【博士】應(yīng)用形狀記憶合金進行古塔結(jié)構(gòu)抗震保護的

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　　【學位年度】2008　　【摘要】　　中國現(xiàn)存古塔大多都融合了外來文化與中華傳統(tǒng)建筑藝術(shù)的精華，是我國古建筑的杰出代表?，F(xiàn)存古塔不僅具有寶貴的文物價值，同時也是各地風景名勝區(qū)域和歷史文化名城的重要組成部分，不但反映了我國古建筑的科學和技術(shù)成就，同時也記錄了當時的歷史信息和建造工藝等，是古代勞動人民智慧的結(jié)晶，也是人類寶貴的歷史文化遺產(chǎn)?！　　　?古塔保護研究是文物保護的一項重要工作。然而，我國對現(xiàn)存古塔結(jié)構(gòu)的抗震機理與保護技術(shù)研究較少，目前尚無科學有效的損傷監(jiān)控和保護方法，并且古塔結(jié)構(gòu)的保護研究還要涉及歷史學、考古學及建筑學等諸多領(lǐng)域，是一個多學科交叉的研究課題。因此，深入研究我國現(xiàn)存古塔結(jié)構(gòu)的抗震保護理論和工程應(yīng)用方法，具有重要的社會意義和實用價值?！　　　?本文首先對我國廣州懷圣寺光塔的歷史變化和工程現(xiàn)狀進行了全面的現(xiàn)場檢測與長期監(jiān)測，研究了光塔結(jié)構(gòu)的材料組成、構(gòu)造形式以及目前存在的傾斜和裂縫等問題，同時對光塔結(jié)構(gòu)的動力特性進行了實測，掌握了光塔結(jié)構(gòu)的主要受力特性和災(zāi)變特點，并采用有限元分析方法，對該塔結(jié)構(gòu)的動力特性、7度小震及中震時的地震反應(yīng)進行了比較深入的研究，探討了該塔抗震保護的關(guān)鍵問題，提出了采用形狀記憶合金(簡寫為SMA)阻尼器被動控制系統(tǒng)進行該塔抗震控制的保護方案。其次，進行了SMA絲的溫控拉仲試驗，研究了超彈性SMA絲的主要力學性能，著重探討了環(huán)境溫度、加載速率、應(yīng)變幅值和循環(huán)加載次數(shù)等因素對超彈性SMA材料在奧氏體初始狀態(tài)下加卸載循環(huán)時等效割線剛度、最大單圈循環(huán)消能能力和等效阻尼比等力學性能的影響，得到了相應(yīng)的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，針對光塔結(jié)構(gòu)抗震保護的特殊性，設(shè)計了3種消能能力較好和適用性較強的SMA阻尼器，并分別進行了3種SMA阻尼器在不同工況下的消能能力試驗，研究了環(huán)境溫度、加載頻率、加載行程和臺金絲長度等因素對其消能能力的影響，分析了其變化規(guī)律和適用性。接著，以Brinson本構(gòu)模型為基礎(chǔ)，提出了相應(yīng)的SMA材料本構(gòu)模型的有限元求解方法，編制了相應(yīng)的計算機分析程序，并對SMA材料的相變超彈性性能和阻尼器的消能能力進行了非線性有限元分析，研究了其力學性能隨環(huán)境溫度等因素變化的一般規(guī)律，并與主要試驗結(jié)果進行了對比分析，兩者吻合較好，表明有限元分析結(jié)果可反映SMA材料和3種阻尼器的主要力學特征。同時，針對光塔結(jié)構(gòu)的主要受力和變形特點，并且遵循“保護第一”和"修舊如舊”的古建筑保護原則，設(shè)計了1種性能良好的SMA阻尼器被動控制系統(tǒng)，提出了將其安裝于光塔結(jié)構(gòu)以提高光塔結(jié)構(gòu)抗震性能的保護方案，探討了SMA阻尼器被動控制系統(tǒng)的安裝方式，建立了確定SMA阻尼器被動控制系統(tǒng)數(shù)量的計算方法?！　　　?最后，根據(jù)光塔原型結(jié)構(gòu)的實際情況，以模型試驗的相似關(guān)系為基礎(chǔ)，設(shè)計并制作了一個相似系數(shù)S1為1/10的光塔模型結(jié)構(gòu)，并先后進行了未安裝和安裝A、B型SMA阻尼器被動控制系統(tǒng)光塔模型結(jié)構(gòu)的地震模擬振動臺試驗，研究了模型結(jié)構(gòu)在3種不同工況下，主塔頂部和小塔頂部的相對位移、層間位移角和加速度以及塔體開裂等光塔結(jié)構(gòu)的主要地震反應(yīng)，測試了SMA阻尼器被動控制系統(tǒng)在地震激勵下的變形能力和消能能力等工作性能，分析丁相應(yīng)的控制機理和控制規(guī)律，并從總體上評價了光塔模型結(jié)構(gòu)抗震保護前后的性能變化和保護效果。此外，本文還在試驗的基礎(chǔ)上，采用有限元軟件ANSYS10.0，分別對光塔模型結(jié)構(gòu)和原型結(jié)構(gòu)在3種不同地震波輸入下的地震反應(yīng)進行了分析，并在既定優(yōu)化目標下對SMA阻尼器被動控制系統(tǒng)的特性參數(shù)和光塔結(jié)構(gòu)與SMA阻尼器被動控制系統(tǒng)的集成方式進行了優(yōu)化分析及探討，深入了解了安裝SMA阻尼器被動控制系統(tǒng)后，光塔結(jié)構(gòu)的減震效果和動力特性變化的一般規(guī)律。　　　　理論和試驗研究結(jié)果均表明，目前光塔原型結(jié)構(gòu)的總體抗震性能較差，存在多處不同的內(nèi)部缺陷或薄弱環(huán)節(jié)，難以承受或再次承受地震、颶風等強災(zāi)害的襲擊，亟需采取措施進行抗震保護。SMA材料具有較好的超彈性性能，利用其研制的A、B和C型SMA阻尼器均具有較好的消能能力，并且能夠?qū)崿F(xiàn)制品的小型化，是一種古建筑抗震保護的新方法。安裝SMA阻尼器被動控制系統(tǒng)后，主塔頂部和小塔頂部的相對位移及加速度都有明顯降低，其中相對位移的降低尤為顯著，并且地震烈度越高，降低幅度越大，說明文中所提SMA阻尼器被動控制系統(tǒng)和控制方法具有較好的消能減震效果，可以有效地提高光塔結(jié)構(gòu)的抗震能力，值得進一步開發(fā)和推廣應(yīng)用。文中所得結(jié)論不僅可為光塔原型結(jié)構(gòu)的抗震保護提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，而且對其它歷史建筑的保護和修復(fù)也具有一定的參考意義。　　共170頁

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