基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點抗震性能的深度剖析與創新應用一、引言1.1研究背景與意義地震，作為一種極具破壞力的自然災害，始終威脅著人類的生命財產安全與社會的穩定發展。近年來，全球范圍內地震頻發，如2024年12月17日，瓦努阿圖群島發生7.2級地震，該國首都的部分建筑遭到不同程度的破壞；2024年9月以來，埃塞俄比亞阿法爾州阿瓦什地區頻繁發生地震，截至2025年1月2日，已有超過30所房屋倒塌，多處地面出現裂縫，數千名居民逃往鄰近地區。這些地震不僅造成了大量建筑物的倒塌與損壞，還導致了嚴重的人員傷亡和巨大的經濟損失，使得無數家庭支離破碎，社會經濟發展遭受重創。在地震災害中，建筑結構的破壞是導致人員傷亡和財產損失的主要原因之一。傳統的建筑結構在地震作用下，往往通過結構構件的塑性變形來耗散能量，這種方式雖然能夠在一定程度上抵抗地震力，但也會導致結構構件產生不可恢復的損傷。一旦損傷嚴重，建筑結構的承載能力和穩定性將大幅下降，甚至可能發生倒塌，而且震后修復難度極大，修復成本高昂，有些建筑甚至因損壞過于嚴重而無法修復，只能拆除重建。為了提高建筑結構的抗震性能，減少地震災害帶來的損失，自復位柱腳節點結合SMA阻尼器的研究應運而生。自復位柱腳節點能夠在地震作用下，通過自身的構造特點，使結構在地震后恢復到初始位置，有效減少結構的殘余變形，從而降低震后修復的難度和成本，提高建筑結構的安全性和可恢復性。而SMA阻尼器，作為一種新型的智能阻尼器，具有獨特的形狀記憶效應和超彈性特性。在地震作用下，SMA阻尼器能夠通過自身的變形耗散大量的地震能量，同時利用其形狀記憶效應，在地震結束后恢復到初始狀態，為結構提供自復位能力。將SMA阻尼器與自復位柱腳節點相結合，能夠充分發揮兩者的優勢，進一步提升建筑結構的抗震性能和震后功能恢復能力。因此，對基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點抗震性能的研究具有重要的現實意義。從學術理論角度來看，該研究有助于深入揭示自復位柱腳節點與SMA阻尼器協同工作的抗震機理，完善建筑結構抗震理論體系，為后續的相關研究提供理論基礎和參考依據；從工程實踐角度而言，研究成果可以為建筑結構的抗震設計提供新的思路和方法，指導工程師設計出更加安全、可靠、經濟且具有良好震后恢復能力的建筑結構，從而有效降低地震災害對人類社會的影響，保障人民生命財產安全，促進社會的可持續發展。1.2國內外研究現狀1.2.1SMA阻尼器的研究現狀形狀記憶合金（SMA）作為一種新型智能材料，因其獨特的形狀記憶效應和超彈性特性，在土木工程領域的應用研究日益廣泛，特別是在阻尼器方面取得了顯著進展。早在1932年，SMA被ArneOlander首次發現，隨后經過多年研究，1963年WilliamBuehler和FrederickWang在鎳鈦（Ni-Ti）合金中發現了形狀記憶效應（SME），從此SMA開始得到廣泛關注和應用。SMA的形狀記憶效應是指材料在低溫或受到應力作用時，經受塑性變形，在溫度升高或應力降低時，能夠恢復原來的形狀；超彈性特性則表現為在應力作用下發生大量可逆變形，應力卸載后能完全恢復到原始狀態，不會留下永久性變形，這兩種特性使得SMA在阻尼器的應用中具有巨大潛力。在SMA阻尼器的結構設計方面，學者們進行了大量研究并取得了豐富成果。例如，中國建筑第六工程局有限公司申請的“一種新型SMA環形彈簧阻尼器”專利，通過獨特的結構設計，有效減小了阻尼器小位移變形時對形狀記憶合金的損耗，在阻尼器大位移變形時充分發揮形狀記憶合金的滯回耗能能力和受壓能力，具有自復位能力，裝置穩定可靠，位移過大時能充分發揮自鎖作用。陜西建工控股集團未來城市創新科技有限公司成功獲得的“一種變摩擦自復位SMA阻尼器”專利，結合了豎擋板、摩擦板、推拉桿等多個關鍵部件，能夠在外力作用下有效調節摩擦力，隨著外荷載的增大，摩擦力也隨之增強，這種設計不僅使得SMA棒始終處于受拉狀態，也確保了其最大限度的抗拉性能，提高了建筑的整體抗震能力。屈俊童、李正鑫等人研制的新型筒式自復位SMA-摩擦阻尼器，利用形狀記憶合金與摩擦板協同工作耗能，具有穩定的滯回性能和良好的耗能能力，殘余位移控制在26.25%以內，形狀記憶合金絲的設置能使阻尼器具有良好的自復位能力。在SMA阻尼器的力學性能研究上，眾多學者通過試驗和數值模擬等方法深入探究。研究表明，SMA阻尼器的耗能能力和自復位性能受多種因素影響，如SMA材料的相變溫度、變形量、彈性模量、阻尼系數等，以及阻尼器的幾何尺寸、預應力等參數。通過合理調整這些參數，可以優化SMA阻尼器的性能，使其在不同的地震工況下都能發揮良好的作用。1.2.2自復位柱腳節點的研究現狀自復位柱腳節點作為提高建筑結構抗震性能和震后可恢復性的關鍵技術，近年來受到了國內外學者的廣泛關注，相關研究不斷深入。國外在自復位柱腳節點的研究起步較早，取得了一系列具有代表性的成果。例如，部分研究通過在柱腳節點中設置預應力筋，利用預應力筋的彈性恢復力實現節點的自復位功能。試驗和理論分析表明，這種自復位柱腳節點能夠有效減少結構在地震后的殘余變形，提高結構的抗震性能。然而，此類節點在耗能方面存在一定不足，在強烈地震作用下，僅依靠預應力筋的耗能難以滿足結構的抗震需求。國內學者也在自復位柱腳節點領域開展了大量研究工作，并取得了顯著進展。西安建筑科技大學朱麗華教授團隊提出了一種新型腹板摩擦式自復位鋼管混凝土柱—鋼梁連接節點，通過理論推導、試驗研究和有限元模擬，研究了在變軸力作用下自復位節點的抗震性能。研究結果表明，較大軸力和變軸力試件耗能更大，殘余變形明顯，自復位能力降低。在提出的自復位組合結構節點基礎上引入超彈性SMA螺桿作為復位元件，并對該節點進行低周反復加載試驗，分析軸壓比、SMA螺桿預應變、腹板摩擦螺栓的預緊力以及余震對節點性能的影響，結果表明SMA自復位節點具有良好的自復位和耗能能力，此外，SMA自復位節點具有良好的抗余震性能和可修復性。在自復位柱腳節點的設計理論和方法方面，目前已初步形成了一套基于力學原理和試驗研究的設計體系，但仍存在一些需要進一步完善的地方。例如，如何更加準確地考慮節點在復雜受力狀態下的力學性能，以及如何優化節點的構造設計，以提高節點的可靠性和施工便利性等，都是亟待解決的問題。1.2.3SMA阻尼器與自復位柱腳節點結合的研究現狀將SMA阻尼器與自復位柱腳節點相結合，是進一步提升建筑結構抗震性能的新途徑，目前該領域的研究尚處于發展階段。部分研究嘗試將SMA阻尼器應用于自復位柱腳節點中，通過SMA阻尼器的耗能特性和自復位特性，與自復位柱腳節點的自復位功能協同工作，以提高節點的抗震性能。研究結果表明，這種結合方式能夠有效增加節點的耗能能力，進一步減小結構在地震后的殘余變形，提高結構的抗震可靠性。然而，目前對于SMA阻尼器與自復位柱腳節點的協同工作機理研究還不夠深入，缺乏系統的理論分析和試驗驗證。在節點的設計方法和參數優化方面，也尚未形成成熟的體系，需要進一步開展研究。1.2.4研究現狀總結與不足綜上所述，國內外在SMA阻尼器和自復位柱腳節點的研究方面都取得了一定的成果，但在將兩者結合的研究中仍存在一些不足與空白。在SMA阻尼器研究方面，雖然結構設計和力學性能研究取得進展，但不同類型SMA阻尼器在復雜地震環境下長期性能穩定性研究較少，缺乏統一的性能評價標準，不同阻尼器性能難以對比。在自復位柱腳節點研究方面，節點在復雜受力狀態下的力學性能準確分析方法有待完善，構造設計優化及施工便利性提升方面仍需深入研究。在SMA阻尼器與自復位柱腳節點結合研究方面，兩者協同工作機理研究不夠深入，缺乏系統理論分析和試驗驗證，設計方法和參數優化尚未形成成熟體系。此外，目前的研究大多集中在理論分析和試驗研究階段，實際工程應用案例相對較少，對于如何將研究成果更好地應用于實際工程，還需要進一步開展相關研究。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究聚焦于基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點抗震性能，主要涵蓋以下幾個關鍵方面：SMA阻尼器的工作原理與性能研究：深入剖析SMA阻尼器的工作原理，包括形狀記憶效應和超彈性特性在耗能與自復位過程中的作用機制。通過理論分析和試驗研究，探究SMA阻尼器的力學性能，如阻尼力、耗能能力、自復位能力等，以及這些性能受SMA材料參數（如相變溫度、彈性模量）和阻尼器結構參數（如幾何尺寸、預應力）的影響規律。自復位柱腳節點的結構性能研究：對自復位柱腳節點的結構形式和工作原理進行詳細分析，明確其在地震作用下的傳力路徑和變形模式。通過試驗研究和數值模擬，研究自復位柱腳節點的抗震性能，包括滯回性能、耗能能力、自復位能力、承載能力等，分析節點在不同地震工況下的響應特征。SMA阻尼器與自復位柱腳節點協同工作性能研究：重點研究SMA阻尼器與自復位柱腳節點的協同工作機理，分析兩者在地震作用下的相互作用關系和協同工作效果。通過試驗和數值模擬，探究不同參數（如SMA阻尼器的布置位置、數量、性能參數，自復位柱腳節點的構造參數等）對協同工作性能的影響，建立協同工作性能的評價指標和分析方法。影響基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點抗震性能的因素研究：全面分析影響基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點抗震性能的各種因素，包括地震動特性（如地震波的頻譜特性、峰值加速度、持時等）、結構參數（如柱腳節點的尺寸、材料性能、連接方式等）、SMA阻尼器參數（如材料性能、幾何尺寸、預應力等）。通過參數分析，明確各因素對節點抗震性能的影響程度和規律，為節點的優化設計提供依據。基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點的案例分析與工程應用研究：選取實際工程案例，對基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點在實際工程中的應用效果進行分析和評估。通過對實際工程的監測和分析，驗證研究成果的可行性和有效性，總結工程應用中的經驗和問題，提出相應的改進措施和建議，為該技術的進一步推廣應用提供參考。基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點的優化設計研究：根據上述研究成果，提出基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點的優化設計方法和建議。通過優化節點的結構形式、SMA阻尼器的參數以及兩者的協同工作方式，提高節點的抗震性能和經濟性，使其在滿足抗震要求的前提下，降低成本，提高工程效益。1.3.2研究方法為了全面、深入地研究基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點抗震性能，本研究將綜合運用多種研究方法：試驗研究：設計并制作基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點試驗試件，進行低周反復加載試驗和擬動力試驗。通過試驗，獲取節點的滯回曲線、骨架曲線、耗能能力、自復位能力等關鍵性能指標，直觀地了解節點在地震作用下的力學行為和破壞模式。同時，通過改變試驗參數，如SMA阻尼器的參數、自復位柱腳節點的構造參數等，研究各參數對節點抗震性能的影響。數值模擬：利用有限元分析軟件，建立基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點的數值模型。通過數值模擬，對節點在不同地震工況下的力學性能進行分析，研究節點的應力分布、變形規律、耗能機制等。數值模擬可以彌補試驗研究的局限性，進行大量的參數分析，快速獲取不同參數組合下節點的抗震性能，為節點的優化設計提供數據支持。同時，通過將數值模擬結果與試驗結果進行對比驗證，確保數值模型的準確性和可靠性。理論分析：基于材料力學、結構力學、抗震理論等相關學科知識，對SMA阻尼器的工作原理、自復位柱腳節點的力學性能以及兩者的協同工作機理進行理論分析。建立相應的力學模型和計算公式，推導節點的抗震性能指標，如承載力、耗能能力、自復位能力等的理論表達式。通過理論分析，深入理解節點的抗震性能本質，為試驗研究和數值模擬提供理論指導。案例分析：收集國內外已應用基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點的實際工程案例，對其設計方案、施工過程、使用效果等進行詳細分析。通過案例分析，總結實際工程應用中的經驗和教訓，驗證研究成果在實際工程中的可行性和有效性，為該技術的進一步推廣應用提供參考。二、SMA阻尼器的工作原理與特性2.1SMA阻尼器的工作原理2.1.1形狀記憶合金的特性形狀記憶合金（SMA）是一種具有獨特物理性能的新型智能材料，其最顯著的特性為形狀記憶效應和超彈性。形狀記憶效應是指SMA在低溫或受到應力作用時，經受塑性變形，當溫度升高或應力降低時，能夠恢復原來的形狀。這種效應源于SMA內部的熱彈性馬氏體相變。在低溫條件下，SMA處于馬氏體相，此時合金具有較高的延展性，容易發生變形。當受到外力作用時，馬氏體相發生應力誘導的相變，產生配位原子的剪切運動，從而使合金產生塑性變形。而當溫度升高到一定程度，達到奧氏體相變開始溫度（As）以上時，合金會發生奧氏體相變，原子重新排列，合金恢復到高溫母相（奧氏體相）的形狀。形狀記憶效應主要分為單程形狀記憶效應、雙程形狀記憶效應和全程形狀記憶效應。單程形狀記憶效應是最常見的類型，合金在低溫下變形后，加熱至As以上溫度時恢復原始形狀，再次冷卻時不會恢復到低溫變形狀態；雙程形狀記憶效應則是合金在加熱和冷卻過程中，能夠分別記住高溫和低溫時的形狀，通過溫度變化實現形狀的反復變化；全程形狀記憶效應更為復雜，合金在不同溫度階段能夠呈現出多種不同形狀，加熱和冷卻過程中形狀變化更為豐富。超彈性，又稱相變偽彈性，是指SMA在應力作用下發生大量可逆變形，應力卸載后能完全恢復到原始狀態，不會留下永久性變形。超彈性現象通常發生在奧氏體相的SMA中，當應力作用于合金時，奧氏體相開始向馬氏體相轉變，產生較大的應變，從而表現出類似橡膠的高彈性行為。隨著應力的增加，馬氏體相逐漸增多，應變也不斷增大。當應力卸載時，馬氏體相又會逆轉變為奧氏體相，合金恢復到原始形狀，整個過程中應變幾乎完全可恢復。超彈性的產生與SMA的相變機制密切相關，其應力-應變曲線呈現出獨特的特征，在加載和卸載過程中形成明顯的滯回環，這表明SMA在超彈性變形過程中能夠吸收和耗散大量能量，使其具有良好的減振性能。此外，SMA還具有高阻尼特性，這是由于其在相變過程中會產生能量耗散。當SMA受到外力作用發生相變時，會產生大量的能量耗散，從而起到減振的作用。同時，SMA還具有良好的耐腐蝕性、高比強度和高延展性等特點，這些特性使得SMA在航空航天、生物醫療、機械電子、建筑工程等領域都具有廣泛的應用前景。在建筑結構抗震領域，SMA的形狀記憶效應和超彈性特性使其成為一種理想的阻尼器材料。利用SMA的形狀記憶效應，阻尼器可以在地震后恢復到初始狀態，為結構提供自復位能力，減少結構的殘余變形；而其超彈性特性則使得阻尼器在地震作用下能夠通過自身的變形耗散大量的地震能量，從而有效減輕結構的地震響應，提高結構的抗震性能。2.1.2阻尼器的工作過程SMA阻尼器主要由SMA合金元件、連接部件和支撐結構等組成，其工作過程基于形狀記憶合金的獨特性能，通過感應元件實時監測SMA合金的變形狀態，當外力作用時SMA合金發生相變吸收能量，這種相變過程產生的力矩可用于提供阻尼作用，當外力消失時，SMA合金又能恢復原始形狀，釋放能量完成一個循環。在地震作用下，結構會產生振動和變形，SMA阻尼器與結構相連，能夠感知結構的變形。當結構發生變形時，SMA阻尼器的SMA合金元件也會隨之發生變形。首先是變形監測階段，SMA阻尼器通過內部的感應元件（如應變片、位移傳感器等）實時監測SMA合金元件的變形狀態，包括變形的大小、方向和速度等信息。這些感應元件將監測到的變形信號傳遞給控制系統，為后續的能量吸收和阻尼作用提供依據。隨著結構變形的持續，SMA合金元件受到外力作用，當應力達到一定程度時，SMA合金發生相變，從奧氏體相轉變為馬氏體相。在這個應力誘導相變過程中，SMA合金能夠吸收外界的能量，將地震輸入的機械能轉化為SMA內部的相變能，從而實現能量吸收，有效地減少了傳遞到結構上的地震能量。SMA合金相變產生的力矩用于阻尼，在SMA合金相變過程中，會產生相應的力矩，這個力矩會對結構的振動產生阻尼作用。通過合理設計SMA阻尼器的結構和參數，使產生的阻尼力矩能夠有效地抑制結構的振動，降低結構的振動幅度和速度，從而保護結構免受過大的地震力作用。當地震作用逐漸減弱，外力消失后，SMA合金開始恢復原始形狀。此時，SMA合金從馬氏體相逆轉變為奧氏體相，在這個過程中釋放出之前吸收的能量，完成一個完整的工作循環，回到初始狀態，為下一次可能的地震作用做好準備。例如，在一些常見的SMA阻尼器結構中，SMA合金通常制成彈簧、絲材或板材等形式。以SMA彈簧阻尼器為例，當結構振動時，SMA彈簧受到拉伸或壓縮變形，SMA彈簧發生相變吸收能量，產生的阻尼力抵抗結構的振動。地震結束后，SMA彈簧恢復原狀，釋放能量，使結構逐漸停止振動。2.2SMA阻尼器的力學性能2.2.1應力-應變關系SMA阻尼器的應力-應變關系是其力學性能的重要體現，深刻反映了其在不同受力狀態下的行為特征，與形狀記憶合金的獨特相變特性密切相關。在超彈性狀態下（溫度高于奧氏體相變結束溫度Af），SMA阻尼器的應力-應變曲線呈現出典型的特征。當應力施加初期，SMA處于奧氏體彈性階段，應力與應變呈線性關系，此時SMA表現出較高的彈性模量，能夠承受一定的外力而不發生明顯的塑性變形。隨著應力的逐漸增加，當達到奧氏體向馬氏體相變的起始應力（σAs）時，奧氏體開始向馬氏體轉變，進入應力誘發馬氏體相變階段。在這個階段，應力-應變曲線出現一個明顯的平臺，盡管應變不斷增加，但應力基本保持不變，這是因為相變過程中合金的彈性模量大幅降低，類似于材料發生了塑性屈服。隨著奧氏體不斷向馬氏體轉變，直至馬氏體相變結束應力（σAf），此時試樣中的奧氏體幾乎全部轉變為馬氏體單晶。隨后，應力繼續增加時，變形主要由馬氏體相的彈性變形引起，應力-應變曲線再次呈現線性上升趨勢。當應力卸載時，首先發生馬氏體的彈性恢復，應力-應變曲線沿著彈性卸載路徑下降。當應力降低到馬氏體逆相變起始應力（σMs）時，馬氏體開始向奧氏體逆轉變，應力-應變曲線再次出現一個平臺，應變逐漸減小。直至馬氏體逆相變結束應力（σMf），馬氏體完全轉變回奧氏體，隨后通過奧氏體的彈性應變恢復使應變降為零。在整個加載-卸載循環過程中，應力-應變曲線形成一個完整的滯回環，這表明SMA阻尼器在超彈性變形過程中能夠吸收和耗散大量的能量，具有良好的減振性能。在形狀記憶效應狀態下（溫度低于馬氏體相變結束溫度Mf），SMA阻尼器在加載過程中，首先發生彈性變形，然后進入塑性變形階段，此時馬氏體相發生變形。當應力卸載后，會留下一定的殘余應變。只有當溫度升高到奧氏體相變開始溫度As以上時，SMA才會發生奧氏體相變，原子重新排列，恢復到原始形狀，殘余應變消失。SMA阻尼器的應力-應變關系受到多種因素的顯著影響。溫度是一個關鍵因素，不同的溫度條件會改變SMA的相變特性，從而影響應力-應變曲線的形狀和特征參數。例如，當溫度升高時，奧氏體相變的起始應力和結束應力通常會降低，滯回環的面積也可能會發生變化，導致阻尼器的耗能能力和自復位性能發生改變。加載速率對SMA阻尼器的應力-應變關系也有重要影響。加載速率過快時，SMA內部的相變過程可能無法及時完成，導致相變反應滯后，從而使阻尼器的力學性能發生變化，如耗能能力降低、超彈性性能弱化等。此外，SMA材料的成分、加工工藝以及阻尼器的結構設計等因素，也會對其應力-應變關系產生影響，進而影響阻尼器的整體性能。2.2.2能量耗散特性SMA阻尼器在耗能過程中，主要通過形狀記憶合金的相變來實現能量的吸收與釋放，其能量吸收與釋放機制與合金的馬氏體相變和逆相變過程緊密相連。在地震等動態荷載作用下，結構產生振動和變形，SMA阻尼器隨之受力。當應力達到一定程度，SMA合金發生應力誘導馬氏體相變，從奧氏體相轉變為馬氏體相。在這個相變過程中，合金內部的原子結構發生重排，需要消耗大量的能量，這些能量來源于結構的振動能量，從而實現了對地震能量的吸收。隨著應力的持續作用，馬氏體相不斷增多，更多的能量被吸收。當應力卸載時，馬氏體相發生逆相變，重新轉變為奧氏體相，在這個過程中釋放出之前吸收的能量。通過這種相變的往復過程，SMA阻尼器在結構振動過程中不斷地吸收和釋放能量，從而有效地減小結構的振動響應，起到減振的作用。SMA阻尼器的能量耗散特性受到多種因素的影響。應變幅值是一個重要因素，隨著應變幅值的增大，SMA阻尼器的耗能能力顯著增強。這是因為在較大的應變幅值下，SMA合金發生相變的程度更充分，參與相變的合金量更多，從而能夠吸收更多的能量。研究表明，當應變幅值從較小值逐漸增大時，SMA阻尼器的單次循環耗能會明顯增加，等效阻尼比也會相應提高。加載速率對能量耗散特性也有顯著影響。加載速率過快時，SMA內部的相變過程無法及時跟上加載速度，導致相變反應滯后，使得阻尼器的耗能能力降低。例如，在一些試驗研究中發現，隨著加載速率的增大，SMA阻尼器的單次循環耗能和等效阻尼比會出現下降的趨勢。此外，SMA材料的特性，如相變溫度、彈性模量等，以及阻尼器的結構設計參數，如幾何尺寸、預應力等，都會對能量耗散特性產生影響。不同的SMA材料具有不同的相變溫度和力學性能，其能量耗散能力也會有所差異。而合理設計阻尼器的結構參數，可以優化SMA合金的受力狀態，提高其能量耗散效率。2.2.3溫度效應溫度對SMA阻尼器的力學性能和工作效果有著顯著且多方面的影響，這是由形狀記憶合金的熱彈性馬氏體相變特性所決定的。當溫度發生變化時，SMA阻尼器的相變溫度會隨之改變，進而對其力學性能產生影響。在低溫環境下，馬氏體相更加穩定，奧氏體向馬氏體的相變更容易發生，且相變應力較低。這意味著在相同的外力作用下，SMA阻尼器在低溫時更容易進入相變階段，吸收能量。然而，低溫也可能導致SMA阻尼器的彈性模量增加，材料的柔韌性降低，使得阻尼器在變形過程中可能出現脆性斷裂的風險增加。同時，低溫下SMA的相變速度可能會變慢，影響其對結構振動的快速響應能力，從而降低阻尼器的減振效果。在高溫環境下，奧氏體相更加穩定，馬氏體向奧氏體的逆相變更容易發生，且逆相變應力較低。這可能導致SMA阻尼器在高溫時的自復位能力增強，但同時也可能使其耗能能力下降。因為高溫下相變過程更容易發生，在較小的外力作用下就可能完成相變，從而減少了能量的吸收。此外，高溫還可能影響SMA材料的微觀結構和性能，導致其疲勞壽命降低，長期使用性能下降。為了降低溫度對SMA阻尼器性能的不利影響，需要采取相應的溫度控制措施。在阻尼器的設計階段，可以選擇相變溫度范圍合適的SMA材料，使其能夠在預期的工作溫度環境下保持良好的性能。例如，對于在寒冷地區使用的建筑結構，選擇相變溫度相對較低的SMA材料，以確保在低溫環境下阻尼器仍能正常工作。可以采用隔熱材料對SMA阻尼器進行包裹，減少外界溫度變化對阻尼器的影響。通過在阻尼器周圍設置隔熱層，阻止熱量的傳遞，使阻尼器內部的溫度相對穩定，從而保證其力學性能的穩定性。還可以結合溫度監測系統，實時監測SMA阻尼器的工作溫度。當溫度超出正常工作范圍時，通過控制系統采取相應的調節措施，如啟動冷卻裝置或加熱裝置，對阻尼器進行溫度調節，確保其在適宜的溫度條件下工作，以充分發揮其減振和自復位性能。三、自復位柱腳節點的結構與工作機制3.1自復位柱腳節點的結構形式3.1.1常見的自復位柱腳節點類型自復位柱腳節點作為建筑結構抗震體系中的關鍵部件，其結構形式豐富多樣，不同類型的節點在構造和工作原理上各有特點。目前，常見的自復位柱腳節點主要包括基于預應力筋、摩擦裝置、形狀記憶合金等類型。基于預應力筋的自復位柱腳節點，通過在柱腳部位設置預應力筋來實現自復位功能。在這類節點中，預應力筋通常一端錨固在基礎中，另一端與鋼柱或混凝土柱連接。例如，在一些實際工程中，采用高強度的鋼絞線作為預應力筋，將其穿過鋼柱底部的預留孔道，并在基礎中進行錨固。當結構受到地震作用時，柱腳發生轉動，預應力筋被拉伸，儲存彈性勢能。地震作用結束后，預應力筋憑借其彈性恢復力，拉動鋼柱或混凝土柱回到初始位置，從而實現自復位。在豎向荷載和水平往復荷載的共同作用下，外張拉式自復位方鋼管混凝土柱腳的滯回曲線為典型的“雙旗幟型”，該柱腳具有良好的自復位能力和耗能能力，即使加載至4%側移角，柱子和鋼絞線仍保持彈性，僅BRS板進入塑性，因此通過更換BRS板可實現震后的快速修復。基于摩擦裝置的自復位柱腳節點，利用摩擦元件在受力過程中產生的摩擦力來耗散能量，并結合其他部件實現自復位。此類節點中，常見的摩擦元件有摩擦片、摩擦板等。例如，在一些節點設計中，在柱腳與基礎之間設置摩擦片，通過調整摩擦片的材質、壓力等參數，控制摩擦力的大小。當結構受到地震作用時，柱腳與基礎之間發生相對位移，摩擦片之間產生摩擦力，從而耗散地震能量。同時，通過設置彈簧、拉桿等復位裝置，在地震作用結束后，使柱腳恢復到初始位置。基于形狀記憶合金的自復位柱腳節點，充分利用形狀記憶合金的獨特性能，如形狀記憶效應和超彈性特性，實現節點的自復位和耗能。在這類節點中，形狀記憶合金通常制成棒材、彈簧等形式。例如，將形狀記憶合金棒材作為連接柱腳與基礎的關鍵部件，當結構受到地震作用時，形狀記憶合金棒材發生變形，利用其超彈性特性耗散能量；地震作用結束后，形狀記憶合金棒材憑借形狀記憶效應恢復到初始形狀，從而帶動柱腳回到初始位置。一種基于形狀記憶合金超材料的自復位柱腳結構，在雙向地震荷載作用下耗散能量，同時具有優秀的形狀恢復性能，可裝配式施工，在極端地震荷載作用后超材料耗能構件可快速更換，不影響建筑的原有使用功能和空間，實現柱腳的功能快速恢復。3.1.2各結構形式的特點與應用范圍不同結構形式的自復位柱腳節點具有各自獨特的優缺點，在實際工程應用中，需要根據建筑結構的類型、使用要求、抗震設防標準等因素，合理選擇合適的節點形式。基于預應力筋的自復位柱腳節點，其優點在于自復位能力強，能夠有效減小結構在地震后的殘余變形。由于預應力筋的彈性恢復力較大，在地震作用后能迅速將柱腳拉回初始位置，使結構恢復到正常使用狀態。而且，預應力筋的力學性能穩定，在長期使用過程中，其自復位性能不易受到外界環境因素的影響。但這類節點也存在一些缺點，如耗能能力相對較弱。在強烈地震作用下，僅依靠預應力筋的彈性變形來耗能，難以滿足結構對耗能的需求，可能導致結構的損傷。制作和安裝工藝要求較高，需要精確控制預應力筋的張拉應力和錨固位置，否則會影響節點的自復位性能和承載能力。基于預應力筋的自復位柱腳節點適用于對殘余變形要求較高、結構高度較大的建筑結構，如高層建筑、超高層建筑等。在這些建筑結構中，較小的殘余變形對于結構的安全性和后續使用功能至關重要，而預應力筋的強自復位能力能夠滿足這一需求。基于摩擦裝置的自復位柱腳節點，其顯著優點是耗能能力較強。通過合理設計摩擦元件的參數和構造，能夠使節點在地震作用下產生較大的摩擦力，從而有效地耗散地震能量，減輕結構的地震響應。制作和安裝相對簡單，成本較低，不需要復雜的施工工藝和高精度的施工設備，降低了工程成本。然而，這類節點的自復位能力相對較弱，在地震后可能會存在一定的殘余變形。摩擦裝置的性能容易受到環境因素的影響，如溫度、濕度等，可能導致摩擦力不穩定，影響節點的耗能和自復位性能。基于摩擦裝置的自復位柱腳節點適用于對耗能要求較高、對殘余變形要求相對較低的建筑結構，如工業廠房、一般多層建筑等。在這些建筑結構中，通過摩擦裝置的耗能作用，可以有效保護結構構件，減少結構的損傷，同時一定程度的殘余變形對結構的后續使用影響較小。基于形狀記憶合金的自復位柱腳節點，最大的優點是同時具備良好的自復位能力和耗能能力。形狀記憶合金的形狀記憶效應和超彈性特性，使其能夠在地震作用下有效地耗散能量，并在地震后恢復到初始位置，減少結構的殘余變形。而且，形狀記憶合金具有較好的耐久性和耐腐蝕性，能夠在惡劣的環境條件下長期穩定工作。不過，這類節點的缺點是形狀記憶合金材料成本較高，增加了工程的造價。其力學性能對溫度較為敏感，在不同溫度條件下，形狀記憶合金的相變特性會發生變化，從而影響節點的性能。基于形狀記憶合金的自復位柱腳節點適用于對自復位和耗能性能要求都較高、對成本控制相對寬松的重要建筑結構，如重要的公共建筑、生命線工程等。在這些建筑結構中，形狀記憶合金的優異性能能夠確保結構在地震中保持良好的性能，保障人員生命安全和重要設施的正常運行。3.2自復位柱腳節點的工作機制3.2.1節點在地震作用下的受力分析在地震作用下，自復位柱腳節點的受力狀態復雜，涉及多個部件的協同工作和力的傳遞，其各部件的受力狀態和傳力路徑與節點的結構形式密切相關。以常見的基于預應力筋和SMA阻尼器的自復位柱腳節點為例，當建筑結構受到地震力作用時，水平地震力首先通過鋼柱傳遞到柱腳節點。鋼柱作為主要的豎向承重構件，在地震作用下不僅承受豎向荷載，還承受水平地震力產生的彎矩、剪力和軸力。柱腳節點處的力通過柱底板傳遞到基礎上，同時，柱腳節點內的預應力筋和SMA阻尼器開始發揮作用。預應力筋在節點中預先施加了一定的預應力，在地震作用下，當柱腳發生轉動時，預應力筋被進一步拉伸，產生拉力。此拉力不僅為節點提供了抵抗轉動的彎矩，還在地震作用結束后，憑借其彈性恢復力，使柱腳節點具有自復位的趨勢。例如，在某自復位柱腳節點的試驗中，當節點受到水平地震力作用時，柱腳轉動使預應力筋的拉力從初始的預應力值迅速增加，有效抵抗了節點的轉動，減小了節點的轉動角度。SMA阻尼器在地震作用下，隨著結構的變形，SMA阻尼器的SMA合金元件發生變形，利用其超彈性特性耗散地震能量。當結構向一側變形時，SMA阻尼器的SMA合金元件受到拉伸或壓縮，產生應力-應變響應。在這個過程中，SMA合金發生相變，從奧氏體相轉變為馬氏體相，吸收外界的能量，將地震輸入的機械能轉化為SMA內部的相變能，從而實現能量吸收。當結構變形反向時，SMA合金元件從馬氏體相逆轉變為奧氏體相，釋放能量。通過這種相變的往復過程，SMA阻尼器有效地減小了結構的振動響應，起到減振的作用。自復位柱腳節點的傳力路徑清晰明確。地震力通過鋼柱傳遞到柱腳節點后，一部分力通過柱底板直接傳遞到基礎上；另一部分力則通過預應力筋和SMA阻尼器進行傳遞和耗能。預應力筋將拉力傳遞到基礎和柱腳節點的其他部件上，提供抵抗轉動的彎矩；SMA阻尼器通過自身的變形和相變，將地震能量轉化為熱能等形式耗散掉，減少了傳遞到結構其他部分的能量。在整個受力和傳力過程中，各部件相互協同工作，共同保證了自復位柱腳節點在地震作用下的穩定性和抗震性能。3.2.2自復位原理自復位柱腳節點利用SMA阻尼器等部件實現自復位的原理基于材料的特性和結構的力學性能，是一個涉及多個物理過程的協同作用機制。在地震作用下，結構發生振動和變形，自復位柱腳節點中的SMA阻尼器和其他復位元件（如預應力筋等）開始工作。以SMA阻尼器與預應力筋共同作用的自復位柱腳節點為例，當結構受到地震力作用時，柱腳節點發生轉動和位移，SMA阻尼器的SMA合金元件在應力作用下發生相變。SMA合金從奧氏體相轉變為馬氏體相，這個過程中SMA合金能夠吸收大量的能量，將地震輸入的機械能轉化為SMA內部的相變能，從而有效地耗散地震能量，減小結構的振動響應。與此同時，預應力筋在節點中預先施加了預應力，當柱腳節點發生轉動時，預應力筋被進一步拉伸，儲存彈性勢能。隨著地震作用的持續，結構的變形不斷增大，SMA阻尼器持續耗能，預應力筋的拉力也不斷增加，為節點提供抵抗轉動的彎矩。當地震作用逐漸減弱，外力消失后，SMA阻尼器和預應力筋開始發揮自復位作用。SMA合金元件從馬氏體相逆轉變為奧氏體相，恢復到原始形狀，釋放出之前吸收的能量。預應力筋憑借其彈性恢復力，將儲存的彈性勢能轉化為使柱腳節點恢復到初始位置的動力。在SMA阻尼器和預應力筋的共同作用下，柱腳節點逐漸回到初始位置，實現自復位。在某自復位柱腳節點的試驗中，當地震模擬加載結束后，觀察到SMA阻尼器和預應力筋協同工作，柱腳節點在短時間內迅速恢復到接近初始位置，殘余變形極小，充分展示了自復位柱腳節點的自復位性能。自復位柱腳節點實現自復位的過程是一個動態的、相互協同的過程。在這個過程中，SMA阻尼器的耗能和自復位特性與預應力筋的彈性恢復力相互配合，有效地減小了結構在地震后的殘余變形，提高了結構的抗震性能和震后可恢復性。四、SMA阻尼器對自復位柱腳節點抗震性能的影響4.1抗震性能指標的定義與評估方法在研究基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點抗震性能時，明確和準確評估相關抗震性能指標至關重要。這些指標能夠直觀地反映節點在地震作用下的力學行為和抗震能力，為研究和設計提供關鍵依據。以下將詳細介紹位移延性比、等效粘滯阻尼比、殘余變形等主要抗震性能指標的定義和計算方法。位移延性比是衡量結構或節點在地震作用下變形能力的重要指標，它反映了結構或節點從屈服到破壞過程中，所能承受的塑性變形能力。位移延性比越大，表明結構或節點在大變形下的變形能力越強，抗震性能越好。其定義為結構或節點的極限位移與屈服位移的比值，計算公式為：\mu_{\Delta}=\frac{\Delta_{u}}{\Delta_{y}}其中，\mu_{\Delta}為位移延性比，\Delta_{u}為極限位移，是結構或節點在達到破壞狀態時的最大位移；\Delta_{y}為屈服位移，是結構或節點開始進入塑性狀態時的位移。在實際計算中，屈服位移和極限位移的確定通常通過試驗或數值模擬獲得的荷載-位移曲線來確定。一般來說，屈服位移可采用通用屈服彎矩法等方法確定，極限位移則可根據結構或節點的破壞準則來確定，如承載力下降到一定比例（通常為極限承載力的85%）時對應的位移。等效粘滯阻尼比用于衡量結構或節點在振動過程中的能量耗散能力，它反映了結構或節點通過各種耗能機制（如材料的塑性變形、摩擦、阻尼器的耗能等）將地震輸入的機械能轉化為其他形式能量（如熱能）的能力。等效粘滯阻尼比越大，表明結構或節點的耗能能力越強，在地震作用下能夠更好地消耗地震能量，減輕結構的地震響應。其定義為結構或節點在一個加載循環中所消耗的能量與等效彈性系統在相同位移幅值下最大彈性勢能的比值，計算公式為：\xi_{eq}=\frac{1}{2\pi}\frac{E_hml9ure}{E_{max}}其中，\xi_{eq}為等效粘滯阻尼比，E_z1kwsxh為一個加載循環中結構或節點所消耗的能量，可通過荷載-位移滯回曲線所包圍的面積來計算；E_{max}為等效彈性系統在相同位移幅值下的最大彈性勢能，可根據結構或節點的等效剛度和位移幅值計算得到。在實際應用中，等效粘滯阻尼比可通過試驗測量或數值模擬分析得到的滯回曲線進行計算。殘余變形是指結構或節點在地震作用結束后，仍然保留的不可恢復的變形。殘余變形的大小直接影響結構的震后可使用性和修復成本，殘余變形越小，結構在震后的可恢復性越好，對后續使用的影響越小。對于自復位柱腳節點，殘余變形的控制是其重要設計目標之一，SMA阻尼器的應用旨在減小殘余變形，提高結構的震后性能。殘余變形的計算通常通過測量或模擬結構或節點在地震作用后的最終位移來確定。在試驗中，可通過位移傳感器測量柱腳節點在加載結束后的位移，與初始位置相比，得到殘余變形量；在數值模擬中，可通過分析計算結果，提取結構在地震作用結束后的最終位移，從而得到殘余變形。4.2SMA阻尼器參數對節點抗震性能的影響4.2.1阻尼器的材料參數SMA阻尼器的材料參數對基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點抗震性能有著顯著影響，其中相變溫度和彈性模量是兩個關鍵參數。相變溫度是SMA材料的重要特性之一，它直接影響著SMA阻尼器在不同溫度環境下的工作性能。當環境溫度發生變化時，SMA阻尼器的相變溫度會隨之改變，進而對其力學性能產生影響。在低溫環境下，馬氏體相更加穩定，奧氏體向馬氏體的相變更容易發生，且相變應力較低。這意味著在相同的外力作用下，SMA阻尼器在低溫時更容易進入相變階段，吸收能量。然而，低溫也可能導致SMA阻尼器的彈性模量增加，材料的柔韌性降低，使得阻尼器在變形過程中可能出現脆性斷裂的風險增加。同時，低溫下SMA的相變速度可能會變慢，影響其對結構振動的快速響應能力，從而降低阻尼器的減振效果。在高溫環境下，奧氏體相更加穩定，馬氏體向奧氏體的逆相變更容易發生，且逆相變應力較低。這可能導致SMA阻尼器在高溫時的自復位能力增強，但同時也可能使其耗能能力下降。因為高溫下相變過程更容易發生，在較小的外力作用下就可能完成相變，從而減少了能量的吸收。此外，高溫還可能影響SMA材料的微觀結構和性能，導致其疲勞壽命降低，長期使用性能下降。彈性模量是衡量材料抵抗彈性變形能力的重要指標，對SMA阻尼器的耗能能力和自復位性能也有著重要影響。較高的彈性模量意味著SMA阻尼器在受力時變形較小，能夠更有效地抵抗外力，從而提高節點的承載能力。但過高的彈性模量也可能導致阻尼器的耗能能力降低，因為變形量的減小會減少SMA材料在相變過程中吸收的能量。相反，較低的彈性模量會使SMA阻尼器在受力時更容易變形，增加了耗能能力，但可能會降低節點的自復位能力，因為變形過大可能導致阻尼器在恢復原狀時存在困難。在一些實際工程案例中，當SMA阻尼器的彈性模量發生變化時，自復位柱腳節點的抗震性能也會相應改變。當彈性模量增大時，節點的剛度增加，在地震作用下的變形減小，但耗能能力可能會有所下降；當彈性模量減小時，節點的變形增大，耗能能力增強，但自復位能力可能會受到一定影響。4.2.2阻尼器的幾何參數SMA阻尼器的幾何參數，如尺寸和形狀，對自復位柱腳節點的耗能和自復位能力有著重要影響。阻尼器的尺寸參數，如長度、直徑、厚度等，會直接影響其力學性能。以長度為例，當阻尼器長度增加時，其變形能力通常會增強，這是因為更長的阻尼器在受力時可以產生更大的變形量。在地震作用下，更大的變形量意味著SMA阻尼器能夠吸收更多的能量，從而提高節點的耗能能力。較長的阻尼器在恢復原狀時，也能產生更大的恢復力，有助于提高節點的自復位能力。直徑也是一個重要的尺寸參數。當阻尼器直徑增大時，其橫截面積增加，能夠承受更大的力，從而提高節點的承載能力。較大的直徑還可以增加SMA材料的用量，進一步增強阻尼器的耗能和自復位能力。然而，過大的尺寸也可能帶來一些負面影響，如增加結構的自重和成本，同時可能會影響阻尼器的安裝和使用空間。阻尼器的形狀參數，如圓形、方形、環形等，也會對節點的抗震性能產生影響。不同形狀的阻尼器在受力時的應力分布和變形模式不同，從而導致其耗能和自復位能力有所差異。圓形阻尼器在受力時，應力分布相對均勻，變形較為均勻，能夠有效地耗散能量。方形阻尼器在某些方向上的剛度較大，可能會在特定的地震作用方向上表現出更好的承載能力和耗能能力。環形阻尼器則具有較好的自復位能力，因為其環形結構在變形后能夠更好地恢復原狀。在一些實際工程中，通過優化阻尼器的形狀，可以提高節點的抗震性能。例如，在某建筑結構中，采用了特殊形狀的SMA阻尼器，通過合理設計其形狀，使得阻尼器在地震作用下能夠更好地發揮耗能和自復位作用，有效減小了結構的地震響應，提高了結構的抗震性能。4.3SMA阻尼器與自復位柱腳節點的協同工作機制4.3.1兩者協同工作的力學模型建立SMA阻尼器與自復位柱腳節點協同工作的力學模型，對于深入理解其相互作用關系和協同工作原理至關重要。該力學模型基于結構力學、材料力學等基本理論，綜合考慮了SMA阻尼器和自復位柱腳節點的力學特性以及它們在地震作用下的相互作用。在建立力學模型時，將自復位柱腳節點簡化為一個由柱、柱腳底板、預應力筋、SMA阻尼器等組成的結構體系。柱視為彈性桿件，承受豎向荷載和水平地震力產生的彎矩、剪力和軸力。柱腳底板與基礎之間通過螺栓或其他連接方式連接，傳遞柱傳來的力。預應力筋在節點中預先施加了預應力，其作用是為節點提供自復位能力，在地震作用下，預應力筋的拉力會隨著柱腳的轉動而發生變化，抵抗節點的轉動。SMA阻尼器則通過連接部件與柱腳節點相連，在地震作用下，SMA阻尼器的SMA合金元件發生變形，利用其超彈性特性耗散地震能量。在這個力學模型中，SMA阻尼器與自復位柱腳節點之間存在著復雜的相互作用關系。當結構受到地震力作用時，柱腳節點發生轉動和位移，SMA阻尼器隨之受力變形。SMA阻尼器的變形會對柱腳節點產生反作用力，這個反作用力會影響柱腳節點的受力狀態和變形模式。同時，柱腳節點的轉動和位移也會影響SMA阻尼器的受力和變形，兩者相互影響、相互制約。在地震作用下，柱腳節點的轉動會使SMA阻尼器受到拉伸或壓縮，SMA阻尼器產生的阻尼力會抵抗柱腳節點的轉動，從而減小柱腳節點的轉動角度。而柱腳節點的轉動角度又會影響SMA阻尼器的變形量，進而影響SMA阻尼器的阻尼力和耗能能力。為了準確描述SMA阻尼器與自復位柱腳節點的協同工作關系，需要對力學模型進行進一步的分析和求解。根據結構力學和材料力學的基本原理，建立節點的平衡方程和變形協調方程。通過求解這些方程，可以得到節點在地震作用下的內力、變形和應力分布等信息，從而深入了解SMA阻尼器與自復位柱腳節點的協同工作機制。利用有限元分析方法，對力學模型進行數值模擬，能夠更加直觀地展示兩者在地震作用下的相互作用過程和協同工作效果。4.3.2協同工作對節點抗震性能的提升效果通過對比分析，SMA阻尼器與自復位柱腳節點的協同工作對節點抗震性能具有顯著的提升作用。為了驗證這一效果，選取了相同結構形式的自復位柱腳節點，分別設置安裝SMA阻尼器和不安裝SMA阻尼器的工況，進行低周反復加載試驗和數值模擬分析。在低周反復加載試驗中，對兩組節點施加相同的加載制度，通過位移傳感器、力傳感器等設備，測量節點在加載過程中的位移、力等數據，繪制滯回曲線和骨架曲線，計算等效粘滯阻尼比、位移延性比、殘余變形等抗震性能指標。試驗結果表明，安裝SMA阻尼器的自復位柱腳節點，其滯回曲線更加飽滿，說明在加載過程中，SMA阻尼器能夠有效地耗散能量，使節點的耗能能力增強。等效粘滯阻尼比明顯提高，表明該節點在振動過程中能夠更好地消耗地震能量，減輕結構的地震響應。位移延性比也有所增加，這意味著節點在大變形下的變形能力更強，能夠更好地適應地震作用。殘余變形顯著減小，體現了SMA阻尼器的自復位特性與自復位柱腳節點的協同作用，使節點在地震后能夠更好地恢復到初始位置，提高了節點的震后可恢復性。數值模擬分析結果與試驗結果相互印證，進一步驗證了協同工作對節點抗震性能的提升作用。通過數值模擬，可以更加詳細地分析節點在不同地震工況下的應力分布、變形規律等。模擬結果顯示，安裝SMA阻尼器后，節點在地震作用下的應力分布更加均勻，避免了應力集中現象的發生，從而提高了節點的承載能力。節點的變形也得到了有效控制，減小了結構在地震中的損傷程度。在實際工程應用中，SMA阻尼器與自復位柱腳節點的協同工作同樣發揮了重要作用。例如，在某高層建筑的抗震設計中，采用了基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點。在一次地震中，該建筑結構在地震作用下的響應明顯小于周邊未采用該技術的建筑，結構的殘余變形極小，震后能夠迅速恢復正常使用，充分展示了SMA阻尼器與自復位柱腳節點協同工作在提升節點抗震性能方面的顯著優勢。五、基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點抗震性能試驗研究5.1試驗設計5.1.1試件設計與制作本試驗旨在深入研究基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點的抗震性能，通過精心設計和制作試件，模擬實際工程中的受力情況，為后續的試驗研究提供可靠的基礎。試件的設計依據相關的建筑結構設計規范和抗震設計標準，充分考慮了實際工程中柱腳節點的受力特點和工作環境。以某實際工程中的鋼框架結構柱腳節點為原型，按一定比例進行縮尺設計，以適應實驗室的試驗條件。試件的尺寸規格經過詳細的計算和分析確定，柱采用熱軋H型鋼，其截面尺寸為H200×100×5.5×8，長度為1500mm，翼緣寬度為100mm，腹板厚度為5.5mm，翼緣厚度為8mm，材質為Q345B，這種鋼材具有良好的力學性能，能夠滿足試驗對強度和韌性的要求。柱腳底板采用厚度為20mm的Q345B鋼板，尺寸為300mm×300mm，通過焊接與柱連接，確保連接的牢固性。SMA阻尼器采用鎳鈦合金（Ni-Ti）制作，其相變溫度經過精確控制，以滿足試驗的要求。阻尼器的形狀設計為矩形截面的棒狀，截面尺寸為10mm×15mm，長度為200mm。這種形狀和尺寸的設計能夠使SMA阻尼器在受力時充分發揮其超彈性和形狀記憶效應，有效地耗散能量和提供自復位能力。在制作過程中，采用先進的加工工藝，確保SMA阻尼器的尺寸精度和材料性能的穩定性。預應力筋采用高強度鋼絞線，直徑為15.2mm，其抗拉強度標準值為1860MPa，通過張拉預應力筋，為自復位柱腳節點提供初始的自復位能力。在試件中，預應力筋的布置方式經過精心設計，使其能夠均勻地承受拉力，有效地發揮自復位作用。在柱腳節點處，通過錨具將預應力筋與柱腳底板和基礎牢固連接，確保預應力的有效施加和傳遞。在制作過程中，嚴格控制各部件的加工精度和焊接質量。對于柱和柱腳底板的焊接，采用二氧化碳氣體保護焊，焊接工藝參數經過嚴格調試，確保焊縫的強度和質量。焊接完成后，對焊縫進行外觀檢查和無損檢測，如超聲波探傷檢測，確保焊縫無裂紋、氣孔等缺陷。SMA阻尼器與柱腳節點的連接采用高強度螺栓連接，螺栓的規格和擰緊力矩按照相關標準執行，以確保連接的可靠性。在安裝過程中，精確測量各部件的位置和尺寸，確保SMA阻尼器和預應力筋的安裝位置準確無誤，使其能夠在試驗中正常工作。5.1.2試驗加載方案試驗加載方案是確保試驗順利進行和獲取準確試驗數據的關鍵，本試驗采用的加載制度、加載設備和測量儀器經過精心選擇和布置，以全面、準確地模擬地震作用下自復位柱腳節點的受力情況。試驗采用低周反復加載制度，模擬地震作用下結構的往復振動。根據《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ/T101-2015），結合試件的特點和研究目的，確定加載方案。加載過程分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。在彈性階段，采用力控制加載，以0.5kN的增量逐級加載，每級荷載循環1次，直至荷載達到預估屈服荷載的70%。在彈塑性階段，采用位移控制加載，以屈服位移的倍數為加載增量，每級位移循環3次，依次加載至1Δy、2Δy、3Δy……，其中Δy為屈服位移，通過前期的預試驗或理論計算確定。在破壞階段，持續加載直至試件出現明顯的破壞特征，如節點連接破壞、SMA阻尼器斷裂等。試驗加載設備采用液壓伺服作動器，其最大出力為1000kN，行程為±300mm，能夠滿足試驗對加載力和位移的要求。作動器通過連接裝置與試件的柱頂相連，能夠精確控制加載力和位移。為了保證加載的準確性和穩定性，作動器配備了高精度的力傳感器和位移傳感器，實時監測加載力和位移，并通過控制系統進行反饋調節。在試件的關鍵部位布置了多個測量儀器，以全面監測試件的受力和變形情況。在柱腳節點處布置應變片，測量柱腳底板、柱身和連接螺栓的應變，通過應變片的測量數據，分析節點在加載過程中的應力分布和變化規律。在柱頂和柱底布置位移傳感器，測量柱頂的水平位移和豎向位移，以及柱底的轉角，從而獲取節點的變形數據，計算節點的位移延性比、殘余變形等抗震性能指標。使用力傳感器測量作動器施加的荷載，與位移數據相結合，繪制滯回曲線，分析節點的耗能能力和滯回特性。為確保試驗數據的準確性和可靠性，在試驗前對所有測量儀器進行校準和調試，確保其測量精度滿足試驗要求。在試驗過程中，實時記錄測量數據，并對數據進行實時分析和處理，及時發現異常數據并進行檢查和修正。5.2試驗結果與分析5.2.1試驗現象觀察在試驗過程中，對試件的破壞形態、變形特征和耗能情況進行了詳細觀察，這些現象直觀地反映了基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點在地震作用下的力學行為和抗震性能。隨著加載位移的逐漸增加，試件的變形特征逐漸顯現。在加載初期，試件處于彈性階段，柱腳節點的變形較小，SMA阻尼器和預應力筋的變形也較小，柱腳節點的轉動角度較小，結構整體保持穩定。當加載位移達到一定程度后，試件進入彈塑性階段，柱腳節點的變形逐漸增大，SMA阻尼器開始發揮作用，其SMA合金元件發生變形，利用超彈性特性耗散能量。此時，觀察到SMA阻尼器的表面出現輕微的變形痕跡，表明其內部的SMA合金正在發生相變。預應力筋也被進一步拉伸，為節點提供自復位能力。在加載過程中，柱腳節點的轉動角度不斷增大，柱身出現一定的彎曲變形。隨著加載的繼續，試件的耗能情況逐漸明顯。SMA阻尼器在變形過程中，通過SMA合金的相變吸收和釋放能量，實現了對地震能量的有效耗散。從試驗中可以觀察到，SMA阻尼器在每次加載循環中，都能產生明顯的滯回現象，這表明其在耗能過程中發揮了重要作用。預應力筋的彈性變形也在一定程度上消耗了能量，同時為節點提供了自復位能力。在整個加載過程中，試件的耗能主要來自于SMA阻尼器和預應力筋的變形，以及節點連接處的摩擦耗能。當加載位移達到較大值時，試件出現了破壞現象。柱腳節點處的連接螺栓出現松動和滑移，部分螺栓甚至發生剪斷，導致節點的連接剛度下降。柱腳底板與基礎之間的接觸部位出現局部壓潰現象，影響了節點的傳力性能。SMA阻尼器的SMA合金元件出現斷裂，使其耗能和自復位能力喪失。預應力筋也出現了不同程度的拉伸變形，部分預應力筋甚至發生斷裂，導致節點的自復位能力明顯下降。在破壞階段，試件的承載能力迅速下降，結構的穩定性受到嚴重影響。5.2.2試驗數據處理與分析對試驗數據進行了全面、系統的整理和分析，通過繪制滯回曲線、骨架曲線等，深入研究了基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點的力學性能和抗震特性。滯回曲線是反映結構或節點在反復荷載作用下力學性能的重要曲線，它直觀地展示了結構或節點在加載、卸載過程中的荷載-位移關系。根據試驗測量得到的柱頂水平荷載和水平位移數據，繪制了試件的滯回曲線。從滯回曲線可以看出，在加載初期，曲線近似為直線，表明試件處于彈性階段，荷載與位移呈線性關系。隨著加載位移的增加，曲線逐漸偏離直線，出現了明顯的滯回環，表明試件進入彈塑性階段，開始產生塑性變形和耗能。滯回曲線的形狀飽滿，說明試件在加載過程中能夠有效地耗散能量，SMA阻尼器和預應力筋的協同工作起到了良好的耗能作用。在加載后期，滯回曲線的斜率逐漸減小，表明試件的剛度逐漸降低，承載能力逐漸下降。骨架曲線是滯回曲線各加載循環峰值點的連線，它反映了結構或節點在加載過程中的最大承載能力和變形能力。通過對滯回曲線的分析，提取出各加載循環的峰值點，繪制了試件的骨架曲線。從骨架曲線可以看出，試件的承載能力隨著位移的增加而逐漸提高，在達到峰值荷載后，隨著位移的進一步增加，承載能力逐漸下降。峰值荷載對應的位移即為試件的屈服位移，此時試件開始進入塑性階段。骨架曲線的形狀和特征參數，如屈服荷載、峰值荷載、極限位移等，能夠直觀地反映試件的抗震性能。根據試驗數據，計算了試件的等效粘滯阻尼比、位移延性比等抗震性能指標。等效粘滯阻尼比反映了試件在振動過程中的能量耗散能力，計算公式為：\xi_{eq}=\frac{1}{2\pi}\frac{E_7gnkyes}{E_{max}}其中，\xi_{eq}為等效粘滯阻尼比，E_noxuryv為一個加載循環中試件所消耗的能量，可通過滯回曲線所包圍的面積來計算；E_{max}為等效彈性系統在相同位移幅值下的最大彈性勢能，可根據試件的等效剛度和位移幅值計算得到。通過計算得到的等效粘滯阻尼比，可以評估試件的耗能能力，等效粘滯阻尼比越大，說明試件的耗能能力越強。位移延性比反映了試件在大變形下的變形能力，計算公式為：\mu_{\Delta}=\frac{\Delta_{u}}{\Delta_{y}}其中，\mu_{\Delta}為位移延性比，\Delta_{u}為極限位移，是試件在達到破壞狀態時的最大位移；\Delta_{y}為屈服位移，是試件開始進入塑性狀態時的位移。通過計算得到的位移延性比，可以評估試件的變形能力，位移延性比越大，說明試件在大變形下的變形能力越強。5.2.3抗震性能評估根據試驗結果，對基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點的抗震性能進行了全面評估，驗證了SMA阻尼器在提高節點抗震性能方面的有效性。從試驗數據和現象可以看出，基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點具有良好的耗能能力。在加載過程中，SMA阻尼器的SMA合金元件通過相變吸收和釋放能量，有效地耗散了地震能量，使試件的滯回曲線飽滿，等效粘滯阻尼比相對較高。這表明SMA阻尼器能夠在地震作用下，有效地減小結構的振動響應，保護結構免受過大的地震力作用。該節點還具有較好的自復位能力。在加載結束后，試件能夠在SMA阻尼器和預應力筋的共同作用下，迅速恢復到接近初始位置，殘余變形較小。這得益于SMA阻尼器的形狀記憶效應和預應力筋的彈性恢復力，兩者協同工作，使節點在地震后能夠保持較好的可恢復性，減少了結構的殘余變形，有利于震后結構的快速修復和使用。節點的位移延性比也較大，表明其在大變形下具有較強的變形能力。在試驗過程中，試件在達到較大位移時，仍能保持一定的承載能力，沒有出現突然的破壞現象。這說明節點在地震作用下，能夠通過自身的變形來適應地震力的作用，提高了結構的抗震可靠性。將本試驗中的基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點與傳統柱腳節點進行對比分析，進一步驗證了SMA阻尼器的有效性。傳統柱腳節點在地震作用下，主要通過結構構件的塑性變形來耗散能量，震后往往會產生較大的殘余變形，且自復位能力較差。而本試驗中的節點，由于SMA阻尼器的加入，不僅有效地提高了耗能能力，還顯著增強了自復位能力，使節點的抗震性能得到了全面提升。基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點在耗能能力、自復位能力和變形能力等方面表現出良好的抗震性能，SMA阻尼器的應用有效地提高了節點的抗震性能，為建筑結構的抗震設計提供了一種新的有效途徑。六、基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點抗震性能數值模擬6.1數值模擬模型的建立6.1.1模型的選擇與參數設置本研究選用ANSYS有限元分析軟件建立基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點數值模型。ANSYS作為一款功能強大的通用有限元軟件，具備豐富的單元庫、材料模型和求解器，能夠準確模擬復雜結構在多種荷載工況下的力學行為，在土木工程領域的結構分析中應用廣泛。在材料參數設置方面，對于鋼材部分，柱和柱腳底板采用Q345B鋼材，其彈性模量設定為2.06×10^5MPa，泊松比為0.3，屈服強度為345MPa，通過雙線性隨動強化模型（BKIN）來描述其非線性力學行為，該模型考慮了鋼材在屈服后的強化特性，能夠較為準確地模擬鋼材在復雜受力狀態下的力學響應。SMA阻尼器采用鎳鈦合金（Ni-Ti）材料，利用ABAQUS軟件中的形狀記憶合金本構模型進行模擬，該本構模型基于Brinson模型進行開發，能夠準確描述SMA在不同溫度和應力狀態下的相變行為和力學性能。模型中設置奧氏體相變開始溫度As為30℃，奧氏體相變結束溫度Af為40℃，馬氏體相變開始溫度Ms為20℃，馬氏體相變結束溫度Mf為10℃，彈性模量為70GPa，這些參數是根據相關試驗研究和材料特性確定的，能夠較好地反映SMA阻尼器的實際工作性能。單元類型選擇上，柱和柱腳底板采用SOLID185實體單元，該單元具有較高的計算精度和良好的適應性，能夠準確模擬結構的三維實體力學行為，適用于各種復雜形狀的實體結構分析。SMA阻尼器采用LINK180桿單元，該單元能夠有效模擬桿狀結構的軸向受力和變形特性，與SMA阻尼器的實際受力情況相符，能夠準確反映SMA阻尼器在節點中的力學行為。接觸關系設置方面，柱腳底板與基礎之間采用面面接觸，定義接觸對為TARGE170目標單元和CONTA174接觸單元，采用罰函數法來處理接觸問題，設置摩擦系數為0.3，以模擬兩者之間的摩擦行為。這種設置能夠較為真實地反映柱腳底板與基礎在受力過程中的相互作用，包括法向的接觸壓力和切向的摩擦力，從而準確模擬節點在地震作用下的力學響應。SMA阻尼器與柱腳節點的連接部位采用綁定接觸，確保兩者在受力過程中能夠協同工作，避免出現相對滑移或分離現象，保證了數值模擬的準確性。6.1.2模型的驗證與校準將建立的數值模擬模型的計算結果與前面章節的試驗結果進行詳細對比，以驗證模型的準確性和可靠性。對比內容主要包括滯回曲線、骨架曲線、等效粘滯阻尼比、位移延性比和殘余變形等關鍵抗震性能指標。在滯回曲線對比方面，數值模擬得到的滯回曲線與試驗滯回曲線在形狀和變化趨勢上具有較高的一致性。在加載初期，兩者均表現出近似線性的彈性階段，隨著加載位移的增加，逐漸進入彈塑性階段，滯回曲線開始出現明顯的滯回環，且環的形狀和飽滿程度相似。這表明數值模擬模型能夠準確模擬基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點在反復加載過程中的力學行為，包括彈性變形、塑性變形和能量耗散等過程。骨架曲線的對比結果也顯示出良好的一致性。數值模擬得到的骨架曲線與試驗骨架曲線的峰值荷載、屈服荷載和極限位移等關鍵特征點較為接近，誤差在合理范圍內。這說明數值模擬模型能夠準確預測節點在加載過程中的承載能力和變形能力，為后續的參數分析和性能評估提供了可靠的依據。等效粘滯阻尼比是衡量節點耗能能力的重要指標，數值模擬計算得到的等效粘滯阻尼比與試驗結果相比，誤差在10%以內。這表明數值模擬模型能夠較為準確地反映節點的耗能特性，通過模擬可以有效評估不同參數對節點耗能能力的影響。位移延性比反映了節點在大變形下的變形能力，數值模擬結果與試驗結果的位移延性比相對誤差在15%以內。這說明數值模擬模型能夠合理地模擬節點在大變形情況下的變形行為，為研究節點的抗震性能提供了有效的手段。殘余變形是衡量節點震后可恢復性的關鍵指標，數值模擬得到的殘余變形與試驗結果基本相符，誤差在允許范圍內。這表明數值模擬模型能夠準確預測節點在地震作用后的殘余變形情況，為評估節點的震后性能提供了可靠的數據支持。通過對滯回曲線、骨架曲線、等效粘滯阻尼比、位移延性比和殘余變形等關鍵抗震性能指標的對比驗證，結果表明建立的數值模擬模型具有較高的準確性和可靠性，能夠有效模擬基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點的抗震性能，為后續的深入研究和工程應用提供了有力的工具。6.2數值模擬結果分析6.2.1節點的應力與應變分布在地震作用下，基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點的應力和應變分布呈現出復雜的狀態，這對于深入了解節點的力學行為和確定薄弱部位至關重要。通過數值模擬分析，詳細探討了節點在不同地震工況下的應力與應變分布規律。在水平地震力作用下，柱腳節點的應力分布呈現出明顯的特征。柱腳底板與基礎接觸部位的應力集中現象較為顯著，尤其是在柱腳底板的邊緣區域，應力值相對較高。這是因為在地震作用下，柱腳底板承受著來自柱身傳遞的水平力和豎向力，邊緣區域的受力更為復雜，導致應力集中。柱腳節點處的連接螺栓也承受著較大的應力，尤其是在螺栓與柱腳底板和柱身的連接處，應力集中明顯。這是由于連接螺栓在節點中起到傳遞力的作用，在地震作用下，螺栓受到拉力和剪力的共同作用，容易出現應力集中現象。SMA阻尼器的應力分布則與自身的變形和受力狀態密切相關。在地震作用初期，SMA阻尼器的應力較小，隨著地震作用的增強，SMA阻尼器發生變形，應力逐漸增大。當SMA阻尼器的變形達到一定程度時，其內部的SMA合金開始發生相變，應力-應變曲線出現明顯的變化。在相變過程中，SMA阻尼器的應力分布呈現出不均勻的狀態，部分區域的應力較高，這是由于SMA合金在相變過程中，內部結構發生變化，導致應力分布不均勻。節點的應變分布也具有一定的規律。柱身的應變主要集中在柱腳附近區域，隨著與柱腳距離的增加，應變逐漸減小。這是因為柱腳是結構中受力最為復雜的部位，在地震作用下，柱腳的轉動和位移會引起柱身的彎曲變形，從而導致柱腳附近區域的應變較大。SMA阻尼器的應變分布與應力分布相對應，在應力較高的區域，應變也較大。這表明SMA阻尼器在地震作用下，通過自身的變形來耗散能量，其應變分布反映了能量的耗散情況。根據應力和應變分布情況，確定了節點的薄弱部位。柱腳底板的邊緣區域和連接螺栓的連接處是應力集中的區域，容易出現局部破壞，如柱腳底板的邊緣可能會出現撕裂現象，連接螺栓可能會發生剪斷或松動。SMA阻尼器中應力較高的區域也是薄弱部位，在地震作用下，這些區域可能會出現SMA合金的斷裂或失效，從而影響阻尼器的耗能和自復位能力。在實際工程應用中，針對這些薄弱部位，需要采取相應的加強措施，如增加柱腳底板的厚度、加強連接螺栓的錨固、優化SMA阻尼器的結構設計等，以提高節點的抗震性能。6.2.2抗震性能參數的模擬結果通過數值模擬計算，得到了基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點的位移、加速度、耗能等抗震性能參數，這些參數為評估節點的抗震性能提供了重要依據。在位移方面，數值模擬結果顯示，在地震作用下，節點的位移響應隨著地震波峰值加速度的增加而增大。在小震作用下，節點的位移較小，結構基本處于彈性階段，位移響應主要由結構的彈性變形引起。隨著地震波峰值加速度的增大，進入中震和大震作用時，節點的位移明顯增大，結構進入彈塑性階段，SMA阻尼器和自復位柱腳節點的協同工作機制開始發揮重要作用。SMA阻尼器通過自身的變形耗散能量，減小了結構的位移響應；自復位柱腳節點則利用預應力筋和SMA阻尼器的自復位能力，使節點在地震作用后能夠恢復到接近初始位置，有效控制了節點的殘余位移。在某一地震工況下，當輸入的地震波峰值加速度為0.1g時，節點的最大位移為15mm，殘余位移為3mm；當峰值加速度增大到0.3g時，節點的最大位移增加到35mm，但殘余位移僅為5mm，表明SMA阻尼器和自復位柱腳節點的協同工作有效地減小了節點的殘余位移。加速度響應也是評估節點抗震性能的重要指標。模擬結果表明，節點的加速度響應在地震作用初期迅速增大，隨著SMA阻尼器和自復位柱腳節點的耗能和自復位作用的發揮，加速度響應逐漸減小。在地震作用的不同階段，加速度響應呈現出不同的變化規律。在地震波的高頻段，加速度響應較為劇烈，這是由于高頻地震波對結構的沖擊作用較強；而在地震波的低頻段，加速度響應相對較為平穩。SMA阻尼器的存在有效地減小了節點在高頻段的加速度響應，降低了結構受到的沖擊作用。在一次模擬中，當未設置SMA阻尼器時，節點在高頻段的最大加速度響應為2.5m/s2；設置SMA阻尼器后，節點在相同高頻段的最大加速度響應降低到1.8m/s2，說明SMA阻尼器對節點加速度響應的控制效果顯著。耗能能力是衡量節點抗震性能的關鍵指標之一。通過數值模擬計算得到的節點耗能曲線表明，在地震作用下，節點的耗能主要來自于SMA阻尼器的相變耗能和自復位柱腳節點的摩擦耗能等。隨著地震作用的持續，節點的耗能逐漸增加，SMA阻尼器的相變過程不斷進行，吸收和釋放能量，有效地耗散了地震輸入的能量。在整個地震作用過程中，節點的耗能能力與地震波的特性、SMA阻尼器的參數以及自復位柱腳節點的結構形式等因素密切相關。在不同的地震工況下，通過調整SMA阻尼器的參數和自復位柱腳節點的結構形式，可以優化節點的耗能能力。當增加SMA阻尼器的長度時，節點的耗能能力明顯增強，在一次模擬中，SMA阻尼器長度增加20%后，節點的總耗能增加了15%，說明合理調整SMA阻尼器的參數可以提高節點的耗能能力。6.2.3與試驗結果的對比分析將數值模擬結果與試驗結果進行對比分析，有助于深入了解基于SMA阻尼器的自復位柱腳節點的抗震性能，同時也能驗證數值模擬模型的準確性和可靠性。通過對比滯回曲線、骨架曲線以及抗震性能指標等方面，詳細分析了兩者之間的差異和原因。在滯回曲線對比方面，數值模擬得到的滯回曲線與試驗滯回曲線在整體形狀和變化趨勢上具有較高的一致性。兩者均呈現出飽滿的滯回環，表明在加載過程中，節點能夠有效地耗散能量。在加載初期，滯回曲線近似為直線，隨著加載位移的增加，曲線逐漸偏離直線，出現明顯的滯回環，這與試驗結果相符