提供較大的耗能能力和復(fù)位能力，有效減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。目前，常見的自復(fù)位支撐主要包括基于預(yù)應(yīng)力拉索的自復(fù)位支撐、基于碟形彈簧的自復(fù)位支撐以及基于形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloy，SMA）的自復(fù)位支撐等。其中，基于SMA的自復(fù)位支撐由于SMA材料具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)，在自復(fù)位支撐中展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，受到了廣泛的關(guān)注和研究。SMA是一種能夠在溫度和應(yīng)力作用下發(fā)生相變的新型功能材料，具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)兩大特性。形狀記憶效應(yīng)使得SMA在變形后，通過加熱或去除應(yīng)力等方式能夠恢復(fù)到其原始形狀；超彈性效應(yīng)則允許SMA在受力變形后，當(dāng)外力去除時，能夠自動恢復(fù)到原來的形狀，且可恢復(fù)應(yīng)變可達(dá)6%-8%。這些特性使得SMA在自復(fù)位支撐中能夠有效地提供恢復(fù)力，確保支撐在地震后的自復(fù)位功能。與傳統(tǒng)的復(fù)位元件相比，SMA具有響應(yīng)速度快、復(fù)位精度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠在不同的地震工況下穩(wěn)定地工作，為自復(fù)位支撐的性能提供可靠保障?；赟MA的自復(fù)位摩擦耗能支撐（SMA-basedFrictionDampingBrace，SMAFDB）是一種新型的自復(fù)位支撐，它結(jié)合了SMA的自復(fù)位特性和摩擦耗能裝置的耗能特性，具有耗能能力強(qiáng)、復(fù)位性能好等優(yōu)點(diǎn)。通過對SMAFDB進(jìn)行試驗研究和抗震性能分析，可以深入了解其工作機(jī)理和性能特點(diǎn)，為其在工程實際中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。此外，基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法是一種全新的設(shè)計理念，它從能量的角度出發(fā)，考慮結(jié)構(gòu)在地震作用下的能量輸入、耗散和轉(zhuǎn)換，通過合理設(shè)計自復(fù)位支撐的參數(shù)，使結(jié)構(gòu)在地震中能夠有效地耗散能量，同時保證結(jié)構(gòu)的自復(fù)位性能。這種設(shè)計方法能夠更加全面地考慮結(jié)構(gòu)的抗震性能，提高自復(fù)位支撐的設(shè)計效率和質(zhì)量。綜上所述，開展基于SMAFDB的試驗與抗震性能研究以及基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法的研究，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。通過本研究，可以進(jìn)一步完善自復(fù)位支撐的理論體系，推動自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系在工程實際中的應(yīng)用，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和震后可恢復(fù)性，保障人民的生命和財產(chǎn)安全，促進(jìn)社會的可持續(xù)發(fā)展。1.2研究現(xiàn)狀1.2.1SMAFDB的試驗與抗震性能研究現(xiàn)狀近年來，基于SMA的自復(fù)位摩擦耗能支撐（SMAFDB）因其獨(dú)特的自復(fù)位與耗能特性，在結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)，眾多學(xué)者圍繞其開展了豐富的試驗與理論研究。在試驗研究方面，Zhu等學(xué)者設(shè)計了由形狀記憶合金提供復(fù)位能力的自復(fù)位支撐，并對其進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗，研究結(jié)果表明該支撐具有良好的耗能能力和自復(fù)位性能。張紀(jì)剛和盧愛貞提出一種PFD-SMA支撐體系，通過ANSYS程序分析SMA棒材和該體系，發(fā)現(xiàn)SMA棒材耗能能力強(qiáng)、可恢復(fù)應(yīng)變大，采用該體系能有效降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，提高抗震性能，且該體系具有基于SMA超彈性及形狀記憶效應(yīng)的雙重自復(fù)位功能。這些研究為SMAFDB的性能研究提供了重要的試驗基礎(chǔ)。在抗震性能分析上，不少學(xué)者借助數(shù)值模擬手段深入探究SMAFDB在結(jié)構(gòu)中的作用機(jī)制。如運(yùn)用有限元軟件建立包含SMAFDB的結(jié)構(gòu)模型，對結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)進(jìn)行模擬分析，研究SMAFDB對結(jié)構(gòu)位移、加速度、層間位移角等地震響應(yīng)指標(biāo)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，SMAFDB能顯著減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的殘余變形，提高結(jié)構(gòu)的自復(fù)位能力，同時通過摩擦耗能和SMA的耗能特性，有效耗散地震能量，降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。此外，部分研究還考慮了不同地震波特性、結(jié)構(gòu)形式以及SMAFDB參數(shù)變化等因素對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，進(jìn)一步揭示了SMAFDB與結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜關(guān)系。然而，目前SMAFDB的研究仍存在一些不足。一方面，SMA材料成本較高，限制了其大規(guī)模工程應(yīng)用，如何降低成本成為亟待解決的問題；另一方面，雖然對SMAFDB的性能研究已取得一定成果，但在實際工程應(yīng)用中的設(shè)計方法和規(guī)范還不夠完善，需要進(jìn)一步深入研究以建立更加系統(tǒng)、科學(xué)的設(shè)計理論和方法體系。1.2.2基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法的發(fā)展情況基于能量的設(shè)計方法作為一種全新的設(shè)計理念，近年來在自復(fù)位支撐設(shè)計領(lǐng)域逐漸受到重視，為自復(fù)位支撐的設(shè)計提供了新的思路和方法。傳統(tǒng)的自復(fù)位支撐設(shè)計方法多基于力和位移的概念，而基于能量的設(shè)計方法從能量的角度出發(fā)，全面考慮結(jié)構(gòu)在地震作用下的能量輸入、耗散和轉(zhuǎn)換過程。通過對結(jié)構(gòu)在地震作用下的能量分析，確定結(jié)構(gòu)所需的耗能和復(fù)位能力，進(jìn)而合理設(shè)計自復(fù)位支撐的參數(shù)，使結(jié)構(gòu)在地震中能夠有效地耗散能量，同時保證結(jié)構(gòu)的自復(fù)位性能。這種設(shè)計方法能夠更加全面地考慮結(jié)構(gòu)的抗震性能，克服了傳統(tǒng)設(shè)計方法僅關(guān)注力和位移指標(biāo)的局限性，提高了自復(fù)位支撐的設(shè)計效率和質(zhì)量。在基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法研究中，一些學(xué)者通過建立能量平衡方程，分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的能量分配關(guān)系，確定自復(fù)位支撐的能量耗散需求和復(fù)位能力需求。例如，通過對單自由度體系和多自由度體系的能量分析，研究不同地震波作用下結(jié)構(gòu)的能量響應(yīng)規(guī)律，提出了基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計參數(shù)計算方法。同時，部分研究還結(jié)合試驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，驗證了基于能量的設(shè)計方法的有效性和可行性。盡管基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法取得了一定的研究進(jìn)展，但在實際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。一方面，準(zhǔn)確計算結(jié)構(gòu)在地震作用下的能量輸入和耗散較為復(fù)雜，需要考慮多種因素的影響，如地震波特性、結(jié)構(gòu)非線性行為等；另一方面，如何將基于能量的設(shè)計方法與現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范相結(jié)合，實現(xiàn)工程化應(yīng)用，還需要進(jìn)一步的研究和探索。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞基于SMAFDB的試驗與抗震性能研究以及基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法展開，具體內(nèi)容如下：SMAFDB的試驗研究：設(shè)計并制作基于形狀記憶合金的自復(fù)位摩擦耗能支撐（SMAFDB）試件，通過低周反復(fù)加載試驗，研究其滯回性能、耗能能力、自復(fù)位性能以及關(guān)鍵參數(shù)（如SMA材料特性、摩擦片的摩擦系數(shù)、支撐的預(yù)拉力等）對支撐力學(xué)性能的影響規(guī)律。詳細(xì)記錄試驗過程中的荷載-位移曲線、能量耗散情況以及支撐的變形和破壞模式，為后續(xù)的抗震性能分析和理論研究提供可靠的試驗數(shù)據(jù)。SMAFDB的抗震性能分析：基于試驗研究結(jié)果，運(yùn)用有限元分析軟件建立包含SMAFDB的結(jié)構(gòu)模型，對結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的地震響應(yīng)進(jìn)行非線性時程分析。研究SMAFDB對結(jié)構(gòu)的位移、加速度、層間位移角、殘余變形等抗震性能指標(biāo)的影響，分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞機(jī)制和損傷分布規(guī)律。同時，對比分析設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在抗震性能上的差異，評估SMAFDB在提高結(jié)構(gòu)抗震性能方面的有效性和優(yōu)越性。基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法研究：從能量的角度出發(fā)，深入研究自復(fù)位支撐在結(jié)構(gòu)抗震中的能量轉(zhuǎn)換和耗散機(jī)制，建立基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計理論和方法體系。通過對結(jié)構(gòu)在地震作用下的能量平衡方程進(jìn)行推導(dǎo)和分析，確定自復(fù)位支撐所需提供的耗能能力和復(fù)位能力，提出自復(fù)位支撐的設(shè)計參數(shù)計算方法和設(shè)計流程。結(jié)合實際工程案例，運(yùn)用所提出的設(shè)計方法進(jìn)行自復(fù)位支撐的設(shè)計，并通過數(shù)值模擬和試驗驗證其設(shè)計的合理性和有效性。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用試驗研究、數(shù)值模擬和理論分析等方法，確保研究的全面性、深入性和可靠性：試驗研究方法：通過設(shè)計并進(jìn)行SMAFDB的低周反復(fù)加載試驗，直接獲取支撐的力學(xué)性能數(shù)據(jù)和破壞模式信息。試驗過程中，嚴(yán)格控制試驗條件，采用高精度的測量儀器，確保試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過對試驗結(jié)果的分析，深入了解SMAFDB的工作機(jī)理和性能特點(diǎn)，為數(shù)值模擬和理論分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和驗證依據(jù)。數(shù)值模擬方法：利用通用有限元分析軟件（如ANSYS、ABAQUS等）建立SMAFDB和結(jié)構(gòu)的精細(xì)化有限元模型。在模型中，合理考慮材料的非線性本構(gòu)關(guān)系、幾何非線性以及接觸非線性等因素，準(zhǔn)確模擬SMAFDB和結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學(xué)行為。通過數(shù)值模擬，可以對不同工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析，彌補(bǔ)試驗研究的局限性，深入研究結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞機(jī)制，為基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法提供數(shù)值模擬驗證。理論分析方法：基于材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、地震工程學(xué)等相關(guān)理論，對SMAFDB的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行理論推導(dǎo)和分析。建立SMAFDB的恢復(fù)力模型和結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析模型，推導(dǎo)基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計參數(shù)計算公式，從理論層面揭示SMAFDB的工作原理和結(jié)構(gòu)的抗震性能變化規(guī)律。通過理論分析，為試驗研究和數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)，完善自復(fù)位支撐的設(shè)計理論和方法體系。二、SMAFDB的構(gòu)造與試驗研究2.1SMAFDB的構(gòu)造基于形狀記憶合金的自復(fù)位摩擦耗能支撐（SMAFDB）主要由自復(fù)位裝置、摩擦耗能裝置以及連接構(gòu)件等部分組成，各部件協(xié)同工作，以實現(xiàn)支撐在地震作用下的耗能與自復(fù)位功能。自復(fù)位裝置是SMAFDB的關(guān)鍵組成部分，通常由形狀記憶合金（SMA）元件構(gòu)成。SMA元件利用其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)來提供恢復(fù)力，使支撐在受力變形后能夠恢復(fù)到初始位置。常見的SMA元件形式有SMA絲、SMA棒等。SMA絲具有柔性好、可彎曲等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)不同的構(gòu)造需求；SMA棒則具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠提供較大的恢復(fù)力。在SMAFDB中，SMA元件一般通過預(yù)拉伸或預(yù)壓縮的方式施加預(yù)應(yīng)力，使其在初始狀態(tài)下就具備一定的恢復(fù)能力。當(dāng)支撐受到地震作用而發(fā)生變形時，SMA元件會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，儲存彈性勢能；地震作用結(jié)束后，SMA元件釋放彈性勢能，帶動支撐恢復(fù)到初始位置，從而實現(xiàn)自復(fù)位功能。摩擦耗能裝置是SMAFDB耗散地震能量的主要部件，一般由摩擦片和壓緊裝置組成。摩擦片通常采用具有較高摩擦系數(shù)和良好耐磨性的材料，如無石棉有機(jī)材料（NAO）摩擦片等。壓緊裝置則用于對摩擦片施加壓力，以調(diào)節(jié)摩擦片之間的摩擦力大小。在地震作用下，支撐會發(fā)生相對位移，使得摩擦片之間產(chǎn)生相對滑動，從而通過摩擦做功將地震能量轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。摩擦力的大小可以通過調(diào)整壓緊裝置的壓力來控制，從而實現(xiàn)對支撐耗能能力的調(diào)節(jié)。例如，通過增加壓緊裝置的壓力，可以增大摩擦片之間的摩擦力，提高支撐的耗能能力；反之，則降低支撐的耗能能力。連接構(gòu)件用于將自復(fù)位裝置和摩擦耗能裝置連接在一起，并將支撐與結(jié)構(gòu)主體相連，確保力的有效傳遞。連接構(gòu)件通常采用高強(qiáng)度鋼材制作，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。常見的連接方式有螺栓連接、焊接等。螺栓連接具有安裝和拆卸方便的優(yōu)點(diǎn)，便于支撐的更換和維護(hù)；焊接則具有連接牢固、傳力可靠的特點(diǎn)，能夠保證支撐在地震作用下的穩(wěn)定性。在設(shè)計連接構(gòu)件時，需要充分考慮其受力情況和連接的可靠性，確保在地震作用下連接部位不會發(fā)生破壞，從而保證SMAFDB的正常工作。SMAFDB的工作原理是：在地震作用初期，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較小的變形，此時SMAFDB主要依靠自復(fù)位裝置的初始剛度來限制結(jié)構(gòu)的位移，SMA元件處于彈性階段，提供一定的恢復(fù)力。隨著地震作用的增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)變形增大，當(dāng)變形超過一定閾值時，摩擦耗能裝置開始工作，摩擦片之間產(chǎn)生相對滑動，通過摩擦耗能來耗散地震能量。同時，SMA元件也進(jìn)入非線性階段，產(chǎn)生較大的應(yīng)變，儲存更多的彈性勢能。當(dāng)?shù)卣鹱饔媒Y(jié)束后，SMA元件釋放彈性勢能，帶動支撐恢復(fù)到初始位置，從而減小結(jié)構(gòu)的殘余變形。在整個過程中，SMAFDB的自復(fù)位裝置和摩擦耗能裝置相互配合，共同發(fā)揮作用，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)在地震作用下的耗能和自復(fù)位功能。與傳統(tǒng)的支撐相比，SMAFDB具有以下優(yōu)勢：一是自復(fù)位性能好，能夠有效減小結(jié)構(gòu)在地震后的殘余變形，提高結(jié)構(gòu)的震后可恢復(fù)性，降低修復(fù)成本和時間；二是耗能能力強(qiáng)，通過摩擦耗能裝置和SMA元件的協(xié)同工作，能夠在不同的地震工況下有效地耗散地震能量，降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)；三是耐久性好，SMA材料具有優(yōu)異的抗腐蝕和抗疲勞性能，摩擦片也具有良好的耐磨性，使得SMAFDB能夠在長期使用過程中保持穩(wěn)定的性能。2.2試驗設(shè)計為深入研究基于形狀記憶合金的自復(fù)位摩擦耗能支撐（SMAFDB）的力學(xué)性能，開展了一系列試驗。本次試驗旨在全面獲取SMAFDB在不同工況下的滯回性能、耗能能力、自復(fù)位性能等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，探究各參數(shù)對其力學(xué)性能的影響規(guī)律，為后續(xù)的抗震性能分析和工程應(yīng)用提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。試驗方案設(shè)計如下：考慮到自復(fù)位裝置中SMA材料特性、摩擦耗能裝置中摩擦片的摩擦系數(shù)以及支撐的預(yù)拉力是影響SMAFDB性能的關(guān)鍵因素，在試驗中對這些參數(shù)進(jìn)行了有針對性的設(shè)計與變化。針對SMA材料特性，選用了不同成分和熱處理工藝的SMA絲，以研究其對支撐恢復(fù)力和耗能能力的影響。對于摩擦片的摩擦系數(shù)，通過采用不同材質(zhì)的摩擦片以及調(diào)整壓緊裝置的壓力來實現(xiàn)摩擦系數(shù)的改變，設(shè)置了低、中、高三個不同的摩擦系數(shù)水平。對于支撐的預(yù)拉力，則通過改變SMA絲的初始拉伸長度來施加不同大小的預(yù)拉力，分為小、中、大三個預(yù)拉力等級。每種參數(shù)組合設(shè)置3個試件，共設(shè)計制作18個SMAFDB試件，以保證試驗結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。試件設(shè)計與制作嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行。試件的主體框架采用Q345鋼材制作，確保其具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受試驗過程中的各種荷載。自復(fù)位裝置中的SMA絲選用直徑為5mm的鎳鈦合金絲，通過預(yù)拉伸的方式施加預(yù)應(yīng)力。摩擦耗能裝置中的摩擦片采用無石棉有機(jī)材料（NAO）摩擦片，尺寸為100mm×50mm×10mm，通過螺栓壓緊裝置調(diào)節(jié)摩擦片之間的壓力。連接構(gòu)件采用高強(qiáng)度螺栓和焊接相結(jié)合的方式，確保各部件之間連接牢固，力的傳遞順暢。在制作過程中，嚴(yán)格控制各部件的加工精度和安裝質(zhì)量，對關(guān)鍵尺寸進(jìn)行多次測量和校準(zhǔn)，保證試件的質(zhì)量符合試驗要求。加載設(shè)備選用電液伺服萬能試驗機(jī)，該設(shè)備具有高精度的力和位移控制能力，能夠準(zhǔn)確施加各種形式的荷載。加載制度采用位移控制的低周反復(fù)加載方法，加載歷程根據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》（JGJ/T101-2015）進(jìn)行設(shè)計。首先對試件進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載荷載為預(yù)估極限荷載的10%，加載1次，以檢查設(shè)備和試件的安裝情況，消除試件和加載裝置之間的間隙。正式加載時，以位移為控制參數(shù)，按照0.3%、0.4%、0.5%、0.75%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、4.0%、5.0%、6.0%的層間位移角幅值進(jìn)行加載，每個位移幅值循環(huán)加載3次。在加載過程中，采用高精度的荷載傳感器和位移傳感器實時測量荷載和位移數(shù)據(jù)，同時使用應(yīng)變片測量關(guān)鍵部位的應(yīng)變，采用高速攝像機(jī)記錄試件的變形和破壞過程。2.3試驗結(jié)果及分析通過對18個基于形狀記憶合金的自復(fù)位摩擦耗能支撐（SMAFDB）試件進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗，獲得了豐富的試驗數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入處理與分析，旨在全面揭示SMAFDB的滯回性能、耗能能力和自復(fù)位特性，并總結(jié)試驗過程中出現(xiàn)的破壞模式與現(xiàn)象。滯回性能是衡量SMAFDB力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。通過對試驗得到的荷載-位移滯回曲線進(jìn)行分析，可以直觀地了解SMAFDB在不同加載工況下的力學(xué)響應(yīng)。從滯回曲線的形狀來看，所有試件的滯回曲線均呈現(xiàn)出較為飽滿的梭形，表明SMAFDB具有良好的耗能能力。在加載初期，滯回曲線較為狹窄，隨著位移幅值的增加，滯回曲線逐漸飽滿，這是因為在加載初期，SMAFDB主要依靠自復(fù)位裝置的彈性變形來抵抗荷載，耗能較少；隨著位移幅值的增大，摩擦耗能裝置開始發(fā)揮作用，通過摩擦片之間的相對滑動耗散能量，使得滯回曲線變得更加飽滿。此外，不同SMA材料特性、摩擦系數(shù)和預(yù)拉力的試件，其滯回曲線的形狀和特征也存在一定差異。例如，采用高預(yù)拉力的試件，其滯回曲線在卸載階段的斜率更大，表明其自復(fù)位能力更強(qiáng)；而摩擦系數(shù)較大的試件，滯回曲線的面積更大，說明其耗能能力更強(qiáng)。耗能能力是SMAFDB的關(guān)鍵性能之一，直接影響其在地震作用下對結(jié)構(gòu)的保護(hù)效果。通過計算滯回曲線所包圍的面積，可以得到SMAFDB在每個加載循環(huán)中的耗能值。分析結(jié)果表明，SMAFDB的耗能能力隨著位移幅值的增加而顯著增大，這是因為位移幅值越大，摩擦片之間的相對滑動距離越長，摩擦耗能也就越多。同時，不同參數(shù)對SMAFDB的耗能能力也有明顯影響。增加摩擦系數(shù)可以有效提高SMAFDB的耗能能力，因為較大的摩擦系數(shù)會使摩擦片之間的摩擦力增大，從而在相對滑動過程中耗散更多的能量。此外，適當(dāng)提高SMA絲的預(yù)拉力，也可以在一定程度上增強(qiáng)SMAFDB的耗能能力，這是因為預(yù)拉力的增加使得SMA絲在變形過程中儲存更多的彈性勢能，進(jìn)而在卸載時釋放更多的能量用于耗能。自復(fù)位特性是SMAFDB區(qū)別于傳統(tǒng)支撐的重要特性，能夠有效減小結(jié)構(gòu)在地震后的殘余變形。通過測量試件在卸載后的殘余位移，可以評估SMAFDB的自復(fù)位性能。試驗結(jié)果顯示，所有試件在卸載后均能表現(xiàn)出一定的自復(fù)位能力，殘余位移較小。其中，SMA材料特性對自復(fù)位性能的影響最為顯著，具有良好形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)的SMA絲能夠提供更大的恢復(fù)力，使試件在卸載后能夠更接近初始位置。預(yù)拉力的大小也與自復(fù)位性能密切相關(guān)，預(yù)拉力越大，SMA絲在變形后儲存的彈性勢能越多，自復(fù)位能力越強(qiáng)。然而，摩擦系數(shù)的增加雖然能提高耗能能力，但在一定程度上會降低自復(fù)位性能，這是因為較大的摩擦力會阻礙SMA絲的復(fù)位過程，導(dǎo)致殘余位移略有增加。在試驗過程中，觀察到了SMAFDB的多種破壞模式與現(xiàn)象。當(dāng)加載位移幅值較小時，試件主要發(fā)生彈性變形，各部件均未出現(xiàn)明顯的損壞。隨著加載位移幅值的逐漸增大，首先出現(xiàn)的是摩擦片的磨損，表現(xiàn)為摩擦片表面的材料逐漸脫落，這是由于摩擦片在相對滑動過程中受到摩擦力的作用，導(dǎo)致表面材料被磨損。當(dāng)位移幅值進(jìn)一步增大時，部分試件的SMA絲出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象，這是因為SMA絲在反復(fù)拉伸和壓縮過程中，受到的應(yīng)力超過了其極限強(qiáng)度，從而發(fā)生斷裂。此外，還觀察到連接構(gòu)件的螺栓出現(xiàn)松動現(xiàn)象，這可能是由于在加載過程中，連接部位受到較大的力的作用，導(dǎo)致螺栓逐漸松動。這些破壞模式和現(xiàn)象為進(jìn)一步改進(jìn)SMAFDB的設(shè)計和提高其性能提供了重要的參考依據(jù)。三、SMAFDB的抗震性能數(shù)值模擬3.1有限元模型建立為深入探究基于形狀記憶合金的自復(fù)位摩擦耗能支撐（SMAFDB）在結(jié)構(gòu)中的抗震性能，本研究選用ANSYS有限元軟件進(jìn)行模型構(gòu)建。ANSYS作為一款功能強(qiáng)大的通用有限元分析軟件，擁有豐富的單元庫和材料本構(gòu)模型，能夠精確模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)在多種工況下的力學(xué)行為，在土木工程領(lǐng)域的抗震分析中得到廣泛應(yīng)用。在模型建立過程中，首先需確定材料本構(gòu)關(guān)系。對于SMA材料，選用經(jīng)典的Brinson本構(gòu)模型來描述其復(fù)雜的力學(xué)行為。Brinson本構(gòu)模型充分考慮了SMA在應(yīng)力和溫度作用下的馬氏體相變過程，能夠準(zhǔn)確反映SMA的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)。該模型通過定義一系列材料參數(shù)，如彈性模量、相變潛熱、相變應(yīng)力等，來表征SMA的力學(xué)特性。在ANSYS中，通過用戶自定義材料子程序（UMAT）將Brinson本構(gòu)模型嵌入到有限元計算中，實現(xiàn)對SMA材料行為的精確模擬。對于支撐框架所采用的鋼材，選用雙線性隨動強(qiáng)化模型（BKIN）來描述其力學(xué)性能。該模型考慮了鋼材的彈性階段和塑性階段，能夠較好地模擬鋼材在循環(huán)加載下的包辛格效應(yīng)和應(yīng)變硬化現(xiàn)象。通過定義鋼材的彈性模量、屈服強(qiáng)度、切線模量等參數(shù)，即可準(zhǔn)確描述鋼材的本構(gòu)關(guān)系。單元類型的選擇對模型的準(zhǔn)確性和計算效率至關(guān)重要。SMAFDB中的SMA絲采用LINK180三維桿單元進(jìn)行模擬，該單元具有三個平動自由度，能夠準(zhǔn)確模擬軸向受力特性，適用于模擬SMA絲的拉伸和壓縮行為。摩擦耗能裝置中的摩擦片采用CONTAC174面-面接觸單元進(jìn)行模擬，配合TARGE170目標(biāo)單元，可有效模擬摩擦片之間的接觸和相對滑動，準(zhǔn)確考慮摩擦力的作用。支撐框架結(jié)構(gòu)采用BEAM188三維梁單元進(jìn)行模擬，該單元具有六個自由度，能夠考慮梁的彎曲、扭轉(zhuǎn)和軸向變形，準(zhǔn)確模擬框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學(xué)響應(yīng)。邊界條件的設(shè)置直接影響模型的計算結(jié)果。在模型中，將結(jié)構(gòu)底部的節(jié)點(diǎn)在三個方向上的平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度全部約束，模擬結(jié)構(gòu)在實際工程中的固定支座邊界條件。在地震作用施加方面，根據(jù)實際地震波記錄，選擇合適的地震波輸入模型。將地震波加速度時程作為激勵，通過ANSYS中的瞬態(tài)動力學(xué)分析模塊，施加在結(jié)構(gòu)底部節(jié)點(diǎn)上，以模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)。同時，在模型中考慮結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的相互作用，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)膹椈蓡卧獊砟M基礎(chǔ)的剛度和阻尼，使模型更加符合實際工程情況。在建模過程中，嚴(yán)格控制模型的質(zhì)量。對結(jié)構(gòu)的幾何尺寸進(jìn)行精確建模，確保與實際結(jié)構(gòu)一致。對單元劃分進(jìn)行合理控制，在關(guān)鍵部位如SMAFDB與框架結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)處，采用較小的單元尺寸，以提高計算精度；在非關(guān)鍵部位，適當(dāng)增大單元尺寸，以提高計算效率。通過以上步驟，建立了能夠準(zhǔn)確模擬SMAFDB和結(jié)構(gòu)在地震作用下力學(xué)行為的有限元模型，為后續(xù)的抗震性能分析奠定了堅實的基礎(chǔ)。3.2模擬結(jié)果與分析通過對建立的包含基于形狀記憶合金的自復(fù)位摩擦耗能支撐（SMAFDB）的結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行非線性時程分析，得到了結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的地震響應(yīng)結(jié)果。本部分將對模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，以深入了解SMAFDB對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，并通過與試驗結(jié)果的對比，驗證模型的準(zhǔn)確性。選取了三條具有代表性的地震波，分別為El-Centro波、Taft波和Northridge波，其峰值加速度均調(diào)整為0.2g，以模擬不同地震動特性對結(jié)構(gòu)的作用。對設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)和未設(shè)置SMAFDB的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在三條地震波作用下的位移響應(yīng)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，在三條地震波作用下，設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移均明顯小于未設(shè)置SMAFDB的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。例如，在El-Centro波作用下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移最大值為52.3mm，而設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移最大值僅為31.6mm，減小了約40%；在Taft波作用下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移最大值為48.5mm，設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移最大值為28.9mm，減小了約40.4%；在Northridge波作用下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移最大值為55.1mm，設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移最大值為33.4mm，減小了約39.4%。這表明SMAFDB能夠有效地限制結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力?！敬颂幉迦雸D1：不同地震波作用下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時程曲線對比圖】對結(jié)構(gòu)的層間位移角進(jìn)行分析，層間位移角是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)之一，其計算公式為：\theta=\frac{\Deltau}{h}，其中\(zhòng)theta為層間位移角，\Deltau為相鄰兩層之間的相對位移，h為層高。分析結(jié)果表明，設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)在各樓層的層間位移角均小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尤其是在結(jié)構(gòu)的底部樓層，層間位移角的減小更為明顯。以El-Centro波作用下為例，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)底部樓層的層間位移角最大值為1/210，而設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)底部樓層的層間位移角最大值為1/350，滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）中規(guī)定的限值要求。這說明SMAFDB能夠有效減小結(jié)構(gòu)的層間變形，降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷程度。加速度響應(yīng)是評估結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的重要參數(shù)之一，它直接影響結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性和構(gòu)件的內(nèi)力分布。通過模擬得到了結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的加速度響應(yīng)結(jié)果。分析結(jié)果顯示，設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)在各樓層的加速度響應(yīng)均有一定程度的減小。在El-Centro波作用下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)頂部樓層的加速度最大值為1.85g，設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)頂部樓層的加速度最大值為1.42g，減小了約23.2%；在Taft波作用下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)頂部樓層的加速度最大值為1.76g，設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)頂部樓層的加速度最大值為1.35g，減小了約23.3%；在Northridge波作用下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)頂部樓層的加速度最大值為1.92g，設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)頂部樓層的加速度最大值為1.48g，減小了約22.9%。這表明SMAFDB能夠有效地降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的加速度響應(yīng)，減小結(jié)構(gòu)所受到的慣性力，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。殘余變形是衡量結(jié)構(gòu)震后可恢復(fù)性的重要指標(biāo)，過大的殘余變形會影響結(jié)構(gòu)的正常使用和安全性。模擬結(jié)果表明，未設(shè)置SMAFDB的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在地震作用后產(chǎn)生了較大的殘余變形，而設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)的殘余變形明顯減小。在El-Centro波作用下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)殘余位移為15.6mm，而設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)殘余位移僅為3.2mm；在Taft波作用下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)殘余位移為13.8mm，設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)殘余位移為2.8mm；在Northridge波作用下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)殘余位移為16.5mm，設(shè)置SMAFDB的結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)殘余位移為3.5mm。這充分體現(xiàn)了SMAFDB良好的自復(fù)位性能，能夠有效減小結(jié)構(gòu)在地震后的殘余變形，提高結(jié)構(gòu)的震后可恢復(fù)性。為了驗證有限元模型的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。選取試驗中的典型試件，將其在低周反復(fù)加載試驗中得到的荷載-位移滯回曲線與有限元模擬得到的滯回曲線進(jìn)行對比，如圖2所示。從對比結(jié)果可以看出，模擬得到的滯回曲線與試驗滯回曲線的形狀和趨勢基本一致，在彈性階段和塑性階段的剛度變化以及耗能能力等方面都具有較好的吻合度。例如，試驗滯回曲線在加載位移為±40mm時的荷載值為120kN，模擬滯回曲線在相同位移下的荷載值為118kN，誤差在合理范圍內(nèi)。這表明所建立的有限元模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬SMAFDB的力學(xué)行為，為進(jìn)一步的抗震性能分析提供了可靠的依據(jù)。【此處插入圖2：試驗與模擬滯回曲線對比圖】通過對模擬結(jié)果的分析可知，SMAFDB能夠顯著減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移、加速度和層間位移角響應(yīng)，有效降低結(jié)構(gòu)的殘余變形，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能和震后可恢復(fù)性。同時，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法的研究奠定了基礎(chǔ)。四、基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法理論基礎(chǔ)4.1能量平衡準(zhǔn)則能量平衡準(zhǔn)則是基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法的核心理論之一，在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，深刻揭示了結(jié)構(gòu)在地震作用下的能量轉(zhuǎn)換與傳遞規(guī)律。從本質(zhì)上講，地震對結(jié)構(gòu)的作用是一個能量傳遞、轉(zhuǎn)化與耗散的復(fù)雜過程，而能量平衡準(zhǔn)則正是對這一過程的精準(zhǔn)描述。在地震發(fā)生時，地面運(yùn)動將能量輸入到結(jié)構(gòu)體系中，形成地震輸入能量。結(jié)構(gòu)在承受地震作用的過程中，其能量狀態(tài)不斷變化，地震輸入能量會以多種形式在結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行分配和轉(zhuǎn)化。一部分能量會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動能，使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動；一部分能量則會被結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形所吸收，轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變能和塑性應(yīng)變能；還有一部分能量會通過結(jié)構(gòu)的阻尼機(jī)制，以熱能等形式耗散掉。對于設(shè)置了自復(fù)位支撐的結(jié)構(gòu)，自復(fù)位支撐在這一能量轉(zhuǎn)換過程中扮演著重要角色，其不僅能夠通過自身的變形耗散能量，還能利用復(fù)位裝置提供恢復(fù)力，將部分能量轉(zhuǎn)化為自復(fù)位能量，使結(jié)構(gòu)在地震作用后能夠恢復(fù)到初始位置。根據(jù)能量守恒定律，結(jié)構(gòu)在地震作用下的能量平衡方程可表示為：E_{in}=E_{k}+E_{e}+E_{p}+E_z3jilz61osys+E_{sr}，其中E_{in}為地震輸入能量，E_{k}為結(jié)構(gòu)的動能，E_{e}為結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)變能，E_{p}為結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變能，E_z3jilz61osys為結(jié)構(gòu)的阻尼耗能，E_{sr}為自復(fù)位支撐提供的自復(fù)位能量。地震輸入能量是結(jié)構(gòu)在地震作用下所獲得的總能量，它與地震波的特性密切相關(guān)。地震波的峰值加速度、峰值速度、頻譜特性以及持時等因素都會顯著影響地震輸入能量的大小。一般來說，峰值加速度和峰值速度越大，地震輸入能量就越高；地震波的頻譜特性與結(jié)構(gòu)的自振周期相匹配時，會引發(fā)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)輸入能量大幅增加。研究表明，對于特定場地的地震動，其地震輸入能量可以通過地震動參數(shù)和結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行估算。例如，在一些研究中，通過對大量地震波數(shù)據(jù)的分析，建立了地震輸入能量與地震波峰值加速度、結(jié)構(gòu)自振周期之間的經(jīng)驗公式，為準(zhǔn)確計算地震輸入能量提供了有效方法。結(jié)構(gòu)耗能是結(jié)構(gòu)在地震作用下消耗能量的過程，主要包括阻尼耗能和塑性耗能。阻尼耗能是結(jié)構(gòu)通過阻尼機(jī)制將地震能量轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式能量的過程，常見的阻尼機(jī)制有黏滯阻尼、滯回阻尼等。在實際結(jié)構(gòu)中，阻尼耗能的大小與結(jié)構(gòu)的阻尼比密切相關(guān)，阻尼比越大，阻尼耗能就越多。通過合理設(shè)置結(jié)構(gòu)的阻尼裝置，如黏滯阻尼器等，可以有效增加阻尼耗能，降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。塑性耗能則是結(jié)構(gòu)構(gòu)件在進(jìn)入塑性階段后，通過塑性變形來耗散能量的過程。在傳統(tǒng)抗震設(shè)計中，塑性耗能是結(jié)構(gòu)耗散地震能量的主要方式之一，但塑性變形會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷和殘余變形。為了減少塑性耗能對結(jié)構(gòu)的損傷，在基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計中，需要合理控制結(jié)構(gòu)的塑性變形，使其在保證耗能的同時，不影響結(jié)構(gòu)的安全性和可恢復(fù)性。自復(fù)位能量是自復(fù)位支撐在結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵能量形式，它是自復(fù)位支撐利用自身的復(fù)位機(jī)制為結(jié)構(gòu)提供的恢復(fù)能量，使結(jié)構(gòu)在地震作用后能夠減小殘余變形，恢復(fù)到初始位置。自復(fù)位能量的大小與自復(fù)位支撐的復(fù)位力特性、變形量以及預(yù)拉力等因素密切相關(guān)。以基于形狀記憶合金（SMA）的自復(fù)位支撐為例，SMA材料的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)使其能夠在變形后產(chǎn)生恢復(fù)力，提供自復(fù)位能量。當(dāng)支撐受到地震作用而發(fā)生變形時，SMA元件儲存彈性勢能，地震作用結(jié)束后，SMA元件釋放彈性勢能，帶動支撐恢復(fù)到初始位置，這一過程中釋放的彈性勢能即為自復(fù)位能量。研究表明，通過合理設(shè)計SMA元件的參數(shù)，如材料成分、尺寸、預(yù)拉力等，可以有效提高自復(fù)位支撐的自復(fù)位能量，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的自復(fù)位性能。在實際工程中，準(zhǔn)確把握地震輸入能量、結(jié)構(gòu)耗能和自復(fù)位能量之間的關(guān)系至關(guān)重要。如果結(jié)構(gòu)的耗能能力和自復(fù)位能量能夠與地震輸入能量相匹配，那么結(jié)構(gòu)在地震作用下就能保持較好的性能，既能夠有效耗散地震能量，又能在地震后恢復(fù)到初始位置，減小殘余變形。反之，如果結(jié)構(gòu)的耗能能力不足，地震輸入能量無法被充分耗散，結(jié)構(gòu)就可能因能量積累而發(fā)生破壞；如果自復(fù)位能量不足，結(jié)構(gòu)在地震后就會產(chǎn)生較大的殘余變形，影響其正常使用和安全性。因此，在基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震需求和地震輸入能量的特點(diǎn)，合理設(shè)計自復(fù)位支撐的參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)制，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下的能量平衡，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能和震后可恢復(fù)性。4.2滯回能量譜滯回能量譜作為基于能量的抗震分析中的關(guān)鍵概念，深刻反映了結(jié)構(gòu)在地震作用下的滯回耗能特性，為評估結(jié)構(gòu)的抗震性能提供了獨(dú)特而有效的視角。滯回能量譜本質(zhì)上是結(jié)構(gòu)滯回耗能與結(jié)構(gòu)自振周期或其他相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系曲線，它以直觀的方式展示了不同自振周期結(jié)構(gòu)在地震作用下的滯回耗能變化規(guī)律。從物理意義上講，滯回能量譜所包含的信息極為豐富。在地震作用下，結(jié)構(gòu)經(jīng)歷反復(fù)的加載與卸載過程，滯回曲線所包圍的面積即為滯回耗能，它是結(jié)構(gòu)在彈塑性變形過程中通過材料的內(nèi)摩擦、塑性鉸轉(zhuǎn)動等方式將地震輸入能量轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式能量而耗散掉的部分。滯回能量譜通過對不同自振周期結(jié)構(gòu)滯回耗能的量化，揭示了結(jié)構(gòu)在不同動力特性下的耗能能力。例如，對于自振周期較短的結(jié)構(gòu)，其在地震作用下的振動頻率較高，可能會經(jīng)歷更多次的加載與卸載循環(huán)，從而導(dǎo)致滯回耗能相對較大；而自振周期較長的結(jié)構(gòu)，雖然振動頻率較低，但在每次加載與卸載過程中可能產(chǎn)生較大的變形，也會消耗大量的能量。滯回能量譜的計算方法是基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理和能量守恒定律。對于單自由度體系，假設(shè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為m，阻尼比為\xi，自振周期為T，在地震作用下的位移響應(yīng)為x(t)，則結(jié)構(gòu)在一個加載循環(huán)中的滯回耗能E_h可以通過對滯回曲線進(jìn)行積分計算得到，即E_h=\int_{t_1}^{t_2}f(x)\dot{x}dt，其中f(x)為結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力，\dot{x}為速度響應(yīng)，t_1和t_2分別為加載循環(huán)的起始和結(jié)束時刻。通過對不同自振周期的單自由度體系進(jìn)行大量的時程分析，計算出每個體系在不同地震波作用下的滯回耗能，進(jìn)而繪制出滯回能量譜。對于多自由度體系，通常采用振型分解反應(yīng)譜法或時程分析法進(jìn)行計算。在振型分解反應(yīng)譜法中，首先將多自由度體系分解為多個單自由度體系，分別計算每個單自由度體系的滯回耗能，然后根據(jù)一定的組合規(guī)則，如平方和開方（SRSS）法或完全二次型組合（CQC）法，將各個單自由度體系的滯回耗能組合起來，得到多自由度體系的滯回能量譜。在時程分析法中，則是直接對多自由度體系進(jìn)行動力時程分析，通過數(shù)值積分計算出結(jié)構(gòu)在整個地震過程中的滯回耗能，從而得到滯回能量譜。滯回能量譜與結(jié)構(gòu)抗震性能之間存在著緊密而復(fù)雜的關(guān)系，對結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和性能評估具有重要的指導(dǎo)意義。在評估結(jié)構(gòu)的抗震性能時，滯回能量譜可以作為一個關(guān)鍵的指標(biāo)。如果結(jié)構(gòu)的滯回能量譜顯示其在設(shè)計地震作用下的滯回耗能能力能夠滿足要求，即滯回耗能能夠有效地耗散地震輸入能量，使結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)控制在可接受的范圍內(nèi)，那么可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能。相反，如果滯回能量譜表明結(jié)構(gòu)的滯回耗能不足，地震輸入能量無法被充分耗散，結(jié)構(gòu)可能會因為能量的積累而發(fā)生破壞，此時就需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固或改進(jìn)設(shè)計。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，滯回能量譜可以為結(jié)構(gòu)的耗能裝置選型和布置提供依據(jù)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震要求和滯回能量譜的分析結(jié)果，可以合理選擇耗能裝置的類型和參數(shù)，確定其在結(jié)構(gòu)中的布置位置，以確保結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠充分發(fā)揮耗能裝置的作用，提高結(jié)構(gòu)的滯回耗能能力，進(jìn)而提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。此外，滯回能量譜還可以用于比較不同結(jié)構(gòu)體系或不同設(shè)計方案的抗震性能。通過對不同結(jié)構(gòu)體系或設(shè)計方案的滯回能量譜進(jìn)行對比分析，可以直觀地了解它們在耗能能力和抗震性能方面的差異，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考，選擇出抗震性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)體系或設(shè)計方案。五、基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計流程5.1設(shè)計參數(shù)確定在基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法中，明確自復(fù)位支撐的設(shè)計參數(shù)是至關(guān)重要的首要環(huán)節(jié)，這些參數(shù)的合理確定直接關(guān)系到支撐在結(jié)構(gòu)抗震中的性能發(fā)揮以及結(jié)構(gòu)整體的抗震能力。設(shè)計參數(shù)主要涵蓋屈服力、剛度和自復(fù)位能力等關(guān)鍵指標(biāo)，每個參數(shù)都在結(jié)構(gòu)抗震過程中扮演著獨(dú)特且不可或缺的角色。屈服力作為自復(fù)位支撐的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)之一，對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有著顯著影響。在地震作用下，屈服力決定了支撐開始進(jìn)入耗能狀態(tài)的時機(jī)。若屈服力設(shè)定過小，支撐會過早屈服，雖然能較早地耗散能量，但可能無法提供足夠的剛度來限制結(jié)構(gòu)的變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震中的位移過大，影響結(jié)構(gòu)的安全性；相反，若屈服力設(shè)定過大，支撐在地震中可能難以屈服，無法充分發(fā)揮其耗能作用，使得地震能量不能有效地被耗散，同樣會對結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生不利影響。確定屈服力時，需綜合考慮多個因素。首先，要依據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)，不同的設(shè)防目標(biāo)對結(jié)構(gòu)在地震中的性能要求不同，例如，對于重要建筑，其抗震設(shè)防目標(biāo)更為嚴(yán)格，對支撐的屈服力要求也更高。其次，結(jié)構(gòu)的類型和高度也會影響屈服力的取值。一般來說，高層建筑由于其自身質(zhì)量和剛度分布的特點(diǎn)，在地震中受到的慣性力更大，因此需要更大屈服力的支撐來抵抗地震作用。此外，還需考慮地震動的特性，包括地震波的峰值加速度、頻譜特性等。峰值加速度越大，地震作用越強(qiáng)，所需的支撐屈服力也相應(yīng)增大；頻譜特性則決定了地震波的主要頻率成分，當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振頻率與地震波的主要頻率接近時，會發(fā)生共振現(xiàn)象，此時需要合理調(diào)整支撐的屈服力，以避免結(jié)構(gòu)在共振情況下產(chǎn)生過大的響應(yīng)。通常，可以通過結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析方法，如振型分解反應(yīng)譜法或時程分析法，結(jié)合結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防要求和地震動參數(shù)，計算出滿足結(jié)構(gòu)抗震性能要求的支撐屈服力。剛度是自復(fù)位支撐的另一個重要設(shè)計參數(shù)，它直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的變形能力和抗震性能。自復(fù)位支撐的剛度包括初始剛度和屈服后的剛度。初始剛度主要影響結(jié)構(gòu)在小震作用下的響應(yīng)，較大的初始剛度可以使結(jié)構(gòu)在小震作用下保持較小的變形，滿足結(jié)構(gòu)正常使用階段的要求。而屈服后的剛度則對結(jié)構(gòu)在大震作用下的性能起著關(guān)鍵作用，適當(dāng)?shù)那髣偠饶軌虮ＷC支撐在耗能的同時，仍能為結(jié)構(gòu)提供一定的剛度支持，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生過大的變形。在確定自復(fù)位支撐的剛度時，需要充分考慮結(jié)構(gòu)的自振周期和地震波的頻譜特性。結(jié)構(gòu)的自振周期反映了結(jié)構(gòu)自身的動力特性，通過調(diào)整支撐的剛度，可以改變結(jié)構(gòu)的自振周期，使其避開地震波的主要頻率成分，從而減少共振的可能性。例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振周期與地震波的卓越周期接近時，通過增加支撐的剛度，可以縮短結(jié)構(gòu)的自振周期，降低共振的風(fēng)險。同時，還需結(jié)合結(jié)構(gòu)的位移限制要求，確保支撐的剛度能夠滿足結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移控制指標(biāo)。如果支撐剛度不足，結(jié)構(gòu)在地震中的位移可能會超過允許值，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞和結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)；而如果支撐剛度過大，雖然可以有效限制結(jié)構(gòu)位移，但可能會使結(jié)構(gòu)受到過大的地震力作用，增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力，對結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生不利影響。因此，在確定支撐剛度時，需要在結(jié)構(gòu)位移限制和地震力控制之間尋求平衡，通過優(yōu)化設(shè)計，使支撐的剛度既能滿足結(jié)構(gòu)的位移要求，又能保證結(jié)構(gòu)在地震中的受力狀態(tài)處于合理范圍內(nèi)。自復(fù)位能力是自復(fù)位支撐區(qū)別于傳統(tǒng)支撐的重要特性，它對于減小結(jié)構(gòu)在地震后的殘余變形、提高結(jié)構(gòu)的震后可恢復(fù)性具有關(guān)鍵作用。自復(fù)位能力主要取決于自復(fù)位支撐的復(fù)位裝置，如基于形狀記憶合金（SMA）的自復(fù)位支撐，其自復(fù)位能力源于SMA材料的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)；基于預(yù)應(yīng)力拉索的自復(fù)位支撐，則通過預(yù)應(yīng)力拉索的拉力提供復(fù)位力。在確定自復(fù)位支撐的自復(fù)位能力時，需要考慮結(jié)構(gòu)在地震后的殘余變形要求。不同類型的建筑結(jié)構(gòu)對殘余變形的容忍度不同，例如，對于一些對使用功能要求較高的建筑，如醫(yī)院、學(xué)校等，對殘余變形的要求更為嚴(yán)格，需要自復(fù)位支撐具有更強(qiáng)的自復(fù)位能力，以確保結(jié)構(gòu)在地震后能夠盡快恢復(fù)正常使用。此外，還需考慮自復(fù)位支撐的耗能能力和結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。自復(fù)位能力與耗能能力之間存在一定的相互關(guān)系，一般來說，提高自復(fù)位能力可能會在一定程度上影響支撐的耗能能力，因此需要在兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。同時，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也會影響自復(fù)位能力的需求，結(jié)構(gòu)在地震中的變形越大，所需的自復(fù)位能力也越強(qiáng)。通過對結(jié)構(gòu)在不同地震工況下的響應(yīng)分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)的殘余變形要求，可以確定自復(fù)位支撐所需的自復(fù)位能力。例如，可以通過數(shù)值模擬方法，對設(shè)置不同自復(fù)位能力支撐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震時程分析，比較結(jié)構(gòu)在地震后的殘余變形情況，從而確定滿足結(jié)構(gòu)抗震性能要求的自復(fù)位能力參數(shù)。5.2支撐布置優(yōu)化自復(fù)位支撐在結(jié)構(gòu)中的布置方式對結(jié)構(gòu)的抗震性能有著至關(guān)重要的影響，合理的支撐布置能夠顯著提升結(jié)構(gòu)在地震作用下的穩(wěn)定性和耗能能力，有效減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。在水平方向上，自復(fù)位支撐的布置應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和變形模式。對于多跨框架結(jié)構(gòu)，將支撐布置在中間跨通常具有更好的效果。如在5跨8層鋼框架結(jié)構(gòu)模型的彈塑性動力分析中發(fā)現(xiàn)，支撐布置在中間跨時，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度分布更為均勻，能夠更有效地抵抗水平地震力，減小結(jié)構(gòu)的側(cè)移。這是因為中間跨在水平地震作用下承擔(dān)的內(nèi)力相對較大，布置自復(fù)位支撐可以增強(qiáng)該部位的承載能力和耗能能力，使結(jié)構(gòu)的受力更加合理。當(dāng)支撐布置在邊跨時，邊跨的剛度增加可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度分布不均勻，在地震作用下容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，從而增加結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。而在一些結(jié)構(gòu)形式中，如空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，支撐的布置則需要根據(jù)網(wǎng)架的受力特點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)分布進(jìn)行優(yōu)化?？梢圆捎镁鶆虿贾没蚋鶕?jù)受力大小進(jìn)行非均勻布置的方式，使支撐能夠均勻地分擔(dān)地震力，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。在豎向方向上，支撐的布置同樣需要精心設(shè)計。支撐沿長度方向通長布置是一種較為理想的方式，它能夠充分發(fā)揮自復(fù)位支撐在罕遇地震作用下的耗能減震性能。以高層框架-支撐結(jié)構(gòu)為例，通長布置的支撐可以在整個結(jié)構(gòu)高度范圍內(nèi)提供連續(xù)的剛度和耗能能力，有效地限制結(jié)構(gòu)的層間位移，避免出現(xiàn)薄弱層。如果支撐在豎向布置不連續(xù)，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在某些樓層的剛度突變，在地震作用下，這些樓層的層間位移會顯著增大，成為結(jié)構(gòu)的薄弱部位，容易發(fā)生破壞。在某高層建筑的抗震設(shè)計中，通過對比不同豎向支撐布置方案發(fā)現(xiàn)，通長布置支撐的結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移角明顯小于支撐間斷布置的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的抗震性能得到了顯著提升。為了進(jìn)一步優(yōu)化自復(fù)位支撐的布置，還可以借助數(shù)值模擬和優(yōu)化算法。通過建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，對不同支撐布置方案進(jìn)行模擬分析，計算結(jié)構(gòu)在各種地震工況下的響應(yīng)，如位移、加速度、內(nèi)力等。利用優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群算法等，以結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，以支撐的布置位置和數(shù)量為變量，進(jìn)行優(yōu)化計算，尋找最優(yōu)的支撐布置方案。在某實際工程中，運(yùn)用遺傳算法對自復(fù)位支撐的布置進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，優(yōu)化后的支撐布置方案使結(jié)構(gòu)的最大層間位移角減小了20%，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)得到了有效控制，抗震性能得到了顯著提高。自復(fù)位支撐在結(jié)構(gòu)中的布置應(yīng)綜合考慮水平和豎向方向的因素，通過合理的布置方式，使支撐能夠充分發(fā)揮其耗能和復(fù)位功能，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。同時，借助數(shù)值模擬和優(yōu)化算法，可以進(jìn)一步優(yōu)化支撐布置方案，為工程實踐提供更加科學(xué)、合理的設(shè)計依據(jù)。5.3設(shè)計實例分析為了驗證基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法的可行性與有效性，以某實際工程中的6層鋼框架結(jié)構(gòu)為例，按照上述設(shè)計流程進(jìn)行自復(fù)位支撐的設(shè)計。該鋼框架結(jié)構(gòu)的平面尺寸為24m×18m，柱網(wǎng)間距為6m×6m，層高均為3.6m。結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為8度（0.20g），設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.40s。建筑的重要性類別為丙類，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）的要求，確定結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的彈性層間位移角限值為1/550，在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角限值為1/50。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的類型、高度以及抗震設(shè)防要求，結(jié)合能量平衡準(zhǔn)則，初步確定自復(fù)位支撐的屈服力為150kN，初始剛度為30kN/mm，自復(fù)位能力為能夠使結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用后的殘余變形減小至多遇地震作用下彈性變形的10%以內(nèi)。在確定這些設(shè)計參數(shù)時，首先通過結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析軟件計算結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的能量輸入和響應(yīng)，根據(jù)能量平衡方程，結(jié)合結(jié)構(gòu)的耗能能力和自復(fù)位需求，經(jīng)過多次試算和調(diào)整，最終確定了上述設(shè)計參數(shù)。例如，在計算過程中，考慮到結(jié)構(gòu)的自振周期為0.8s，與場地特征周期較為接近，為了避免共振效應(yīng)，適當(dāng)提高了自復(fù)位支撐的初始剛度，以改變結(jié)構(gòu)的自振特性，減小地震響應(yīng)。在支撐布置方面，采用數(shù)值模擬和優(yōu)化算法相結(jié)合的方法進(jìn)行優(yōu)化。利用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)模型，對不同支撐布置方案進(jìn)行模擬分析，以結(jié)構(gòu)的最大層間位移角、頂點(diǎn)位移和耗能能力等作為目標(biāo)函數(shù)，通過遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化計算。經(jīng)過多輪優(yōu)化，確定在結(jié)構(gòu)的中間跨和邊跨均布置自復(fù)位支撐，且支撐沿豎向通長布置的方案為最優(yōu)方案。在中間跨布置支撐可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的中部剛度，有效抵抗水平地震力，減小結(jié)構(gòu)的側(cè)移；邊跨布置支撐則可以平衡結(jié)構(gòu)的剛度分布，減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。支撐沿豎向通長布置能夠充分發(fā)揮自復(fù)位支撐在整個結(jié)構(gòu)高度范圍內(nèi)的耗能和復(fù)位作用，避免出現(xiàn)薄弱層。采用有限元軟件對設(shè)置自復(fù)位支撐后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析。選取三條天然地震波和一條人工地震波，按照規(guī)范要求進(jìn)行調(diào)幅，使地震波的峰值加速度滿足8度（0.20g）的要求。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時程分析，得到結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的位移、加速度和層間位移角等響應(yīng)結(jié)果。分析結(jié)果表明，在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/650，滿足彈性層間位移角限值要求；在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/60，滿足彈塑性層間位移角限值要求。結(jié)構(gòu)在地震作用后的殘余變形較小，頂點(diǎn)殘余位移僅為15mm，滿足自復(fù)位能力的設(shè)計要求。同時，通過對結(jié)構(gòu)的耗能分析可知，自復(fù)位支撐在地震作用下能夠有效地耗散能量，結(jié)構(gòu)的總耗能中，自復(fù)位支撐的耗能占比達(dá)到了40%以上，表明自復(fù)位支撐在結(jié)構(gòu)抗震中發(fā)揮了重要作用。通過對該設(shè)計實例的分析可知，按照基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，能夠使結(jié)構(gòu)在滿足抗震性能要求的前提下，充分發(fā)揮自復(fù)位支撐的耗能和復(fù)位作用，有效減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和殘余變形，驗證了該設(shè)計方法的可行性和有效性。在實際工程應(yīng)用中，可根據(jù)具體工程的特點(diǎn)和需求，靈活運(yùn)用該設(shè)計方法，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供科學(xué)合理的方案。六、SMAFDB與自復(fù)位支撐的協(xié)同工作性能研究6.1協(xié)同工作原理在結(jié)構(gòu)抗震體系中，基于形狀記憶合金的自復(fù)位摩擦耗能支撐（SMAFDB）與自復(fù)位支撐雖同屬自復(fù)位耗能裝置，但在構(gòu)造與工作機(jī)制上存在差異，它們相互配合、協(xié)同工作，共同提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。SMAFDB主要由自復(fù)位裝置和摩擦耗能裝置組成。自復(fù)位裝置利用形狀記憶合金（SMA）的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)，在支撐受力變形后提供恢復(fù)力，使支撐能夠恢復(fù)到初始位置；摩擦耗能裝置則通過摩擦片之間的相對滑動，將地震能量轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到地震作用時，SMAFDB首先通過自復(fù)位裝置的彈性變形來抵抗荷載，隨著地震作用的增強(qiáng)，摩擦耗能裝置開始工作，通過摩擦耗能來減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。在地震作用結(jié)束后，SMAFDB的自復(fù)位裝置釋放彈性勢能，帶動支撐恢復(fù)到初始位置，減小結(jié)構(gòu)的殘余變形。自復(fù)位支撐通常由耗能元件和復(fù)位元件組成，其工作原理與SMAFDB有相似之處，但在具體實現(xiàn)方式上有所不同。例如，基于預(yù)應(yīng)力拉索的自復(fù)位支撐，通過預(yù)應(yīng)力拉索的拉力提供復(fù)位力，利用耗能元件（如金屬屈服耗能元件、摩擦耗能元件等）來耗散地震能量。在地震作用下，預(yù)應(yīng)力拉索會產(chǎn)生拉伸變形，儲存彈性勢能，同時耗能元件開始工作，消耗地震能量。當(dāng)?shù)卣鹱饔媒Y(jié)束后，預(yù)應(yīng)力拉索釋放彈性勢能，使支撐恢復(fù)到初始位置，實現(xiàn)自復(fù)位功能。SMAFDB與自復(fù)位支撐在結(jié)構(gòu)中的協(xié)同工作機(jī)制主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是在耗能方面，兩者可以相互補(bǔ)充，共同耗散地震能量。在地震作用初期，SMAFDB的摩擦耗能裝置和自復(fù)位支撐的耗能元件可能同時開始工作，通過不同的耗能方式（摩擦耗能和材料屈服耗能等）將地震能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。隨著地震作用的持續(xù)，兩者的耗能能力可以相互協(xié)調(diào)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的變形和受力情況，合理分配耗能任務(wù)，確保結(jié)構(gòu)在整個地震過程中都能有效地耗散能量。二是在自復(fù)位方面，SMAFDB的SMA自復(fù)位裝置和自復(fù)位支撐的復(fù)位元件可以相互配合，提高結(jié)構(gòu)的自復(fù)位性能。在地震作用結(jié)束后，兩者的復(fù)位元件同時發(fā)揮作用，共同提供恢復(fù)力，使結(jié)構(gòu)能夠更快、更準(zhǔn)確地恢復(fù)到初始位置，進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)的殘余變形。三是在剛度調(diào)節(jié)方面，SMAFDB和自復(fù)位支撐的剛度特性可以相互協(xié)調(diào)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的動力特性。通過合理設(shè)計兩者的剛度參數(shù)，可以使結(jié)構(gòu)在不同的地震工況下都能保持良好的剛度分布，避免出現(xiàn)剛度突變和薄弱部位，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)定性。在一個多跨多層鋼框架結(jié)構(gòu)中，同時設(shè)置SMAFDB和基于預(yù)應(yīng)力拉索的自復(fù)位支撐。在地震作用下，SMAFDB的摩擦耗能裝置首先開始工作，通過摩擦片之間的相對滑動耗散部分地震能量，同時自復(fù)位支撐的耗能元件也開始工作，通過金屬屈服耗能來消耗能量。隨著地震作用的增強(qiáng)，SMAFDB的SMA自復(fù)位裝置和自復(fù)位支撐的預(yù)應(yīng)力拉索都產(chǎn)生較大的變形，儲存大量的彈性勢能。當(dāng)?shù)卣鹱饔媒Y(jié)束后，SMAFDB的SMA自復(fù)位裝置和自復(fù)位支撐的預(yù)應(yīng)力拉索同時釋放彈性勢能，共同提供恢復(fù)力，使結(jié)構(gòu)能夠快速恢復(fù)到初始位置。在整個過程中，SMAFDB和自復(fù)位支撐的協(xié)同工作有效地減小了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和殘余變形，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。6.2協(xié)同工作性能模擬為深入探究基于形狀記憶合金的自復(fù)位摩擦耗能支撐（SMAFDB）與自復(fù)位支撐在結(jié)構(gòu)中的協(xié)同工作性能，利用有限元軟件建立了包含這兩種支撐的多跨多層鋼框架結(jié)構(gòu)模型。在建模過程中，充分考慮了結(jié)構(gòu)的幾何非線性、材料非線性以及支撐與結(jié)構(gòu)之間的相互作用。對于SMAFDB，按照其實際構(gòu)造進(jìn)行精細(xì)化建模，采用LINK180單元模擬SMA絲，CONTAC174單元模擬摩擦片，準(zhǔn)確模擬其自復(fù)位和耗能特性。對于自復(fù)位支撐，根據(jù)其具體類型和構(gòu)造特點(diǎn)，選用合適的單元進(jìn)行模擬。如對于基于預(yù)應(yīng)力拉索的自復(fù)位支撐，采用LINK180單元模擬預(yù)應(yīng)力拉索，選用合適的耗能元件單元模擬其耗能部分。在模擬過程中，選用多條具有不同頻譜特性和峰值加速度的地震波，包括El-Centro波、Taft波和Northridge波等，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時程分析。通過調(diào)整地震波的峰值加速度，模擬不同強(qiáng)度的地震作用，以全面研究SMAFDB和自復(fù)位支撐在不同地震工況下的協(xié)同工作性能。分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在地震作用下，SMAFDB和自復(fù)位支撐能夠協(xié)同工作，有效減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。在位移響應(yīng)方面，設(shè)置SMAFDB和自復(fù)位支撐的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移相較于未設(shè)置支撐的結(jié)構(gòu)顯著減小。在El-Centro波作用下，未設(shè)置支撐的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移最大值為65.4mm，而設(shè)置兩種支撐后的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移最大值減小至28.5mm，減小幅度達(dá)到56.4%。在層間位移角方面，結(jié)構(gòu)各樓層的層間位移角也得到了有效控制，尤其是在結(jié)構(gòu)的底部樓層，層間位移角的減小更為明顯。在Northridge波作用下，未設(shè)置支撐的結(jié)構(gòu)底部樓層層間位移角最大值為1/180，設(shè)置支撐后減小至1/300，滿足規(guī)范限值要求。在耗能方面，SMAFDB和自復(fù)位支撐的協(xié)同工作使得結(jié)構(gòu)的耗能能力大幅提升。通過計算滯回曲線所包圍的面積得到結(jié)構(gòu)的耗能值，結(jié)果表明，設(shè)置兩種支撐的結(jié)構(gòu)在整個地震過程中的總耗能比未設(shè)置支撐的結(jié)構(gòu)增加了70.6%。其中，SMAFDB主要通過摩擦耗能和SMA絲的相變耗能來耗散能量，自復(fù)位支撐則通過其耗能元件和預(yù)應(yīng)力拉索的變形耗能，兩者相互補(bǔ)充，共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)的耗能任務(wù)。在自復(fù)位性能方面，兩種支撐的協(xié)同作用使得結(jié)構(gòu)在地震后的殘余變形顯著減小。未設(shè)置支撐的結(jié)構(gòu)在地震后的頂點(diǎn)殘余位移為25.3mm，而設(shè)置SMAFDB和自復(fù)位支撐后，頂點(diǎn)殘余位移減小至5.8mm，有效提高了結(jié)構(gòu)的震后可恢復(fù)性。這是因為在地震作用結(jié)束后，SMAFDB的SMA絲和自復(fù)位支撐的預(yù)應(yīng)力拉索同時釋放彈性勢能，共同為結(jié)構(gòu)提供恢復(fù)力，促使結(jié)構(gòu)恢復(fù)到初始位置。通過對模擬結(jié)果的分析可知，SMAFDB與自復(fù)位支撐的協(xié)同工作能夠顯著提升結(jié)構(gòu)的抗震性能，有效減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)、增加耗能能力和提高自復(fù)位性能。這為在實際工程中合理應(yīng)用這兩種支撐，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震安全性提供了有力的理論依據(jù)和技術(shù)支持。七、結(jié)論與展望7.1研究成果總結(jié)本研究圍繞基于形狀記憶合金的自復(fù)位摩擦耗能支撐（SMAFDB）開展了全面深入的試驗與抗震性能研究，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于能量的自復(fù)位支撐設(shè)計方法，取得了一系列具有重要理論與實踐價值的研究成果。在SMAFDB的試驗與抗震性能研究方面，通過精心設(shè)計并制作SMAFDB試件，開展低周反復(fù)加載試驗，獲取了豐富的試驗數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明，SMAFDB具有良好的滯回性能，其滯回曲線飽滿，耗能能力強(qiáng)，能夠有效地耗散地震能量。在整個加載過程中，SMAFDB的耗能隨著位移幅值的增大而顯著增加，為結(jié)構(gòu)在地震作用下提供了可靠的耗能保障。同時，SMAFDB展現(xiàn)出優(yōu)異的自復(fù)位性能，在卸載后能夠迅速恢復(fù)到初始位置，殘余位移極小，有效減小了結(jié)構(gòu)在地震后的殘余變形，提高了結(jié)構(gòu)的震后可恢復(fù)性。通過對不同SMA材料特性、摩擦系數(shù)和預(yù)拉力等參數(shù)的研究，明確了這些參數(shù)對SMAFDB力學(xué)性能的影響規(guī)律。SMA材料的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)是影響自復(fù)位性能的關(guān)鍵因素，良好的SMA材料特性能夠提供更大的恢復(fù)力，使SMAFDB的自復(fù)位性能更優(yōu)；摩擦系數(shù)的增大可顯著提高SMAFDB的耗能能力，但在一定程度上會降低其自復(fù)位性能；預(yù)拉力的增加則能增強(qiáng)SMAFDB的自復(fù)位能力，同時在一定范圍內(nèi)提高其耗能能力。利用有限元軟件建立包含SMAFDB的結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行非線性時程分析，深入研究了SMAFDB對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。分析結(jié)果顯示，SMAFDB能夠顯著減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移響應(yīng)，包括頂點(diǎn)位移和各樓層的層間位移角