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1、外文翻译正式版毕业设计外文资料翻译题 目 改善混凝土剪力墙 结构的智能材料 学 院 土木建筑学院 专 业 土木工程专业 班 级 土木1105班 学 生 孙丽仙 学 号 20110622198 指导教师 王燕 二一 五 年 三 月 二十四 日Open Journal of Civil Engineering, 2012, 2, 87-95改善混凝土剪力墙结构的智能材料Mehdi Ghassemieh 1* , Mohammad Reza Bahaari 1 , Seyed Mohyeddin Ghodratian1 , Seyed Ali Nojoumi 21 School of Civil E

2、ngineering, University of Tehran, Tehran, Iran2 Civil & Environmental Engineering Department, University of California, Los Angeles, USA文摘近几年土木工程许多领域都采用了智能材料。这些材料之一里亚尔是形状记忆合金(SMA)，它超弹性和形状等表现出一些独特的特征记忆效应。由于这些特点,研究工作一直延伸到使用SMA在控制民用建筑。探讨SMA增援的有效性提高剪力墙的行为,特别是在地震波作用的情况下。两个普通剪力墙和耦合建模参考结构,介绍了有限元分析软件。为提高剪力墙

3、的地震响应,提出了在每一个连系梁结构和耦合的剪力墙体系的高度内垂直SMA钢筋实现向传统钢铁增援。其中一维超弹性模型SMA材料中实现计算机软件使用FORTRAN语言代码。埃尔森特罗和Koyna的研究记录了剪力墙的动态响应与地震荷载通过时的研究结果。结果表明,使用超弹性SMA材料代替钢筋会显著减少普通剪力墙和耦合残余位移。此外,SMA增援部队可以显著减少剪力墙的最大偏差耦合系统。关键词:智能材料、形状记忆合金、剪力墙;超弹性;抗震性能1 介绍许多多层建筑采用剪力墙作为电梯井、楼梯间横向抗系统。混凝土剪力墙系统,它很难满足延性条件。因此,这种结构往往遭受由地震引起损害混凝土剪力墙在地震作用下通常发生

4、的四种破坏为剪切破坏、弯曲破坏,滑动和颠覆破坏。如果混凝土剪力墙在地震以后可以保持它们最初的形状，那么就可以解决的用永久性伤害的问题。有时,在这些剪力墙有几个洞口,如果两边有这样的洞口,深耦合梁应该互连在这两个洞口上。这些耦合梁通常在地震期间通过非弹性屈服的过程来消耗能量。由于他们的跨高比较小,他们需要高度拥挤的强化以达到塑性行为。尽管在多层建筑中通过塑性来消耗能量是一种常见的设计,然而在地震作用以后要修复由于这种设计而引起的显著的残余位移的结构构件。为了解决当前实践的缺点, 提出了一个新的设计方法既使用形状记忆合金等智能材料(SMA)。SMA是智能材料之一,它表现出一些独特的特征如形状记忆效

5、应、超弹性、能量耗散特性。近年来，由于这些特点,形状记忆合金已广泛引起关注在被动控制的结构中。多尔斯等人出版了一系列SMA材料的有效性用于地震应用的研究1。他们还研究了SMA材料在各种状态下实现使用的特殊阻尼器结构。根据实验结果，他们提出了不同的重定位或消散设备。王尔德等人进行分析研究，形状记忆合金的隔震系统由叠层橡胶支座和超弹性SMA齿龈2组成。他们用不同的激励进行了时程分析13。比较形状记忆合金轴承与传统轴承的铅芯支座。多尔斯与卡多内实验研究了合金的正确的选择,温度的影响,SMA的大小和加载速率和数量的周期3。布鲁诺和瓦伦特均采用简单的超弹性本构模型损伤指数方法4 分析形状记忆合金SMA材

6、料的有效性。巴拉塔和Corbi分析了框架结构弹塑性动力,具有伪弹性SMA筋5。DesRoches和德莱蒙评价使用SMA限位减少甲板的响应在多跨简支梁桥 6 效率。益田和努里基于形状记忆合金的超弹性阻尼装置 7 滞回特性优化研究。DesRoches等人通过实验评估的属性是评估在抗地震设计和改造8中超弹性Ni-Ti形状记忆合金在循环荷载下其潜在的应用。Abolmaali等人对比了使用钢铁和形状记忆合金(SMA)紧固件9连接的能量耗散特性。Choi等人提出了一种新的SMA橡胶轴承由一个传统的弹性支承和SMA丝包装轴承在纵向方向10。Motahari和Ghassemieh 通过捕捉SMA最常见的行为1

7、1开发了一个多重线性本构模。Czaderski等人进行了装有SMA材料钢筋混凝土(RC)梁与传统的钢筋混凝土梁12对比。结果证明,利用形状记忆合金的钢筋混凝土（RC）梁的刚度和强度是可变的。Saiidi和Wang应用SMA齿龈钢筋增强了钢筋混凝土桥墩塑性铰区。Motahari等人还介绍了一个特殊的SMA阻尼器同时都重新居中和耗能特性14。Li等人通过实验研究了嵌入形状记忆合金包智能混凝土梁的行为15。他们采用SMA包作为作动器来实现复苏的力量。Andrawes 和DesRoches相互比较SMA的限位器与其他三个改造设备包括传统钢铁抑制剂、金属阻尼器和粘弹性阻尼器16的效率。约翰逊等人进行了一

8、次大规模的测试程序来评估SMA限位器的影响电缆在铰链多幅混凝土箱梁桥受到强烈的地面运动17 的抗震能。拉赫曼等人研究了截面几何形状对梁的弯曲影响和通过SMA数值研究18对柱的屈曲影响。Sharabash和Andrawes研究了SMA材料应用的被动阻尼器设备振动减轻地震对斜拉桥梁19的影响。Saiidi等人调查了超弹性的可行性增加延性能力和减少混凝土桥柱的残余位移20。Ozbulut和Hurlebaus探索基于SMA橡胶隔离系统对近场地震保护桥梁的地震的有效性。他们对SMA橡胶隔离系统的性能与SMA-based滑动隔振系统21也进行了对比。Kari等人评价一个新的双支撑系统的可以提高钢结构的抗震

9、性能有效性22。在这项研究里研究了带有SMA钢筋齿龈混凝土剪力墙的行为。使用有限元分析有限元程序,为了评估结构受地震荷载的反应。介绍了两个普通耦合剪力墙作为参考结构，并通过时程分析来评估它们在没有SMA钢筋加固时的抗震性能。2 形状记忆合金形状记忆合金是金属合金的新类,显示多个无可比拟的特点,基于马氏体相变。SMA材料能够接受增大应变(8% - 10%),而不留下永久变形的材料。他们可以恢复初始形状的变形过程,本能地(称为超弹性)或通过加热(称为形状记忆效应),如图1所示。图1所示:SMA材料的应力-应变曲线:(a)超弹性效应;(b)形状记忆效应。SMA材料最有利的特征是用于被动控制结构的超弹

10、性行为的材料可以恢复大变形的8%,而生产旗形滞后。SMA的第二个特点是形状记忆效应。当材料是在马氏体形式,应用压力导致双晶马氏体。通过去除去孪晶过程开始时的压力和零压力的情况下,当高于一个特定的温度时一些残余应变将仍可以恢复的加热材料。SMA材料其他可取的特点有能量耗散能力很高,磁滞回线的稳定性,抗疲劳强度高。考虑到这些特点,相对较高的刚度和强度使SMA材料成为一种能在严重的地震情况下有效控制结构的有用的材料。尽管一些合金具有形状记忆特性, 镍钛诺是在土木工程应用中使用最广泛的SMA材料,这是镍和钛的结合。然而,由于与钢相比,镍钛诺是一个非常昂贵的材料，使用它并非经济的做法,除非要求高能量耗散

11、。3 剪力墙的分析模型本研究主要探讨两个配备超弹性SMA材料的混凝土剪力墙结构的抗震性能。第一个结构的宽度5.0米,15.0米,厚度0.3米的高度。第二个结构耦合剪力墙有两个相互联系的混凝土墙。每个墙的宽度3.0米,高度15.0米,厚度0.3米,每个耦合梁深度为0.6米,2.4米长0.3米宽。每一层之间高度是固定在3.0米。为了实现的数值行为结构,这项研究采用了有限元计算机程序(有限元分析)23。有限元模型的第一个和第二个剪力墙分别为图2和图3。混凝土材料的抗压强度32MPa, 杨氏模量为30GPa,泊松比为0.2,密度为25kN/米3。Lee和Fenves 24 开发利用适宜材料的具体行为建

12、模的数值分析混凝土损伤塑性。集中质量分别放置在每个节点的内部代表了横向惯性载荷引起的从地板到墙壁在地震激励下的时间。为了给予更好的理解剪力墙的动态行为,进行了模态分析的参考结构有限元分析的计算机程序。提出了模式形状和自然周期的每个模式在图4和图5。图上显示,前三个基本的第一个剪力墙分别为0.726,0.157和0.134秒,耦合的剪力墙的前三期分别为0.828,0.202和0.131秒。图2 普通剪力墙的有限元模型,没有开口 图3 剪力墙有限元模型的耦合(a)1st模式形状(Tn1=0.726) (b)2nd模式形状(Tn2=0.157) (c)3rd模式形状(Tn3=0.073)(d)4 t

13、h模式形状(Tn 4 = 0.134) (e)5 th模式形状如图4(Tn 5 = 0.050)图4 模式第一个剪力墙的形状(一)1 st模式形状(Tn 1 =0.828) (b)2 nd模式形状(Tn 2 0.202) (c)3 rd模式形状(Tn 3 = 0.131)(d)4 th模式形状(Tn 4 = 0.144) (e)5 th模式形状(Tn 5 = 0.091)图5 模式第二耦合的剪力墙的形状 4 提出了增强技术该方法使用SMA材料的钢筋混凝土剪力墙的目为消除残余位移。升级后的结构,提出了垂直SMA加固钢筋实现向传统钢铁增援,在耦合剪力墙上的高度内的结构和5个连接梁。在这个研究里没有

14、对角钢筋作为援军。为达到不同百分比的增援,研究了SMA材料和钢筋拥有各种直径和间距的情况。由于在有限元分析有限元程序,SMA的力学行为默认状态下不显示,因此在计算机程序中实现了SMA材料写子程序使用FORTRAN,并把它贴在主程序作为一个材料子程序模块。因为大多数土木工程相关的应用SMA齿龈和电线的使用,一维现象学模型往往被认为是合适的。一些研究人员已经提出了SMA单轴模型。图6显示了SMA材料实现一维超弹性模型11的计算机模型。该模型能够描述超弹性SMA材料在一个恒定的温度的本构行为。模型需要6部分材料参数。这些用于定义材料模型参数是奥氏体马氏体开始压力(am-s),奥氏体马氏体完成压力(a

15、m-f),马氏体向奥氏体开始压力(ma-s),马氏体向奥氏体完成压力(ma-f),超弹性高原应变长度(L)和弹性模量(E)。SMA模型代表了一种理想化的行为，在每个周期SMA材料没有强度退化发生且残余变形是零。进一步假设是,奥氏体和马氏体分支相同的弹性模量(= 1)。以前的研究已经表明这种简化一般微不足道的影响反应25。表1显示了SMA的力学性能有限元分析计算机程序中定义为“用户实现材料”。图6 超弹性SMA材料的应力-应变关系 表1 SMA的力学性能5 分析和结果在本节中,分析在两个剪力墙结构进行抗震性能评估的SMA钢筋混凝土墙有效性。他们根据历史分析数值模型察看结构受地震作用的行为,通过研

16、究结构的动态时间和响应获得了埃尔森特罗和Koyna地震记录。显示的意义在提高SMA增援地震响应,通过时程分析得到每层楼层面的位移。对不同比例的SMA筋模型的建议新系统受到地震作用的结果相比原来的混凝土结构(没有SMA材料)进行评估。5.1 第一个剪力墙图7和图8比较用钢或SMA钢筋结构的埃尔森特罗和Koyna地震反应记录。结果表明，采用超弹性SMA材料代替钢筋混凝土剪力墙能显著降低残余位移。特别是，在钢筋混凝土剪力墙的情况下，分别有0.05米和0.08米的埃尔森特罗和Koyna地震残余位移。在SMA结构加固的情况下，分别有刚刚经历了0.02米埃尔森特罗和0.02米和Koyna地震的残余位移。这

17、些结果说明在埃尔森特罗和Koyna记录里剪力墙残余位移分别减少60%and75%。然而,结果还表明,SMA援军不能减少普通剪力墙的最大挠度的意义。图7 不同类型加固的剪力墙受埃尔森特罗地震时的偏转图8 不同类型加固的剪力墙受Koyna地震时的偏转剪力墙受到埃尔森特罗地震的残余变形有5个层次，如图9所示。如,SMA钢筋可以成功地降低残余位移相较于五个钢筋水平。这主要是由于SMA材料的超弹性特征。换句话说,在每一个周期,形状记忆合金可以恢复大部分的位移,从而避免重复的残余位移积累周期。因此,在结束时记录时SMA有有限残余变形。然而,在传统的钢筋的情况下,材料可能在加载循环下产生的累积塑性变形,因此

18、在地震结束后仍有相当大的残余变形存在。图9 剪力墙受埃尔森特罗地震下钢或SMA增援的五种残余变形情况 图10显示的时间是2%的钢筋组合4%和6%SMA增援结合钢筋尖端偏转的历史。通过它可以观察到,添加更多的SMA钢筋可以降低更大残余位移。具体地说,通过改变SMA钢筋从4%提高到6%,结构的最大的顶端位移从135毫米减小到88毫米(减少46%)和残余位移从30毫米降低到15毫米(减少50%)。图10提示剪力墙受埃尔森特罗地震SMA与钢筋的不同组合的偏转5.2 第二联肢剪力墙图11比较了在Koyna地震下耦合钢筋剪力墙或SMA加固墙的地震响应。结果表明，SMA筋剪力墙经历偏转水平远低于耦合钢筋剪力

19、墙。特别是对于钢筋混凝土墙的最大偏转0.13米,而在SMA材料强化的情况下,结构只经历过0.07米的位移(即46%减少最大位移)。此外,超弹性SMA加固能显著降低混凝土墙的残余位移。具体来说, 在控制结构里结构的原墙残余位移从0.06米减小到0.01米(即残余位移减少83%)。图11 提示不同类型的钢筋耦合剪力墙受Koyna地震的偏差 耦合剪力墙受Koyna地震五层次的最大位移如图12所示。正如它观察到,使用SMA钢筋可以显著减少的最大位移相比所有五个钢筋加固层次尤其是上部的水平。这可能是由于这样的原因:SMA齿龈是超弹性且有能力维持他们的重复周期的有效刚度,同时钢筋失去效力明显由于早期产生并

20、引起大位移响应的时间。图12 钢筋或SMA加固的耦合剪力墙受Koyna地震的五个层次最大位移的 图13显示了偏转0%钢筋、4% SMA、1.5%钢筋和2.5% SMA的时间。通过它可以观察到,用钢筋取代1.5%的形状记忆合金没有显著影响地震反应,在埃尔森特罗地震下两个行为同样混凝土墙的。然而,与钢筋相比SMA是一种非常昂贵的材料,均衡的使用钢铁和SMA增援可能会是经济的做法。图13 提示受埃尔森特罗地震偏转不同的地震剪力墙的钢筋组合6 结论对本文分析研究有效性进行了评估,即一个最新的智能材料,形状记忆合金(SMA)在地震中改善混凝土剪力墙。两种类型的剪力墙既普通类型和耦合的，介绍了剪力墙结构和

21、建模的参考有限元分析的计算机程序。模态分析了模态周期和模式剪力墙的形状。为提高剪力墙的地震行为,垂直SMA钢筋提出实现向传统钢铁增援,整个耦合剪力墙结构的高度和5个连接梁。SMA材料的一维超弹性模型在计算机程序中实现了用FORTRAN子例程材料模块。结构受地震作用的动力响应研究通过时程分析受到埃尔森特罗和Koyna记录。在普通剪力墙的情况下,可以看出,使用超弹性SMA材料代替钢筋造成显著的降低残余位移。结果表明,SMA齿龈减少残余位移分别为埃尔森特罗和Koyna 记录60%和75%然而,SMA材料的加固不能显著降低剪力墙的最大挠度。第二耦合的剪力墙,发现与SMA加固结构比耦合剪力墙钢筋经历了低

22、水平的最大位移和残余位移。结果表明,SMA齿龈最大位移和残余位移分别比参考墙Koyna地震下的反应减少到46%和83%。此外,参考SMA与钢筋的不同组合的结构建模。结果表明,使用这种组合不同的钢筋类型，在一定程度上提高了剪力墙的性能取决于SMA钢筋的百分比。然而,由于考虑到经济的原因,钢铁和SMA加固必须正确分配。引用1多尔斯先生，卡多顿和Rmarnetto，“实现和基于形状记忆合金的被动控制装置的测试，“地震工程与结构结构动力学，卷29，2000，7号，第945-968。2 k王尔德,pGardoni和yFujino“形状记忆合金设备基础隔震系统高架公路桥梁、“工程结构,22卷,2000年,

23、222-229页。3多尔斯先生和卡多顿，“地震应用程序下形状记忆合金的力学行为。奥氏体镍钛丝进行拉伸，“国际机械科学学报，43卷，11号，2001，页2657-2677。4s布鲁诺和c瓦伦特”比较响应分析传统和创新的地震保护策略,”地震工程和结构动力学、31卷,5号,2002年,第11067-11092页。5在弹塑性结构的动态行为配备滞弹性SMA增援,”计算材料科学、25卷、2号,2002年,页1-13。6rDesRoches和mDelemont,“简支桥梁的抗震改造使用形状记忆合金,“工程结构,24卷,3号,2002年,第325-332页。7aMasuda和mNoori“优化滞后的特点,基于

24、滞弹性形状记忆合金阻尼装置,”国际非线性力学学报,37卷,8号,2002年,第1375-1386页。8rDesRoches mDelemont和j麦考密克“周期性超弹性形状记忆合金的性质,“土木结构工程杂志,130卷,No 1,2004,pp。38-46。9aAbolmaali,jTreadway,pAswath, fk卢和e麦卡锡“磁滞行为与超弹性形状记忆T形骨紧固件,结”构钢研究杂志,62卷,8号,2006年,第831-838页。10eChoi, T.H Nam and BS Cho, JTOh“一个隔离轴承公路桥梁使用形状记忆合金,”材料科学与工程,438-440卷,2006年,第108

25、1-1084页。11saMotahari和mGhassemieh“多重线性一维形状记忆材料模型用于结构工程应用,“工程结构、卷。29日,6号,2006年,第904-913页。12cCzaderski，Hahnebach和mMotavalli“钢筋混凝土梁变刚度和强度、建筑和建筑材料,20卷,9号,2006年,第824-833页。13Saiidi和hWang“地震的探索性研究响应与形状记忆合金钢筋混凝土柱,”ACI结构性期刊,103卷,3号,2006年,第436-443页。14saMotahari，mGhassemieh和saAbolmaali”实现形状记忆合金阻尼器被动控制结构受到地震波,”结

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27、ma拉赫曼srAkanda和ma侯赛因“截面几何形状对响应的影响SMA的专栏文章中,”智能材料系统和结构学报,19卷,2号,2008年,第243-252页。19amSharabash和bAndrawes“形状记忆合金阻尼器应用于斜拉桥的抗震控制,”工程结构,31号，2,2009年,第607-616页。20sSaiidi，mO brien和mSadrossadat-Zade”循环反应使用超弹性镍钛诺和可弯曲混凝土,混凝土桥列“ACI结构杂志,106卷,1号,2009年,第69 - 77页。21oeOzbulut和sHurlebaus“地震评估桥梁结构的孤立的形状记忆合金/橡胶型隔离系统,”智能材料和结构,20卷,1号,2011年,页1-15。22Akari，mGhassemieh和AAbolmaali“一个新的双支撑系统对于提高钢结构的抗震性能,”智能材料和结构,第2期,1号,2011年,pp，1-35。23有限元分析,Inc；有限元分析用户手册、V6.4,2006年。24j李和glFenves“循环荷载的混凝土塑性损伤模型结构,”土木工程力学学报,124卷,8号,1998年,第892-900页。25bAndrawes和rDesRoches“地震的敏感度形状记忆合金模型应用程序不同,”工程力学学报,134卷,2号,2008年,第173-183页。