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

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　　【學(xué)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。現(xiàn)存古塔不僅具有寶貴的文物價(jià)值，同時(shí)也是各地風(fēng)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(xué)和技術(shù)成就，同時(shí)也記錄了當(dāng)時(shí)的歷史信息和建造工藝等，是古代勞動(dòng)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(hù)研究是文物保護(hù)的一項(xiàng)重要工作。然而，我國對現(xiàn)存古塔結(jié)構(gòu)的抗震機(jī)理與保護(hù)技術(shù)研究較少，目前尚無科學(xué)有效的損傷監(jiān)控和保護(hù)方法，并且古塔結(jié)構(gòu)的保護(hù)研究還要涉及歷史學(xué)、考古學(xué)及建筑學(xué)等諸多領(lǐng)域，是一個(gè)多學(xué)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(hù)理論和工程應(yīng)用方法，具有重要的社會(huì)意義和實(shí)用價(jià)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(jìn)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(shí)對光塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行了實(shí)測，掌握了光塔結(jié)構(gòu)的主要受力特性和災(zāi)變特點(diǎn)，并采用有限元分析方法，對該塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、7度小震及中震時(shí)的地震反應(yīng)進(jìn)行了比較深入的研究，探討了該塔抗震保護(hù)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(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行該塔抗震控制的保護(hù)方案。其次，進(jìn)行了SMA絲的溫控拉仲試驗(yàn)，研究了超彈性SMA絲的主要力學(xué)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(shí)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(xué)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(hù)的特殊性，設(shè)計(jì)了3種消能能力較好和適用性較強(qiáng)的SMA阻尼器，并分別進(jìn)行了3種SMA阻尼器在不同工況下的消能能力試驗(yàn)，研究了環(huán)境溫度、加載頻率、加載行程和臺(tái)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(jì)算機(jī)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(jìn)行了非線性有限元分析，研究了其力學(xué)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(yàn)結(jié)果進(jìn)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(xué)特征。同時(shí)，針對光塔結(jié)構(gòu)的主要受力和變形特點(diǎn)，并且遵循“保護(hù)第一”和"修舊如舊”的古建筑保護(hù)原則，設(shè)計(jì)了1種性能良好的SMA阻尼器被動(dòng)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(hù)方案，探討了SMA阻尼器被動(dòng)控制系統(tǒng)的安裝方式，建立了確定SMA阻尼器被動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)量的計(jì)算方法?！　　　?最后，根據(jù)光塔原型結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，以模型試驗(yàn)的相似關(guān)系為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)相似系數(shù)S1為1/10的光塔模型結(jié)構(gòu)，并先后進(jìn)行了未安裝和安裝A、B型SMA阻尼器被動(dòng)控制系統(tǒng)光塔模型結(jié)構(gòu)的地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，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(dòng)控制系統(tǒng)在地震激勵(lì)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(jī)理和控制規(guī)律，并從總體上評(píng)價(jià)了光塔模型結(jié)構(gòu)抗震保護(hù)前后的性能變化和保護(hù)效果。此外，本文還在試驗(yàn)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(jìn)行了分析，并在既定優(yōu)化目標(biāo)下對SMA阻尼器被動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)的集成方式進(jìn)行了優(yōu)化分析及探討，深入了解了安裝SMA阻尼器被動(dòng)控制系統(tǒng)后，光塔結(jié)構(gòu)的減震效果和動(dòng)力特性變化的一般規(guī)律?！　　　?理論和試驗(yàn)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(fēng)等強(qiáng)災(zāi)害的襲擊，亟需采取措施進(jìn)行抗震保護(hù)。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(hù)的新方法。安裝SMA阻尼器被動(dòng)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(dòng)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(jìn)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(hù)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(hù)和修復(fù)也具有一定的參考意義?！　」?70頁

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