結構地震損傷監(jiān)測與控制的SMA智能系統(tǒng).pdf

1、結構健康監(jiān)測與結構振動控制是土木工程領域的多學科交叉和前沿研究方向。結構健康監(jiān)測提供了結構地震反應的現(xiàn)場觀測技術，為揭示結構地震非線性損傷機理和破壞倒塌機制開辟了嶄新的途徑，同時結構健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的信息為實施結構振動控制提供了反饋信號；結構振動控制已經被證明是減小結構地震反應、改善結構抗震性能的積極有效的方法。因此，結構健康監(jiān)測與結構振動控制是提高結構抗震性能、減輕地震損失的相互聯(lián)系的兩個重要手段。將結構健康監(jiān)測與振動控制集一體，將不

2、僅大大簡化結構振動控制系統(tǒng)，還將為揭示結構地震非線性損傷機理和破壞倒塌機制、為震后結構抗震性能快速評估提供科學依據(jù)。
　　形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，簡稱SMA）是一種具有多功能特性的智能材料。同時利用SMA的感知特性和超彈性特性，可以發(fā)展集地震損傷監(jiān)測與控制于一體的SMA智能結構系統(tǒng)。本文以發(fā)展結構地震損傷自監(jiān)測與自控制一體化 SMA集成智能系統(tǒng)為目標，系統(tǒng)地研究 SMA的超彈性特性及其速率相關型超彈性本

3、構關系模型、感知特性、SMA阻尼器/位移傳感器、地震損傷監(jiān)測與控制 SMA智能系統(tǒng)、以及基于 SMA阻尼器/位移傳感器監(jiān)測信息的結構完備狀態(tài)估計和非線性滯變模型識別方法。
　　本文的主要研究內容如下：
　　首先，研究 SMA超彈性特性及環(huán)境溫度、加載頻率和荷載循環(huán)次數(shù)的影響規(guī)律；在試驗研究的基礎上，提出基于Liang和Rogers模型以及基于人工神經網(wǎng)絡的SMA速度相關型超彈性本構關系模型建模方法，并建立 SMA速度相關型超

4、彈性本構關系模型，通過計算結果與本文及有關文獻試驗結果的對比，驗證模型的適用性。
　　其次，針對SMA小電阻特性，研制 SMA電阻測試系統(tǒng)；通過試驗，研究 NiTi形狀記憶合金絲電阻變化率與應變之間的關系，分析荷載循環(huán)次數(shù)、加載頻率等因素對NiTi形狀記憶合金感知特性的靈敏度系數(shù)、線性度、滯后及重復性特性的影響，揭示SMA作為位移傳感器的可行性。
　　第三，針對目前 SMA產品的形式，研制具有自復位功能的兩種SMA阻尼器/位

5、移傳感器（其中一種具有位移放大功能）；采用等價線性化方法，分析兩種阻尼器的等價剛度和等效阻尼比及其與SMA阻尼器/位移傳感器特征參數(shù)的關系。分析結果表明，具有位移放大功能的SMA阻尼器/位移傳感器能夠給結構附加更大的等價剛度和等效阻尼比。
　　第四，將兩種SMA阻尼器/位移傳感器安裝在鋼框架模型結構上，進行結構地震損傷監(jiān)測與控制一體化的SMA集成智能系統(tǒng)的地震模擬振動臺試驗。試驗結果表明兩種SMA阻尼器/位移傳感器均能夠有效減小結

6、構的地震反應，并且能夠準確測量阻尼器/位移傳感器所在層的層間位移。
　　第五，提出基于時頻分析的結構地震損傷識別方法；建立基于擴展卡爾曼濾波算法和小波多分辨率分析算法結合的結構非線性地震反應完備信息估計方法和滯變模型識別方法，以雙線性滯變模型、三線型剛度強度退化滯變模型、SMA超彈性滯變模型、三線型剛度強度退化與SMA超彈性滯變模型并聯(lián)的復雜滯變模型結構為例，驗證方法的可行性和正確性。
　　最后，分析 SMA阻尼器/位移傳感