結(jié)構(gòu)地震損傷監(jiān)測與控制的SMA智能系統(tǒng).pdf

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

2、僅大大簡化結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)，還將為揭示結(jié)構(gòu)地震非線性損傷機(jī)理和破壞倒塌機(jī)制、為震后結(jié)構(gòu)抗震性能快速評估提供科學(xué)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(shí)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)。本文以發(fā)展結(jié)構(gòu)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(biāo)，系統(tǒng)地研究 SMA的超彈性特性及其速率相關(guān)型超彈性本

3、構(gòu)關(guān)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(jié)構(gòu)完備狀態(tài)估計(jì)和非線性滯變模型識別方法。
　　本文的主要研究內(nèi)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(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出基于Liang和Rogers模型以及基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SMA速度相關(guān)型超彈性本構(gòu)關(guān)系模型建模方法，并建立 SMA速度相關(guān)型超

4、彈性本構(gòu)關(guān)系模型，通過計(jì)算結(jié)果與本文及有關(guān)文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的對比，驗(yàn)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(yàn)，研究 NiTi形狀記憶合金絲電阻變化率與應(yīng)變之間的關(guān)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(fù)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(chǎn)品的形式，研制具有自復(fù)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(jià)線性化方法，分析兩種阻尼器的等價(jià)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(guān)系。分析結(jié)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(jié)構(gòu)附加更大的等價(jià)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(jié)構(gòu)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(dòng)臺試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明兩種SMA阻尼器/位移傳感器均能夠有效減小結(jié)

6、構(gòu)的地震反應(yīng)，并且能夠準(zhǔn)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(shí)頻分析的結(jié)構(gòu)地震損傷識別方法；建立基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法和小波多分辨率分析算法結(jié)合的結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)完備信息估計(jì)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(qiáng)度退化滯變模型、SMA超彈性滯變模型、三線型剛度強(qiáng)度退化與SMA超彈性滯變模型并聯(lián)的復(fù)雜滯變模型結(jié)構(gòu)為例，驗(yàn)證方法的可行性和正確性。
　　最后，分析 SMA阻尼器/位移傳感