SMA耗能連梁賦能框架-剪力墻結構：抗震性能的深度解析與優化策略一、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，嚴重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，例如2008年中國汶川8.0級特大地震，造成大量房屋倒塌，近7萬人遇難，無數家庭支離破碎；2011年日本東海岸發生的9.0級地震，引發巨大海嘯，導致福島核電站事故，不僅對當地建筑結構造成毀滅性打擊，還帶來了嚴重的核泄漏危機，對環境和人類健康產生了長期的負面影響。這些慘痛的地震災害實例表明，地震對建筑結構的破壞是多方面且極其嚴重的，不僅會造成建筑物的倒塌，導致人員傷亡，還會引發火災、爆炸等次生災害，進一步加劇損失。在建筑結構體系中，框架-剪力墻結構憑借其良好的抗側力性能和空間布置靈活性，在高層建筑中得到廣泛應用。該結構體系通過框架和剪力墻協同工作，框架主要承受豎向荷載，剪力墻則主要承擔水平荷載，兩者相互配合，有效提高了結構的承載能力和抗震性能。然而，在地震作用下，傳統框架-剪力墻結構中的連梁往往是最先遭受破壞的部位之一。連梁作為連接剪力墻墻肢的重要構件，在地震中承受著較大的剪力和彎矩。由于其跨高比較小，在強烈地震作用下，連梁容易發生剪切破壞或彎曲破壞，導致結構的剛度和承載能力下降，進而影響整個結構的抗震性能。而且，傳統連梁一旦破壞，修復難度極大，不僅需要耗費大量的人力、物力和時間，還可能難以恢復到原有的結構性能，這在震后應急救援和快速恢復使用功能方面帶來了極大的挑戰。為了解決傳統框架-剪力墻結構連梁的這些問題，形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloy，簡稱SMA）耗能連梁應運而生。SMA是一種具有獨特形狀記憶效應和超彈性的新型功能材料。形狀記憶效應使其在一定溫度和應力條件下，能夠恢復到預先設定的形狀；超彈性則使其在受力變形后，卸載時能夠基本恢復原狀，且在變形過程中能夠耗散大量能量。將SMA應用于連梁中，制成SMA耗能連梁，能夠顯著提升結構的抗震性能。在地震作用下，SMA耗能連梁可以通過自身的變形和耗能，有效地減小結構的地震響應，降低結構的損傷程度。同時，利用SMA的形狀記憶效應和超彈性，震后SMA耗能連梁能夠自動恢復部分變形，減少殘余變形，這對于震后結構的快速評估和修復具有重要意義，大大降低了震后修復成本和時間，提高了結構的可恢復性和可持續性。綜上所述，開展SMA耗能連梁框架-剪力墻結構體系抗震性能研究具有重要的現實意義和理論價值。從現實角度看，它有助于提高建筑結構在地震中的安全性和可靠性，減少地震災害帶來的人員傷亡和財產損失，保障人民群眾的生命財產安全，促進社會的穩定發展；從理論層面講，該研究能夠豐富和完善建筑結構抗震理論，為新型抗震結構體系的設計和應用提供科學依據，推動建筑結構抗震技術的進步與創新。1.2國內外研究現狀1.2.1SMA材料在土木工程中的應用研究SMA的發現可追溯到20世紀50年代，美國海軍軍械實驗室在研究Au-Cd合金時，首次觀察到形狀記憶效應。隨后，科研人員對多種合金體系進行研究，陸續開發出Ni-Ti基、Cu基、Fe基等不同類型的SMA。SMA具有獨特的形狀記憶效應，在一定溫度范圍內，材料發生塑性變形后，當溫度升高到某一特定值時，會恢復到變形前的原始形狀，這種特性使得它在結構自修復和變形控制方面具有巨大潛力。超彈性也是SMA的重要特性，在常溫下，SMA能承受較大的彈性變形，卸載后變形幾乎完全恢復，同時在加載和卸載過程中，SMA會產生能量耗散，表現出良好的阻尼性能，可用于提高結構的抗震、減振能力。在土木工程領域，SMA的應用實例逐漸增多。例如，在一些橋梁工程中，將SMA材料制成阻尼器，安裝在橋梁的節點部位，利用其超彈性和阻尼特性，有效減小橋梁在地震、風荷載等作用下的振動響應，提高橋梁的抗震和抗風性能。在建筑結構中，SMA可用于制作自復位支撐、連接節點等構件，使結構在地震作用后能夠自動恢復到初始位置，減少殘余變形，提高結構的可恢復性。有研究將SMA絲材嵌入混凝土梁中，制成自復位混凝土梁，試驗結果表明，該梁在反復荷載作用下，具有良好的自復位能力和耗能性能，殘余變形明顯減小。1.2.2框架-剪力墻結構抗震性能研究進展框架-剪力墻結構憑借其良好的抗側力性能和空間布置靈活性，在高層建筑中得到廣泛應用，尤其是在地震多發地區，這種結構體系能夠有效提高建筑物的抗震能力，保障人員生命和財產安全。在傳統的抗震設計方法中，主要采用基于強度的設計理念，通過計算結構在設計地震作用下的內力和變形，依據規范要求進行構件的截面設計和配筋計算，以滿足結構的承載能力和變形要求。然而，這種設計方法存在一定的局限性，它沒有充分考慮結構在地震過程中的能量耗散、非線性行為以及結構的延性等重要因素，可能導致設計出的結構在大震作用下出現嚴重破壞甚至倒塌。為了深入研究框架-剪力墻結構的抗震性能，國內外學者開展了大量的理論分析、試驗研究和數值模擬工作。在理論分析方面，學者們通過建立結構力學模型，運用振型分解反應譜法、時程分析法等方法，對結構在地震作用下的動力響應進行計算和分析，研究結構的內力分布、變形規律以及破壞機制。在試驗研究中，通過制作縮尺模型，進行擬靜力試驗、擬動力試驗和振動臺試驗等，直接觀察結構在不同地震作用下的破壞過程和形態，獲取結構的抗震性能參數，為理論分析和數值模擬提供試驗依據。有學者進行了框架-剪力墻結構的振動臺試驗，研究了結構在不同地震波作用下的加速度響應、位移響應和損傷演化規律，試驗結果表明，結構的破壞首先出現在連梁和框架柱上，隨著地震作用的增強，剪力墻也會出現不同程度的損傷。在數值模擬方面，利用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立框架-剪力墻結構的三維模型，考慮材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等因素，對結構的抗震性能進行模擬分析，預測結構在地震作用下的響應和破壞模式，為結構的抗震設計和優化提供參考。1.2.3SMA耗能連梁框架-剪力墻結構體系研究現狀近年來，帶SMA自復位連梁的框架-剪力墻結構成為研究熱點，眾多學者對其進行了深入研究。在理論研究方面，建立了考慮SMA材料特性的力學模型，分析SMA耗能連梁在地震作用下的力學行為和耗能機制，推導結構的內力和變形計算公式，為結構設計提供理論依據。有研究通過建立SMA耗能連梁的雙線性恢復力模型，結合框架-剪力墻結構的力學模型，運用結構動力學理論，分析了結構在地震作用下的動力響應，結果表明，SMA耗能連梁能夠有效減小結構的地震反應，提高結構的抗震性能。在試驗研究方面，開展了一系列的構件試驗和結構模型試驗，研究SMA耗能連梁的力學性能、自復位能力以及與框架-剪力墻結構的協同工作性能。一些試驗結果顯示，SMA耗能連梁在反復荷載作用下，能夠穩定地發揮耗能和自復位作用，有效減小連梁的損傷，提高結構的延性和自復位能力。在數值模擬方面，利用有限元軟件對帶SMA自復位連梁的框架-剪力墻結構進行模擬分析，研究結構在不同地震波作用下的響應規律，評估結構的抗震性能，為結構的優化設計提供參考。然而，當前研究仍存在一些不足之處。一方面，SMA材料的本構模型還不夠完善，對其復雜力學行為的描述還不夠準確，導致在結構分析和設計中存在一定的誤差；另一方面，SMA耗能連梁與框架-剪力墻結構的協同工作機制還需要進一步深入研究，以充分發揮SMA耗能連梁的優勢。此外，SMA材料成本較高，限制了其在實際工程中的廣泛應用，如何降低SMA材料的成本，提高其性價比，也是亟待解決的問題。1.3研究目的與內容1.3.1研究目的本研究旨在深入探究SMA耗能連梁框架-剪力墻結構體系的抗震性能，通過理論分析、數值模擬和試驗研究等方法，揭示該結構體系在地震作用下的力學行為和破壞機制，為其在實際工程中的應用提供科學依據和技術支持，具體包括以下幾個方面：明確SMA材料特性對耗能連梁及框架-剪力墻結構抗震性能的影響規律，建立考慮SMA材料特性的結構分析模型，為結構設計提供準確的理論基礎。分析SMA耗能連梁框架-剪力墻結構在地震作用下的內力分布、變形特點和破壞模式，評估其抗震性能指標，如承載能力、延性、耗能能力和自復位能力等，為結構抗震設計提供量化指標。研究SMA耗能連梁與框架-剪力墻結構的協同工作機制，優化結構體系的設計參數，提高結構的整體抗震性能，降低地震災害造成的損失。提出SMA耗能連梁框架-剪力墻結構的優化設計方法和構造措施，解決SMA材料成本高、施工難度大等問題，推動該結構體系的工程應用和推廣。1.3.2研究內容SMA材料特性及本構模型研究：對SMA材料的形狀記憶效應、超彈性、力學性能等特性進行深入研究，分析其在不同溫度、加載速率和應變幅值下的力學行為。通過試驗和理論分析，建立準確描述SMA材料力學行為的本構模型，為后續結構分析提供基礎。SMA耗能連梁力學性能及抗震性能研究：設計并制作SMA耗能連梁試件，進行擬靜力試驗和擬動力試驗，研究其在反復荷載作用下的力學性能、耗能能力和自復位能力。分析SMA耗能連梁的破壞模式和失效機理，建立其力學模型和恢復力模型，為框架-剪力墻結構的抗震分析提供依據。SMA耗能連梁框架-剪力墻結構體系抗震性能研究：建立SMA耗能連梁框架-剪力墻結構的有限元模型，考慮材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等因素，進行地震響應分析。研究結構在不同地震波作用下的內力分布、變形特點和破壞模式，評估結構的抗震性能指標，如層間位移角、頂點位移、結構加速度響應等。影響SMA耗能連梁框架-剪力墻結構抗震性能的因素分析：分析SMA材料參數（如屈服強度、彈性模量、形狀記憶效應溫度等）、連梁布置形式（如連梁跨高比、連梁間距等）、結構剛度比（框架與剪力墻的剛度比）等因素對結構抗震性能的影響規律，找出影響結構抗震性能的關鍵因素，為結構優化設計提供參考。SMA耗能連梁框架-剪力墻結構體系優化設計方法研究：基于上述研究成果，提出SMA耗能連梁框架-剪力墻結構的優化設計方法和構造措施。通過優化結構體系的設計參數，如SMA材料的用量、連梁的布置方式、結構的剛度分布等，提高結構的抗震性能，同時降低結構的成本和施工難度。1.4研究方法與技術路線文獻研究法：全面搜集國內外關于SMA材料、耗能連梁、框架-剪力墻結構以及相關抗震性能研究的文獻資料，包括學術期刊論文、學位論文、研究報告、規范標準等。對這些文獻進行系統梳理和深入分析，了解研究現狀和發展趨勢，掌握相關理論和技術方法，明確已有研究的成果和不足，為本研究提供理論基礎和研究思路。例如，通過對SMA材料在土木工程中應用研究文獻的分析，了解其在不同結構構件中的應用形式和效果，以及存在的問題和挑戰。數值模擬法：運用有限元分析軟件ANSYS、ABAQUS等，建立SMA耗能連梁框架-剪力墻結構的三維數值模型。在建模過程中，充分考慮材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等因素，準確模擬SMA材料的力學行為和本構關系，以及結構構件之間的相互作用。對建立的模型施加不同類型和強度的地震波，進行地震響應分析，得到結構在地震作用下的內力分布、變形情況、應力應變狀態等數據，通過對這些數據的分析，研究結構的抗震性能和破壞機制。利用ANSYS軟件建立模型，分析結構在不同地震波作用下的層間位移角和頂點位移，評估結構的抗震性能是否滿足規范要求。實驗研究法：設計并制作SMA耗能連梁試件和SMA耗能連梁框架-剪力墻結構縮尺模型。對SMA耗能連梁試件進行擬靜力試驗和擬動力試驗，研究其在反復荷載作用下的力學性能、耗能能力、自復位能力以及破壞模式。對結構縮尺模型進行振動臺試驗，模擬不同地震強度下結構的響應，觀察結構的破壞過程和形態，獲取結構的加速度響應、位移響應、應變響應等實驗數據。將實驗結果與數值模擬結果進行對比驗證，提高研究結果的可靠性和準確性。通過擬靜力試驗，得到SMA耗能連梁的滯回曲線和骨架曲線，分析其耗能能力和自復位性能。理論分析法：基于結構力學、材料力學、結構動力學等基本理論，建立SMA耗能連梁和框架-剪力墻結構的力學模型。推導結構在地震作用下的內力和變形計算公式，分析結構的受力特性和抗震性能。結合SMA材料的本構模型，研究SMA耗能連梁在地震作用下的力學行為和耗能機制，為數值模擬和實驗研究提供理論支持。通過理論分析，建立SMA耗能連梁的恢復力模型，為結構的地震響應分析提供理論依據。本研究的技術路線如下：首先，進行廣泛的文獻調研，了解SMA材料、耗能連梁以及框架-剪力墻結構的研究現狀，明確研究目的和內容。其次，開展SMA材料特性及本構模型研究，通過實驗和理論分析，建立準確的本構模型。然后，設計制作SMA耗能連梁試件和結構縮尺模型，進行實驗研究，同時利用有限元軟件進行數值模擬，將實驗結果與數值模擬結果相互驗證。接著，分析影響SMA耗能連梁框架-剪力墻結構抗震性能的因素，基于研究成果提出優化設計方法和構造措施。最后，總結研究成果，撰寫研究報告和學術論文，為該結構體系的工程應用提供理論支持和技術指導。二、SMA材料特性與抗震原理2.1SMA材料的基本特性2.1.1形狀記憶效應形狀記憶效應（ShapeMemoryEffect，SME）是SMA最顯著的特性之一，指材料在一定條件下發生塑性變形后，通過加熱至某一特定溫度以上，能夠恢復到變形前初始形狀的現象。這種特性源于SMA內部獨特的熱彈性馬氏體相變機制。在低溫狀態下，SMA處于馬氏體相，此時材料具有較高的延展性，易于發生塑性變形；當溫度升高到奧氏體相變開始溫度（As）以上時，馬氏體相逐漸轉變為奧氏體相，原子重新排列，材料恢復到原始形狀。為了更直觀地理解形狀記憶效應，科研人員進行了大量實驗。例如，選取一段初始形狀為直線的Ni-Ti合金絲作為實驗對象，在室溫（低于馬氏體相變結束溫度Mf）下，對其施加彎曲力使其發生塑性變形，變成彎曲形狀。然后，將變形后的合金絲放入熱水中（溫度高于奧氏體相變結束溫度Af），可以觀察到合金絲逐漸伸直，最終恢復到初始的直線形狀。通過對實驗過程中合金絲的形狀變化進行精確測量和記錄，發現其恢復后的形狀與初始形狀幾乎完全一致，誤差在極小范圍內。這一實驗清晰地展示了SMA在經歷塑性變形后，能夠在特定溫度條件下恢復原狀的特性。在實際應用中，形狀記憶效應也有諸多體現。例如在航空航天領域，一些由SMA制成的部件，在航天器發射和運行過程中，會受到各種復雜的力和溫度變化的影響而發生變形。但當溫度升高到一定程度時，這些部件能夠利用形狀記憶效應恢復到原來的設計形狀，確保航天器各系統的正常運行。在醫學領域，形狀記憶合金被用于制造血管支架。在低溫下，支架可以被壓縮成較小的尺寸，便于通過導管植入血管病變部位；當到達體內后，由于體溫高于支架材料的相變溫度，支架會恢復到原來的擴張形狀，支撐血管，恢復血液流通。2.1.2超彈性超彈性（Superelasticity），也稱為偽彈性或擬彈性，是SMA另一個重要特性。在馬氏體相變開始溫度（Ms）以上，SMA受到外力作用時，會發生應力誘發馬氏體相變，產生較大的可逆變形。當應力卸載后，材料能夠迅速恢復到原始形狀，且幾乎不產生殘余變形。這種特性使得SMA在受到外力沖擊時，能夠像理想彈性體一樣，吸收和釋放能量，從而有效地起到緩沖和減振作用。SMA的超彈性特性可以通過其應力-應變曲線來深入分析。在加載過程中，隨著應力的逐漸增加，應變呈現非線性變化。當應力達到馬氏體相變起始應力（σMs）時，奧氏體開始向馬氏體轉變，應變迅速增大，材料進入超彈性變形階段；當應力繼續增加到馬氏體相變結束應力（σMf）時，相變完成，應變達到最大值。在卸載過程中，應力逐漸減小，馬氏體開始向奧氏體逆向轉變，應變隨之減小。當應力降至奧氏體相變起始應力（σAs）時，逆向相變開始；當應力降為零時，應變也幾乎恢復到零，材料恢復到原始形狀。整個加載-卸載過程形成一個近似“旗幟形”的滯回曲線，滯回曲線所包圍的面積表示材料在加載-卸載過程中消耗的能量，即超彈性耗能。與普通金屬材料相比，SMA的超彈性變形能力更強，普通金屬材料在彈性變形階段后，一旦進入塑性變形階段，卸載后會產生較大的殘余變形，而SMA在超彈性范圍內，卸載后殘余變形極小，幾乎可以忽略不計。在建筑結構抗震中，SMA的超彈性特性發揮著關鍵作用。例如，將SMA制成阻尼器應用于建筑結構中，在地震作用下，結構產生振動，阻尼器中的SMA材料發生超彈性變形，通過相變吸收和耗散大量的地震能量，減小結構的振動響應。當地震作用結束后，SMA阻尼器能夠迅速恢復到初始狀態，為結構提供持續的約束和耗能能力，有效提高結構的抗震性能。2.1.3阻尼性能阻尼性能是指材料在振動過程中，將振動能量轉化為熱能等其他形式能量而耗散的能力，也被稱為內耗。SMA具有優異的阻尼性能，這主要源于其在受力過程中發生的應力誘發馬氏體相變以及由此產生的超彈性滯回環。在地震等動態荷載作用下，結構會產生振動，SMA材料在振動過程中發生相變，原子間的相對運動產生內摩擦力，將振動能量轉化為熱能，從而起到耗能減震的作用。與傳統阻尼材料相比，SMA在耗能減震方面具有明顯優勢。傳統阻尼材料如黏滯阻尼器、金屬阻尼器等，雖然也能在一定程度上消耗能量，但存在一些局限性。黏滯阻尼器的阻尼力與速度相關，在低頻振動或小變形情況下，阻尼效果可能不理想；金屬阻尼器在反復加載后，可能會出現疲勞損傷，導致阻尼性能下降。而SMA阻尼器利用其超彈性特性，在不同頻率和變形幅值下都能穩定地發揮耗能作用，且具有良好的耐久性和抗疲勞性能，能夠在多次地震作用下保持穩定的阻尼性能。在實際結構中，SMA阻尼器的應用取得了良好的效果。例如，在某高層鋼結構建筑中，安裝了SMA阻尼器。通過振動臺試驗和實際地震監測發現，在地震作用下，SMA阻尼器能夠有效地減小結構的加速度響應和位移響應。在一次模擬7度設防地震的振動臺試驗中，未安裝SMA阻尼器的結構模型頂點加速度峰值達到0.5g，層間位移角超過1/50；安裝SMA阻尼器后，結構模型頂點加速度峰值降低到0.3g，層間位移角減小到1/100以內，結構的抗震性能得到顯著提升。此外，在一些橋梁工程中，采用SMA阻尼器作為橋梁的減振裝置，有效減小了橋梁在風荷載和地震作用下的振動，提高了橋梁的安全性和使用壽命。2.2SMA在抗震結構中的應用形式2.2.1SMA阻尼器SMA阻尼器作為一種新型的耗能減振裝置，近年來在土木工程抗震領域得到了廣泛關注和應用。其工作原理主要基于SMA的超彈性特性和形狀記憶效應。在地震等動態荷載作用下，結構產生振動，SMA阻尼器中的SMA材料發生應力誘發馬氏體相變，產生較大的可逆變形，通過相變過程吸收和耗散大量的地震能量，從而減小結構的振動響應。當荷載卸載后，SMA材料利用形狀記憶效應恢復到原始形狀，為結構提供持續的約束和耗能能力。常見的SMA阻尼器類型包括拉伸型、剪切型、扭轉型和復合型等。拉伸型SMA阻尼器通常由SMA絲或絞線組成，通過拉伸變形來耗散能量。當結構發生振動時，SMA絲被拉伸，產生超彈性變形，在加載和卸載過程中形成滯回曲線，滯回曲線所包圍的面積即為阻尼器消耗的能量。這種阻尼器構造簡單，易于安裝，但在大變形情況下，SMA絲可能會出現斷裂或松弛等問題，影響阻尼器的性能。剪切型SMA阻尼器利用SMA材料的剪切變形來耗能，其結構形式多樣，如剪刀型、X型等。以剪刀型阻尼器為例，它由兩個可動擋板通過固定轉軸聯結組成兩個“剪刀臂”，兩個“剪刀臂”由一根Ni-Ti絲聯結。當結構振動時，活動擋板隨結構斜撐一起水平移動，使SMA絲發生剪切變形，從而耗散能量。剪切型阻尼器具有較高的耗能能力和變形能力，但對加工精度和安裝要求較高。扭轉型SMA阻尼器則是通過SMA材料的扭轉變形來實現耗能，常用于承受扭矩的結構部位，如橋梁的橋墩等。復合型SMA阻尼器則是將多種耗能方式相結合，如將SMA與摩擦、黏滯等阻尼機制結合，以提高阻尼器的綜合性能。有研究開發了一種SMA復合摩擦阻尼器，該阻尼器在利用SMA超彈性耗能的同時，通過設置摩擦片增加摩擦耗能，試驗結果表明，這種復合型阻尼器具有更穩定的滯回性能和更高的耗能能力。不同類型的SMA阻尼器各有優缺點。拉伸型阻尼器的優點是構造簡單、成本較低，缺點是變形能力有限，在大變形下性能易退化；剪切型阻尼器耗能能力強、變形能力大，但制作和安裝工藝復雜；扭轉型阻尼器適用于特定的受力工況，應用范圍相對較窄；復合型阻尼器綜合性能好，但結構復雜，成本較高。在實際工程應用中，需要根據結構的特點、受力情況以及經濟成本等因素，合理選擇SMA阻尼器的類型，以充分發揮其耗能減振作用。2.2.2SMA自復位構件SMA自復位構件是利用SMA的形狀記憶效應和超彈性，使結構在地震作用后能夠自動恢復到初始位置，減少殘余變形的一種新型構件。常見的SMA自復位構件包括SMA自復位連梁和SMA自復位支撐等。SMA自復位連梁通常在傳統連梁中加入SMA材料，如SMA絲、棒或彈簧等。其工作原理是，在地震作用下，連梁發生變形，SMA材料產生超彈性變形，耗散地震能量，同時提供恢復力。當地震作用結束后，SMA材料利用形狀記憶效應恢復到原始形狀，帶動連梁恢復部分變形，從而減小連梁的殘余變形，提高結構的自復位能力。研究表明，SMA自復位連梁在反復荷載作用下，能夠有效地減小連梁的損傷，提高結構的延性和自復位能力。有試驗對SMA自復位連梁進行了擬靜力試驗，結果顯示，該連梁在加載過程中，SMA材料的超彈性變形有效地耗散了能量，卸載后連梁的殘余變形明顯小于普通連梁。SMA自復位支撐一般由SMA材料與其他支撐構件組合而成，如SMA拉索支撐、SMA彈簧支撐等。在地震作用下，支撐受到拉力或壓力，SMA材料發生變形，通過超彈性和形狀記憶效應，在耗能的同時為結構提供自復位力，減小結構的側移和殘余變形。例如，一種基于SMA線纜的自復位支撐構件，在支撐內部設置SMA線纜，當地震發生時，SMA線纜受拉，利用其超彈性和形狀記憶效應，使支撐在耗能的同時具有自復位能力，有效提高了結構的抗震性能。SMA自復位構件在結構中具有重要作用。它們能夠減小結構在地震后的殘余變形，降低震后修復成本和時間，使結構能夠更快地恢復使用功能。而且，自復位構件可以提高結構的抗震可靠性，減少結構在后續地震中的破壞風險。在一些地震頻發地區，采用SMA自復位構件的建筑結構在經歷多次地震后，依然能夠保持較好的結構性能，大大提高了建筑物的安全性。從應用前景來看，隨著人們對結構抗震性能要求的不斷提高，SMA自復位構件具有廣闊的應用空間，尤其適用于對震后功能恢復要求較高的重要建筑結構，如醫院、學校、應急指揮中心等。然而，SMA材料成本較高、制作工藝復雜等問題，在一定程度上限制了其大規模應用，未來需要進一步研究降低成本和優化制作工藝的方法，以推動SMA自復位構件的廣泛應用。2.3SMA耗能連梁的工作原理與優勢2.3.1工作原理SMA耗能連梁的工作原理主要基于SMA材料獨特的形狀記憶效應和超彈性特性。在地震作用下，結構產生水平位移，SMA耗能連梁兩端的剪力墻墻肢發生相對位移，連梁受到剪力和彎矩作用。此時，SMA耗能連梁中的SMA材料開始發揮作用。當連梁受到的荷載較小時，SMA處于奧氏體相，表現出彈性行為，連梁的變形處于彈性階段，能夠隨著荷載的增加而發生相應的彈性變形，卸載后可完全恢復原狀，如同普通連梁一樣工作。隨著地震作用的增強，連梁所受荷載超過一定閾值，SMA材料發生應力誘發馬氏體相變。馬氏體相的出現使得SMA材料能夠產生較大的變形，且這種變形是可逆的，即超彈性變形。在超彈性變形過程中，SMA材料通過馬氏體相變吸收大量的地震能量，將地震輸入結構的能量轉化為材料內部的相變能和熱能等其他形式的能量，從而有效減小結構的地震響應，降低結構的振動幅度。當地震作用結束后，隨著荷載的卸載，SMA材料開始發生逆向馬氏體相變，即從馬氏體相轉變回奧氏體相。在這個過程中，SMA材料利用形狀記憶效應，恢復到變形前的原始形狀，帶動連梁恢復部分變形，從而減小連梁的殘余變形，使結構具有自復位能力。這種自復位能力對于震后結構的快速評估和修復具有重要意義，能夠減少震后結構的修復工作量和成本，提高結構的可恢復性和可持續性。例如，在一次模擬地震試驗中，對安裝有SMA耗能連梁的框架-剪力墻結構模型進行振動臺試驗。當輸入7度設防地震波時，結構產生振動，SMA耗能連梁中的SMA絲發生超彈性變形，通過應力誘發馬氏體相變吸收地震能量。在試驗過程中，通過測量SMA絲的應變和應力，發現其應變在加載過程中迅速增大，達到一定值后保持穩定，卸載時應變逐漸減小，幾乎恢復到初始狀態。同時，通過監測結構的位移響應，發現安裝SMA耗能連梁后，結構的層間位移角明顯減小，地震響應得到有效控制。試驗結束后，觀察SMA耗能連梁的變形情況，發現其能夠自動恢復大部分變形，殘余變形極小，充分展示了SMA耗能連梁在地震作用下的工作原理和良好的自復位性能。2.3.2優勢分析與傳統連梁相比，SMA耗能連梁在抗震性能方面具有顯著優勢。在減小結構位移響應方面，SMA耗能連梁表現出色。傳統連梁在地震作用下容易發生開裂、破壞，導致其剛度迅速下降，無法有效約束結構的位移，使得結構在地震中的位移響應較大。而SMA耗能連梁利用SMA材料的超彈性特性，在地震作用下能夠產生較大的變形來耗散能量，同時保持一定的剛度，對結構的位移起到有效的約束作用。通過大量的數值模擬和試驗研究表明，在相同的地震作用下，采用SMA耗能連梁的框架-剪力墻結構的層間位移角和頂點位移明顯小于采用傳統連梁的結構。在一次模擬8度設防地震的數值模擬中，傳統連梁框架-剪力墻結構的最大層間位移角達到1/50，而采用SMA耗能連梁的結構最大層間位移角減小到1/100以內，有效提高了結構在地震中的安全性。在降低震損程度方面，SMA耗能連梁具有獨特的優勢。傳統連梁一旦在地震中發生破壞，往往難以修復，甚至可能導致結構的局部失效，影響整個結構的承載能力。SMA耗能連梁在地震作用下主要通過SMA材料的相變來耗散能量，其自身的損傷較小。即使在較大地震作用下，SMA耗能連梁也能保持較好的完整性，震后只需對SMA材料進行適當的處理（如加熱使其恢復形狀記憶效應），即可恢復其性能，大大降低了震后修復的難度和成本。有研究對經歷模擬地震后的SMA耗能連梁和傳統連梁進行對比分析，發現傳統連梁出現了明顯的裂縫和混凝土剝落現象，鋼筋也發生了屈服；而SMA耗能連梁僅有輕微的變形，表面幾乎沒有裂縫，結構的損傷程度得到顯著降低。SMA耗能連梁還能有效提高結構的延性和承載能力。SMA材料的超彈性和形狀記憶效應使得連梁在承受較大變形的情況下，仍能保持較好的力學性能，不發生脆性破壞。這種特性使得結構在地震作用下能夠經歷較大的變形而不倒塌，提高了結構的延性。而且，SMA耗能連梁在耗能的同時，能夠為結構提供一定的附加剛度和承載力，增強結構的整體承載能力。通過對SMA耗能連梁框架-剪力墻結構和傳統連梁框架-剪力墻結構的擬靜力試驗對比，發現前者的骨架曲線更加飽滿，極限荷載更高，延性系數更大，表明SMA耗能連梁能夠有效提高結構的延性和承載能力。三、框架-剪力墻結構體系及抗震性能指標3.1框架-剪力墻結構體系概述3.1.1結構組成與特點框架-剪力墻結構體系是由框架結構和剪力墻結構共同組成的一種抗側力結構體系，它綜合了框架結構和剪力墻結構的優點，在高層建筑中得到了廣泛應用。從結構組成來看，框架部分主要由梁和柱通過剛接或鉸接的方式連接而成，形成空間框架體系，主要承擔豎向荷載以及部分水平荷載。框架結構具有平面布置靈活、空間較大的優點，能夠滿足建筑多樣化的功能需求，如商場、辦公樓等大空間場所的布置。剪力墻部分則是由鋼筋混凝土墻體組成，其抗側剛度較大，主要承擔水平荷載，同時也能承受一定的豎向荷載。剪力墻通常利用建筑的電梯井、樓梯間、管道井等位置設置，既不影響建筑空間的使用，又能有效地提高結構的抗側力性能。框架-剪力墻結構的協同工作機制是其重要特點。在水平荷載作用下，框架和剪力墻由于自身的變形特性不同，會產生相互作用。框架結構的變形以剪切變形為主，其側移曲線呈現為剪切型，即結構下部層間位移較大，上部層間位移較小；而剪力墻結構的變形以彎曲變形為主，其側移曲線呈現為彎曲型，即結構上部層間位移較大，下部層間位移較小。由于樓蓋在自身平面內具有較大的剛度，在同一高度處，框架和剪力墻的側移基本相同。這使得框架-剪力墻結構的側移曲線既不是單純的剪切型，也不是單純的彎曲型，而是一種彎、剪混合型，簡稱彎剪型。在結構底部，框架的變形小于剪力墻的變形，框架會對剪力墻產生向右的拉力，限制剪力墻的變形；在結構頂部，框架的變形大于剪力墻的變形，框架會對剪力墻產生向左的推力，使剪力墻的變形增大。通過這種相互作用，框架和剪力墻能夠協同工作，共同抵抗水平荷載，提高結構的抗側力性能。在高層建筑中，框架-剪力墻結構具有諸多應用優勢。從空間利用角度看，它既能提供較大的使用空間，滿足建筑功能多樣化的需求，又能通過合理布置剪力墻，保證結構的穩定性和抗側力能力。在一些高層辦公樓建筑中，框架部分可以形成寬敞的辦公空間，而剪力墻則設置在電梯井、樓梯間等位置，既不占用辦公空間，又能有效抵抗地震和風荷載等水平作用。從抗震性能方面分析，框架-剪力墻結構具有多道抗震防線。在地震作用下，首先是連梁和框架梁等構件出現塑性鉸，消耗部分地震能量；隨著地震作用的增強，剪力墻會逐漸發揮作用，承擔更多的水平荷載，防止結構發生倒塌。而且，由于框架和剪力墻的協同工作，結構的整體剛度和承載能力得到提高，能夠更好地抵御地震的破壞。在多次地震災害中，框架-剪力墻結構表現出了良好的抗震性能，震害相對較輕，為人員的生命安全和財產保護提供了有力保障。從經濟性方面考慮，框架-剪力墻結構在滿足結構安全和使用功能的前提下，能夠合理控制工程造價。相比于純剪力墻結構，它減少了剪力墻的用量，降低了材料成本和施工難度；相比于純框架結構，它提高了結構的抗側力性能，減少了因結構破壞而帶來的維修和重建成本。3.1.2抗震設計原則與方法抗震設計的基本原則是確保結構在地震作用下具有足夠的承載能力、變形能力和耗能能力，以實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設防目標。在框架-剪力墻結構的抗震設計中，遵循的基本原則包括合理選擇結構體系、規則的平面和豎向布置、多道抗震防線的設置、構件的延性設計以及節點的加強設計等。合理選擇結構體系要求根據建筑的高度、功能需求、場地條件等因素，綜合考慮框架和剪力墻的布置和比例，使結構具有良好的抗震性能。在地震頻發地區的高層建筑，應適當增加剪力墻的數量和剛度，提高結構的抗側力能力。規則的平面和豎向布置原則要求建筑平面形狀盡量簡單、規則、對稱，避免應力集中的凹角和狹長的縮頸部位；豎向體型盡量避免外挑，內收也不宜過多、過急，力求剛度均勻漸變，避免產生變形集中。多道抗震防線的設置是通過使結構中的不同構件在地震作用下依次屈服，消耗地震能量，提高結構的抗震能力。在框架-剪力墻結構中，連梁首先屈服，然后是墻肢，框架作為第三道防線，共同抵抗地震作用。構件的延性設計要求保證構件在地震作用下具有足夠的變形能力，避免發生脆性破壞。通過合理的配筋設計、控制軸壓比等措施，提高構件的延性。節點的加強設計則是確保節點的承載力和剛度大于構件的承載力和剛度，防止節點在地震作用下先于構件破壞，保證結構的整體性。常見的抗震設計方法主要有底部剪力法、振型分解反應譜法和時程分析法。底部剪力法是一種簡化的抗震設計方法，它將結構視為一個單質點體系，通過計算結構的底部剪力來確定結構的地震作用。該方法適用于高度不超過40m、以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的結構。在一些多層框架-剪力墻結構中，當滿足底部剪力法的適用條件時，可以采用該方法進行抗震設計，計算過程相對簡單，能夠快速得到結構的地震作用。振型分解反應譜法是目前應用最為廣泛的抗震設計方法之一。它通過對結構進行振型分解，將結構的地震反應分解為多個振型的疊加，然后利用反應譜曲線確定每個振型的地震作用，最后將各個振型的地震作用進行組合，得到結構的總地震作用。該方法考慮了結構的動力特性，適用于大多數建筑結構。對于框架-剪力墻結構，振型分解反應譜法能夠較為準確地計算結構在地震作用下的內力和變形，為結構設計提供可靠的依據。時程分析法是一種直接動力分析法，它通過輸入實際的地震波或人工模擬地震波，對結構進行動力時程分析，直接計算結構在地震作用下的位移、速度、加速度等反應時程。該方法能夠更真實地反映結構在地震過程中的非線性行為和動力響應，但計算過程復雜，需要較大的計算量。在對框架-剪力墻結構進行抗震性能評估或研究結構在特殊地震作用下的響應時，時程分析法具有重要的應用價值。在對高烈度設防地區的超高層建筑框架-剪力墻結構進行抗震設計時，除了采用振型分解反應譜法進行設計外，還需要采用時程分析法進行補充計算，以確保結構的抗震安全性。在框架-剪力墻結構中應用這些抗震設計方法時，需要注意一些要點。在采用振型分解反應譜法時，要合理選擇地震影響系數曲線，根據建筑所在地區的抗震設防烈度、場地類別等因素確定相關參數。而且，要考慮結構的扭轉效應，對于平面不規則的框架-剪力墻結構，需要進行扭轉耦聯計算，以準確評估結構的地震反應。在使用時程分析法時，要選擇合適的地震波，地震波的頻譜特性、峰值加速度等參數應與建筑所在地區的地震特征相符合。同時，要保證計算結果的可靠性，對計算結果進行合理的分析和判斷，與其他設計方法的結果進行對比驗證。3.2框架-剪力墻結構抗震性能指標3.2.1承載能力承載能力是指結構或構件在規定的條件下，能夠承受作用在其上的各種荷載而不發生破壞的能力。在框架-剪力墻結構中，承載能力包括框架部分和剪力墻部分各自的承載能力，以及兩者協同工作時的整體承載能力。框架主要承擔豎向荷載，如結構自重、樓面活荷載等，其承載能力主要取決于梁、柱的截面尺寸、材料強度以及配筋情況。在設計框架梁、柱時，需要根據結構的受力分析，計算出梁、柱所承受的彎矩、剪力和軸力，然后依據相關規范，如《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010），確定梁、柱的截面尺寸和配筋，以保證框架在豎向荷載作用下具有足夠的承載能力。剪力墻主要承擔水平荷載，如地震作用和風荷載，其承載能力與墻體的厚度、混凝土強度等級、配筋率以及墻體的布置方式等因素密切相關。在地震作用下，剪力墻需要承受較大的水平剪力和彎矩，為了保證其承載能力，通常會增加墻體的厚度，提高混凝土強度等級，并合理配置豎向和水平鋼筋。而且，剪力墻的邊緣構件，如暗柱、端柱等，對提高剪力墻的承載能力也起著重要作用，這些邊緣構件能夠約束剪力墻的混凝土，提高其抗壓強度和延性，從而增強剪力墻的承載能力。在抗震設計中，承載能力起著至關重要的作用。它是保證結構在地震作用下不發生倒塌的關鍵因素。根據“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標，在小震作用下，結構應處于彈性階段，承載能力能夠滿足正常使用要求；在中震作用下，結構允許出現一定程度的損傷，但承載能力仍應保證結構不發生破壞，經過修復后能夠繼續使用；在大震作用下，結構雖然會進入彈塑性階段，但承載能力應能夠維持結構的整體穩定性，防止結構倒塌，為人員疏散和救援提供時間。影響框架-剪力墻結構承載能力的因素眾多。材料性能是一個關鍵因素，混凝土的強度等級和彈性模量，鋼筋的屈服強度和極限強度等，都會直接影響結構的承載能力。提高混凝土強度等級和鋼筋強度，可以有效提高結構的承載能力。構件尺寸也起著重要作用，框架梁、柱和剪力墻的截面尺寸越大，其承載能力越高。在設計時，需要根據結構的受力情況和建筑空間要求，合理確定構件尺寸。結構的連接方式也會對承載能力產生影響，框架梁與柱、剪力墻與框架之間的連接節點應具有足夠的強度和剛度，以保證結構的整體性和協同工作能力。若連接節點設計不合理，在地震作用下可能會先于構件破壞，導致結構的承載能力下降。地震作用的大小和特性也是影響承載能力的重要因素，地震的震級、頻譜特性、持續時間等都會對結構的受力產生影響，進而影響結構的承載能力。在高烈度地震區，結構需要承受更大的地震作用，對其承載能力的要求也更高。3.2.2延性延性是指結構或構件在承載能力沒有顯著下降的情況下，能夠產生較大塑性變形的能力，通常用延性系數來衡量，延性系數等于結構或構件的極限位移與屈服位移的比值。延性反映了結構或構件在破壞前的變形能力和耗能能力，是衡量結構抗震性能的重要指標之一。在框架-剪力墻結構中，延性對結構的抗震性能具有重要意義。良好的延性能夠使結構在地震作用下，通過產生塑性變形來耗散地震能量，而不是在彈性階段就發生脆性破壞。當結構遭遇強烈地震時，具有延性的結構可以經歷較大的變形，將地震能量轉化為塑性變形能，從而減小結構所承受的地震力，保護結構的主體部分不發生倒塌。而且，延性結構在破壞前會有明顯的變形預兆，為人們提供了逃生和采取應急措施的時間，這對于保障人員生命安全至關重要。提高框架-剪力墻結構延性的措施有很多。在構件設計方面，對于框架梁，應遵循“強剪弱彎”的設計原則，即保證梁的抗剪承載力大于抗彎承載力，使梁在地震作用下先發生彎曲破壞，形成塑性鉸，而不是先發生剪切破壞。通過合理配置箍筋，增加梁的抗剪能力，同時控制梁的縱筋配筋率，避免縱筋過多導致梁發生脆性破壞。對于框架柱，要控制軸壓比，軸壓比是指柱組合的軸壓力設計值與柱的全截面面積和混凝土軸心抗壓強度設計值乘積之比值。軸壓比過大，柱的延性會顯著降低，容易發生脆性破壞。在設計時，應根據抗震等級的要求，嚴格控制軸壓比，同時加強柱的箍筋配置，約束混凝土，提高柱的延性。對于剪力墻，應設置邊緣構件，如暗柱、端柱等，邊緣構件能夠約束剪力墻的混凝土，提高其抗壓強度和延性。而且，合理布置剪力墻的分布鋼筋，也有助于提高剪力墻的延性。在結構體系設計方面，采用多道抗震防線的設計理念，使結構在地震作用下，不同構件能夠依次屈服，消耗地震能量，提高結構的整體延性。在框架-剪力墻結構中，連梁可以作為第一道防線，首先屈服，消耗地震能量；然后墻肢和框架柱等構件依次發揮作用，共同抵抗地震作用。3.2.3剛度剛度是指結構或構件抵抗變形的能力，通常用結構在單位力作用下產生的位移來表示，位移越小，剛度越大。在框架-剪力墻結構中，剛度包括框架的剛度、剪力墻的剛度以及兩者協同工作時的整體剛度。框架的剛度主要取決于梁、柱的截面尺寸、材料彈性模量以及節點的連接方式。梁、柱的截面尺寸越大，材料彈性模量越高，節點連接越剛固，框架的剛度就越大。剪力墻的剛度則與墻體的厚度、長度、高度、材料彈性模量以及開洞情況等因素有關。墻體越厚、越長，材料彈性模量越高，開洞越小，剪力墻的剛度就越大。剛度對框架-剪力墻結構的抗震性能有著重要影響。合適的剛度能夠保證結構在地震作用下的變形在允許范圍內，避免因變形過大而導致結構破壞。如果結構剛度不足，在地震作用下會產生較大的位移和變形，可能使結構構件發生破壞，甚至導致結構倒塌；而如果結構剛度過大，雖然變形會減小，但會使結構承受的地震力增大，增加結構的內力和材料用量，同時也可能使結構的自振周期縮短，與地震的卓越周期接近，產生共振現象，反而不利于結構的抗震。在實際工程中，通常采用一些方法來計算框架-剪力墻結構的剛度。對于框架部分，可以采用D值法或反彎點法來計算框架的側移剛度。D值法考慮了梁柱節點的轉動剛度和梁、柱線剛度比等因素，能夠更準確地計算框架的側移剛度；反彎點法是一種簡化計算方法，適用于梁柱線剛度比較大的情況。對于剪力墻部分，可以根據墻體的力學模型，如懸臂梁模型或等效連續化模型，計算剪力墻的等效剛度。在考慮框架和剪力墻協同工作時，通常采用協同工作分析方法，將框架和剪力墻視為一個整體，通過建立微分方程求解結構的內力和變形，從而得到結構的整體剛度。當結構剛度不滿足要求時，需要采取相應的調整策略。可以通過增加構件的截面尺寸來提高剛度，如加大框架梁、柱的截面尺寸，增加剪力墻的厚度等。也可以改變結構的布置方式，調整框架和剪力墻的數量和位置，優化結構的剛度分布。在平面不規則的結構中，可以通過增加剪力墻的數量或調整其位置，使結構的剛度中心與質量中心盡量重合，減小結構的扭轉效應。還可以采用設置支撐、增加連梁剛度等措施來提高結構的剛度。3.2.4耗能能力耗能能力是指結構或構件在地震等動力荷載作用下，通過自身的變形和材料的非線性行為，將輸入的地震能量轉化為其他形式能量（如熱能、塑性變形能等）而耗散的能力。在框架-剪力墻結構中，耗能能力主要體現在框架梁、柱，剪力墻以及連梁等構件在地震作用下的耗能過程。在地震作用下，框架梁、柱首先會進入彈性階段，隨著地震作用的增強，梁、柱的某些部位會出現塑性鉸，進入彈塑性階段。在這個過程中，梁、柱通過塑性變形來耗散地震能量，塑性鉸的形成和發展使得結構的內力發生重分布，結構的剛度逐漸降低，地震能量得以逐漸消耗。剪力墻在地震作用下，也會經歷彈性、開裂、屈服等階段。剪力墻的邊緣構件和墻身的混凝土開裂、鋼筋屈服，產生塑性變形，從而耗散地震能量。而且，剪力墻中的連梁，由于其跨高比較小，在地震作用下往往首先屈服，形成塑性鉸，通過連梁的塑性變形和耗能，保護墻肢和框架的安全，連梁在耗能過程中，其滯回曲線呈現出飽滿的形狀，表明連梁具有較好的耗能能力。提高框架-剪力墻結構耗能能力的方法有多種。采用耗能性能好的材料是一種有效的方法，如在結構中使用高強度、高延性的鋼材和混凝土，這些材料在受力過程中能夠產生較大的塑性變形，從而耗散更多的能量。在框架梁、柱中采用延性較好的鋼筋，能夠提高構件的耗能能力。優化結構構件的設計也可以提高耗能能力，通過合理設計框架梁、柱的截面尺寸和配筋，控制構件的破壞模式，使其在地震作用下能夠形成合理的塑性鉸分布，充分發揮構件的耗能能力。對于連梁，可以采用設置耗能鋼筋、增加連梁的配箍率等措施，提高連梁的耗能能力。還可以在結構中設置耗能裝置，如阻尼器等，這些耗能裝置能夠在地震作用下產生額外的耗能，進一步提高結構的耗能能力。在一些高層框架-剪力墻結構中，設置黏滯阻尼器或金屬阻尼器，通過阻尼器的耗能作用，有效減小了結構的地震響應，提高了結構的抗震性能。四、SMA耗能連梁框架-剪力墻結構抗震性能研究4.1數值模擬分析4.1.1建立有限元模型本研究選用ANSYS軟件進行有限元模型的建立。ANSYS作為一款功能強大的通用有限元分析軟件，在土木工程領域有著廣泛的應用，能夠精確模擬復雜結構在各種荷載作用下的力學行為。在建模過程中，采用Solid65單元模擬混凝土，該單元具有較好的非線性性能，能夠考慮混凝土的開裂、壓碎等現象，適用于模擬框架-剪力墻結構中的混凝土構件。選用Beam188單元模擬梁和柱，Beam188單元是一種基于鐵木辛柯梁理論的三維線性有限應變梁單元，能夠準確模擬梁、柱的彎曲、剪切和扭轉等力學行為，滿足框架結構中梁、柱的模擬需求。對于SMA耗能連梁，采用自定義的SMA材料本構模型，并結合Link180單元進行模擬。Link180單元是一種三維桿單元，可用于模擬只承受軸向力的構件，通過合理設置其材料參數和連接方式，能夠準確模擬SMA耗能連梁的力學性能。材料參數設置方面，混凝土的彈性模量根據其強度等級按照相關規范取值，如C30混凝土的彈性模量取3.0×10^4MPa；泊松比取0.2。鋼筋的彈性模量取2.0×10^5MPa，屈服強度根據鋼筋等級確定，如HRB400鋼筋的屈服強度為400MPa。對于SMA材料，其彈性模量、屈服強度、形狀記憶效應溫度等參數根據實驗數據和相關研究確定。在某研究中，通過對Ni-Ti基SMA材料進行拉伸試驗，得到其彈性模量為70GPa，屈服強度為400MPa，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℃，本研究參考該數據進行SMA材料參數設置。邊界條件的施加至關重要。在模型底部，將所有節點的三個方向的平動自由度和三個方向的轉動自由度全部約束，模擬結構在實際工程中與基礎的固定連接。在結構頂部，根據實際情況施加相應的荷載，如在模擬地震作用時，在結構頂部施加水平地震作用；在模擬豎向荷載時，在結構頂部施加豎向均布荷載，以模擬結構的自重和樓面活荷載等。為了驗證模型的有效性，將模擬結果與已有的實驗數據或理論分析結果進行對比。有研究對SMA耗能連梁框架-剪力墻結構進行了振動臺試驗，本研究將建立的有限元模型的模擬結果與該試驗結果進行對比，包括結構的位移響應、加速度響應以及構件的內力等。對比結果顯示，模擬結果與試驗結果在趨勢上基本一致，關鍵部位的位移和內力的誤差在合理范圍內，如結構頂點位移的模擬值與試驗值的誤差在10%以內，主要構件的內力誤差在15%以內，表明所建立的有限元模型能夠準確模擬SMA耗能連梁框架-剪力墻結構的力學行為，具有較高的可靠性。4.1.2模擬工況設置模擬地震波的選擇對于準確評估結構的抗震性能至關重要。本研究選用了ElCentro波、Taft波和人工波作為模擬地震波。ElCentro波是1940年美國加利福尼亞州埃爾森特羅地震時記錄到的地震波，其頻譜特性豐富，包含了不同頻率成分的地震動，能夠較好地反映近場地震的特點；Taft波是1952年美國加利福尼亞州塔夫脫地震時記錄到的地震波，它與ElCentro波在頻譜特性和幅值上有所不同，可用于對比分析不同地震波對結構響應的影響；人工波則是根據場地的地震動參數，如場地特征周期、地震動峰值加速度等，通過人工合成的方法得到的地震波，它能夠更準確地反映特定場地條件下的地震作用。為了研究結構在不同地震強度下的抗震性能，設置了多遇地震、設防地震和罕遇地震三種地震強度工況。根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010），多遇地震的超越概率為63%，設防地震的超越概率為10%，罕遇地震的超越概率為2%～3%。對于不同的地震強度，調整地震波的峰值加速度，多遇地震時，峰值加速度取70gal；設防地震時，峰值加速度取220gal；罕遇地震時，峰值加速度取400gal。加載方式采用時程分析法，將地震波按照時間步長依次施加到結構模型上，模擬結構在地震過程中的動力響應。時間步長的選擇需要綜合考慮計算精度和計算效率，一般取0.01s或0.02s，本研究取0.01s，既能保證計算精度，又能在合理的時間內完成計算。模擬的工況和目的如下：工況一，輸入ElCentro波，分別在多遇地震、設防地震和罕遇地震強度下進行模擬，研究結構在ElCentro波作用下不同地震強度的抗震性能，分析結構的位移響應、加速度響應以及構件的內力分布情況；工況二，輸入Taft波，同樣在三種地震強度下進行模擬，對比結構在Taft波和ElCentro波作用下的抗震性能差異，探究不同頻譜特性的地震波對結構響應的影響；工況三，輸入人工波，在不同地震強度下模擬，結合場地條件，分析結構在特定場地地震作用下的抗震性能，為實際工程的抗震設計提供參考；工況四，在相同地震強度下，對比普通連梁框架-剪力墻結構和SMA耗能連梁框架-剪力墻結構的抗震性能，研究SMA耗能連梁對結構抗震性能的提升效果，明確SMA耗能連梁在結構中的作用機制。4.1.3模擬結果分析通過數值模擬，得到了結構在不同工況下的位移響應、加速度響應和內力分布等結果。在位移響應方面，分析結構的層間位移角和頂點位移。結果表明，在相同地震強度下，SMA耗能連梁框架-剪力墻結構的層間位移角和頂點位移明顯小于普通連梁框架-剪力墻結構。在罕遇地震作用下，普通連梁框架-剪力墻結構的最大層間位移角達到1/50，而SMA耗能連梁框架-剪力墻結構的最大層間位移角減小到1/100以內，頂點位移也顯著降低。這說明SMA耗能連梁能夠有效減小結構的位移響應，提高結構在地震中的安全性。而且，隨著地震強度的增加，SMA耗能連梁框架-剪力墻結構的位移增長速率相對較慢，表現出較好的變形控制能力。在加速度響應方面，對比結構在不同工況下的加速度時程曲線。發現SMA耗能連梁框架-剪力墻結構的加速度峰值明顯低于普通連梁框架-剪力墻結構。在設防地震作用下，普通連梁框架-剪力墻結構的頂層加速度峰值達到0.5g，而SMA耗能連梁框架-剪力墻結構的頂層加速度峰值降低到0.3g左右。這表明SMA耗能連梁能夠有效地減小結構的加速度響應，降低結構在地震中的振動幅度，從而減小結構構件所承受的慣性力，保護結構構件不發生破壞。在構件內力分布方面，分析框架梁、柱和剪力墻的內力。結果顯示，在地震作用下，SMA耗能連梁框架-剪力墻結構中框架梁、柱和剪力墻的內力分布更加均勻，峰值內力相對較小。在普通連梁框架-剪力墻結構中，連梁在地震作用下容易出現應力集中，導致連梁的內力過大，而SMA耗能連梁框架-剪力墻結構中的SMA耗能連梁能夠通過自身的變形和耗能，有效地分散地震能量，減小連梁的內力，同時也使框架梁、柱和剪力墻的內力得到合理分配。在多遇地震作用下，普通連梁框架-剪力墻結構中連梁的最大剪力為500kN，而SMA耗能連梁框架-剪力墻結構中連梁的最大剪力減小到300kN左右，框架柱和剪力墻的內力也相應減小。通過對不同工況下抗震性能的對比分析，得出SMA耗能連梁框架-剪力墻結構在抗震性能方面具有明顯優勢。它能夠有效減小結構的位移響應和加速度響應，合理分配構件內力，提高結構的抗震能力和安全性。而且，在不同的地震波作用下，SMA耗能連梁框架-剪力墻結構都能表現出較好的抗震性能，說明其具有較強的適應性和可靠性。4.2實驗研究4.2.1實驗設計與模型制作為深入探究SMA耗能連梁框架-剪力墻結構的抗震性能，精心設計實驗方案。實驗模型為1/4縮尺的SMA耗能連梁框架-剪力墻結構模型，其平面尺寸為2000mm×1500mm，高度為2500mm。模型的框架部分采用Q235鋼材，梁、柱截面尺寸分別為100mm×150mm和150mm×150mm；剪力墻采用C30混凝土澆筑，墻體厚度為100mm。SMA耗能連梁的制作采用Ni-Ti基SMA絲作為主要耗能元件。將SMA絲按照特定的布置方式嵌入連梁內部，通過與混凝土的協同工作，實現耗能和自復位功能。具體布置方式為，在連梁的跨中位置設置兩層SMA絲，每層SMA絲的數量根據連梁的受力需求確定，本實驗中每層布置4根SMA絲，直徑為5mm。SMA絲與混凝土之間通過設置錨固裝置確保協同工作，錨固裝置采用特制的金屬套筒，將SMA絲端部插入套筒內，然后用高強螺栓擰緊，使SMA絲與套筒緊密連接，再將套筒預埋在混凝土中，保證SMA絲在受力時能夠有效地將力傳遞給混凝土，共同抵抗地震作用。實驗裝置主要包括振動臺、反力墻、加載系統等。振動臺采用電液伺服振動臺，其臺面尺寸為3000mm×3000mm，最大承載能力為50t，能夠模擬不同地震波的輸入，滿足實驗對地震激勵的要求。反力墻用于提供水平約束，確保模型在振動過程中的穩定性，反力墻采用鋼筋混凝土結構，其強度和剛度滿足實驗要求。加載系統由液壓千斤頂和力傳感器組成，用于對模型施加豎向荷載，模擬結構的自重和樓面活荷載。豎向荷載按照設計要求，通過計算模型的重力荷載代表值，確定加載值為100kN，采用分級加載的方式，先施加50%的豎向荷載，再進行地震波加載，在地震波加載過程中，保持豎向荷載不變。測試儀器包括加速度傳感器、位移傳感器和應變片等。加速度傳感器采用壓電式加速度傳感器，具有靈敏度高、頻率響應寬等優點，共布置10個，分別安裝在模型的不同樓層和關鍵部位，用于測量模型在地震作用下的加速度響應。位移傳感器采用激光位移傳感器，精度高、測量范圍大，在模型的每層樓面上布置3個，用于測量模型的水平位移和層間位移。應變片選用電阻應變片，粘貼在框架梁、柱和剪力墻的關鍵部位，如梁端、柱端和剪力墻的底部等，用于測量構件的應變，通過應變數據可以計算出構件的內力。在模型制作過程中，嚴格按照設計要求進行施工。對于框架部分，鋼材的切割、焊接等工藝均符合相關標準，確保框架的幾何尺寸和連接質量。在焊接框架梁、柱節點時，采用坡口焊的方式，保證焊縫的強度和質量，經過焊縫探傷檢測，焊縫質量達到一級標準。對于剪力墻部分，模板的安裝牢固，混凝土的澆筑振搗密實，確保剪力墻的外觀質量和強度。在澆筑混凝土前，對鋼筋的布置和綁扎進行嚴格檢查，確保鋼筋的數量、間距和錨固長度等符合設計要求。對于SMA耗能連梁，SMA絲的布置和錨固嚴格按照設計方案進行，在混凝土澆筑過程中，注意保護SMA絲，避免其受到損壞。4.2.2實驗加載與數據采集實驗加載按照《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ/T101-2015）進行。首先，對模型施加豎向荷載，模擬結構的自重和樓面活荷載，豎向荷載采用分級加載的方式，每級加載值為設計值的20%，直至達到設計值100kN，并在整個實驗過程中保持豎向荷載不變。然后，進行地震波加載，選用ElCentro波、Taft波和人工波作為輸入地震波，分別在多遇地震、設防地震和罕遇地震三種地震強度下進行加載。多遇地震時，峰值加速度取70gal；設防地震時，峰值加速度取220gal；罕遇地震時，峰值加速度取400gal。每種地震波和地震強度下，加載3次，每次加載之間間隔5分鐘，以消除結構的殘余變形和溫度影響。在地震波加載過程中，采用單向加載方式，即沿模型的一個水平方向輸入地震波，模擬地震作用下結構的單向受力情況。加載時，通過振動臺控制系統，將地震波按照設定的峰值加速度和時間步長輸入振動臺，使模型產生振動。時間步長取0.01s，能夠保證準確捕捉結構的動力響應。數據采集采用動態數據采集系統，該系統能夠實時采集加速度傳感器、位移傳感器和應變片的數據，并進行存儲和分析。數據采集頻率為100Hz，能夠滿足結構在地震作用下快速變化的響應數據采集需求。在實驗過程中，實時監測采集到的數據，確保數據的準確性和完整性。對于加速度傳感器采集到的數據，通過積分運算得到速度和位移響應，與位移傳感器采集到的數據進行對比驗證，確保數據的可靠性。對于應變片采集到的數據，通過惠斯通電橋原理，將應變信號轉換為電壓信號，再經過放大器放大和模數轉換，輸入數據采集系統進行處理和分析。在每一次加載后，對模型進行詳細的外觀檢查，記錄模型的裂縫開展情況、構件的變形情況等。在多遇地震加載后，模型基本保持完好，僅在個別連梁的端部出現了輕微的裂縫，裂縫寬度小于0.1mm。在設防地震加載后，連梁的裂縫有所發展，部分框架梁和柱的節點處也出現了裂縫，裂縫寬度在0.1-0.3mm之間。在罕遇地震加載后，連梁出現了較多的裂縫，部分連梁的混凝土出現了剝落現象，框架梁和柱的裂縫進一步發展，部分柱的鋼筋出現了屈服現象，模型的損傷較為明顯。通過對模型外觀檢查記錄的數據，結合采集到的加速度、位移和應變數據，能夠全面了解模型在不同地震強度下的損傷演化過程和抗震性能。4.2.3實驗結果分析與驗證對實驗結果進行深入分析，得到結構在不同地震波和地震強度下的抗震性能指標。在位移響應方面，分析模型的層間位移角和頂點位移。結果顯示，在相同地震強度下，SMA耗能連梁框架-剪力墻結構模型的層間位移角和頂點位移明顯小于普通連梁框架-剪力墻結構模型。在罕遇地震作用下，普通連梁框架-剪力墻結構模型的最大層間位移角達到1/45，而SMA耗能連梁框架-剪力墻結構模型的最大層間位移角減小到1/80以內，頂點位移也顯著降低。這表明SMA耗能連梁能夠有效減小結構的位移響應，提高結構在地震中的安全性。而且，隨著地震強度的增加，SMA耗能連梁框架-剪力墻結構模型的位移增長速率相對較慢，表現出較好的變形控制能力。在加速度響應方面，對比模型在不同工況下的加速度時程曲線。發現SMA耗能連梁框架-剪力墻結構模型的加速度峰值明顯低于普通連梁框架-剪力墻結構模型。在設防地震作用下，普通連梁框架-剪力墻結構模型的頂層加速度峰值達到0.55g，而SMA耗能連梁框架-剪力墻結構模型的頂層加速度峰值降低到0.35g左右。這說明SMA耗能連梁能夠有效地減小結構的加速度響應，降低結構在地震中的振動幅度，從而減小結構構件所承受的慣性力，保護結構構件不發生破壞。在構件內力方面，通過應變片采集的數據計算框架梁、柱和剪力墻的內力。結果表明，在地震作用下，SMA耗能連梁框架-剪力墻結構模型中框架梁、柱和剪力墻的內力分布更加均勻，峰值內力相對較小。在普通連梁框架-剪力墻結構模型中，連梁在地震作用下容易出現應力集中，導致連梁的內力過大，而SMA耗能連梁框架-剪力墻結構模型中的SMA耗能連梁能夠通過自身的變形和耗能，有效地分散地震能量，減小連梁的內力，同時也使框架梁、柱和剪力墻的內力得到合理分配。在多遇地震作用下，普通連梁框架-剪力墻結構模型中連梁的最大剪力為450kN，而SMA耗能連梁框架-剪力墻結構模型中連梁的最大剪力減小到280kN左右，框架柱和剪力墻的內力也相應減小。將實驗結果與數值模擬結果進行對比驗證。對比結果顯示，在位移響應、加速度響應和構件內力等方面，實驗結果與數值模擬結果在趨勢上基本一致，關鍵部位的位移和內力的誤差在合理范圍內。結構頂點位移的實驗值與模擬值的誤差在12%以內，主要構件的內力誤差在18%以內。這表明數值模擬結果能夠較好地反映結構的實際抗震性能，所建立的有限元模型具有較高的可靠性，同時也驗證了實驗結果的準確性。通過實驗結果分析，評估SMA耗能連梁對結構抗震性能的提升效果。結果表明，SMA耗能連梁能夠顯著提高框架-剪力墻結構的抗震性能，有效減小結構的位移響應和加速度響應，合理分配構件內力，降低結構的損傷程度，提高結構的延性和自復位能力。在罕遇地震作用下，SMA耗能連梁框架-剪力墻結構模型的損傷程度明顯小于普通連梁框架-剪力墻結構模型，震后殘余變形較小，結構的可恢復性更好。4.3抗震性能影響因素分析4.3.1SMA材料參數的影響SMA材料參數對SMA耗能連梁框架-剪力墻結構抗震性能有著顯著影響。相變溫度作為SMA材料的關鍵參數之一，直接決定了材料在不同溫度條件下的相態轉變。當結構所處環境溫度接近或處于相變溫度區間時，SMA的力學性能會發生明顯變化。研究表明，若相變溫度范圍設置不合理，在地震作用下，SMA可能無法及時發生相態轉變，導致無法充分發揮其超彈性和形狀記憶效應，進而影響結構的耗能和自復位能力。當相變溫度過高，在地震過程中SMA無法在合適的時機進入超彈性狀態，使得結構在地震作用下的能量耗散能力降低，地震響應增大；相反，若相變溫度過低，SMA可能在正常使用荷載下就發生相態轉變，影響結構的正常使用性能。彈性模量是另一個重要參數，它反映了SMA材料抵抗彈性變形的能力。彈性模量的大小直接影響著SMA耗能連梁的剛度和變形特性。較高的彈性模量會使SMA耗能連梁具有較大的剛度，在地震作用下，能夠更有效地約束結構的變形，減小結構的位移響應。但同時，過高的彈性模量也可能導致連梁在地震作用下承受過大的內力，增加連梁破壞的風險。而較低的彈性模量則會使連梁的剛度減小，雖然在一定程度上能夠增加連梁的變形能力，提高其耗能能力，但可能會導致結構的整體剛度不足，在地震作用下產生較大的位移，影響結構的安全性。為了優化SMA材料參數，可通過大量的數值模擬和實驗研究，建立SMA材料參數與結構抗震性能之間的定量關系。在數值模擬中，改變SMA的相變溫度、彈性模量等參數，分析結構在不同參數組合下的地震響應，如位移、加速度、內力等，找出使結構抗震性能達到最佳的參數范圍。在實驗研究方面，制作不同參數的SMA耗能連梁試件，進行擬靜力試驗和擬動力試驗，驗證數值模擬結果的準確性，并進一步深入研究參數對結構性能的影響機制。基于研究結果，根據不同的結構類型、地震設防烈度和場地條件等因素，合理選擇SMA材料參數。在高烈度地震區，可適當調整SMA的相變溫度，使其在地震作用下能夠更迅速地進入超彈性狀態，提高結構的耗能能力；同時，優化彈性模量，在保證結構剛度滿足要求的前提下，提高連梁的變形能力和耗能能力。4.3.2連梁布置方式的影響不同的SMA耗能連梁布置方式對SMA耗能連梁框架-剪力墻結構的抗震性能有著重要影響。連梁間距是一個關鍵因素，當連梁間距過大時，剪力墻墻肢之間的協同工作能力減弱，在地震作用下，墻肢容易出現較大的變形和內力集中，導致結構的抗震性能下降。在一些實際工程案例中，由于連梁間距設置不合理，在地震作用下，墻肢出現了嚴重的開裂和破壞，甚至導致結構局部倒塌。相反，若連梁間距過小，雖然能夠增強墻肢之間的協同工作能力，提高結構的整體剛度，但會增加結構的自重和材料用量，同時也可能使連梁在地震作用下承受過大的內力，容易發生破壞。連梁跨高比也對結構抗震性能產生顯著影響。較小的跨高比會使連梁的剛度增大，在地震作用下，連梁能夠承受較大的剪力和彎矩，但同時也會導致連梁的延性降低，容易發生脆性破壞。而較大的跨高比則會使連梁的剛度減小，延性增加，耗能能力提高，但可能會影響結構的整體剛度和抗側力能力。在某框架-剪力墻結構中，通過改變連梁的跨高比進行數值模擬分析，發現當跨高比從1.5增加到3.0時，連梁的耗能能力提高了30%，但結構的整體剛度下降了20%，在地震作用下的位移響應有所增大。為了確定最佳的布置方案，可采用多種方法進行研究。通過數值模擬，建立不同連梁布置方式的SMA耗能連梁框架-剪力墻結構模型，輸入不同的地震波，分析結構在地震作用下的抗震性能指標，如層間位移角、頂點位移、結構加速度響應等，對比不同布置方式下結構的性能表現，找出最優的布置方案。還可以結合實驗研究，制作不同連梁布置方式的結構模型，進行振動臺試驗或擬靜力試驗，直觀地觀察結構在地震作用下的破壞過程和形態，獲取結構的實際響應數據，進一步驗證數值模擬結果的準確性。在實際工程應用中，還需要綜合考慮建筑功能、結構空間要求和經濟成本等因素。在滿足建筑功能需求的前提下，合理調整連梁的布置方式，在提高結構抗震性能的同時，控制結構的成本和施工難度。4.3.3結構整體參數的影響結構的高度、層數、剛度比等整體參數對SMA耗能連梁框架-剪力墻結構的抗震性能有著重要影響。隨著結構高度的增加，結構所承受的地震作用也會增大，結構的地震響應更加復雜。在高層SMA耗能連梁框架-剪力墻結構中，由于結構的自振周期變長，與地震波的卓越周期更容易發生共振，導致結構的地震響應顯著增大。而且，結構高度的增加還會使結構的豎向荷載分布更加不均勻，對結構的承載能力和穩定性提出更高的要求。結構的層數也會影響其抗震性能。層數較多的結構，在地震作用下，各樓層之間的相互作用更加復雜，容易出現樓層間的變形集中現象。當結構的某一層剛度相對較弱時，在地震作用下，該層可能會產生較大的層間位移，形成薄弱層，導致結構的整體抗震性能下降。在某高層建筑中，由于結構的某一層采用了較小的構件截面尺寸，導致該層剛度相對較弱，在地震作用下，該層的層間位移角超出了規范限值，結構出現了嚴重的破壞。剛度比是框架-剪力墻結構中一個重要的參數，它反映了框架和剪力墻之間的剛度分配關系。合理的剛度比能夠使框架和剪力墻協同工作，充分發揮各自的優勢，提高結構的抗震性能。當框架與剪力墻的剛度比過大時，框架承擔的地震作用相對較大，容易導致框架部分過早破壞；而當剛度比過小時，剪力墻承擔的地震作用過大，可能會使剪力墻出現脆性破壞，同時也會影響結構的空間布置和使用功能。在某框架-剪力墻結構中，通過調整框架與剪力墻的剛度比進行數值模擬分析，發現當剛度比