形状记忆合金回复性能研究及其在混凝土梁裂缝修复中的应用

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发布时间：2021-09-03

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形状记忆合金回复性能研究及其
在混凝土梁裂缝修复中的应用
李双蓓，莫春美，梁庆国
(广西大学a．土木建筑工程学院；b．工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西南宁530004)
摘要：为探讨形状记忆合金(SMA)对钢筋混凝土粱裂缝的修复效果，进行了SMA丝的回复性能试验，结果表明：施加恒定电
流得到的SMA丝的回复应力大于施加台阶式电流；当初始应变小于最大回复应变时，SMA的回复应力随其初始应变的增大而
增大；当电流激励产生的温度过高时，SMA材料发生软化导致回复应力下降。此外，在试验的基础上，将SMA丝的受限回复应
力等效为偏心荷载和钢筋的初始应力，对SMA智能混凝土梁进行了有限元分析，证明这两种等效方法简便可行；同时还探讨了
SMA丝的不同直径、根数和初始应变对混凝土梁的裂缝修复效果的影响。
关键词：形状记忆合金；ANSYS；钢筋混凝土；回复性能；裂缝修复
中图分类号：TU528．01 文献标志码：A 文章编号：1002—3550(2015)04—0068—06
Recovery performance of shape memory alloy and its application in repairing cracks of concrete beams
LI Shuangbei 一，MO Chunmei ，LIANG Qingguo
(a．School of Civil Engineering and Architecture：b．Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety of
China Ministry of Education，Guangxi University，Nanning 530004，China)
Abstract：For investigating the effect of shape memory alloy(SMA)for repairing cracks in reinforced concrete beams，the reply per—
formance of SM A was studied．The results show that the recovery stress of SMA with applying constant current is greater than applying
stepped current．And when the initial strain is less than the maximum recovery strain，the recovery stress increase with the increase of ini—
tial strain．But the recovery stress decrease due to the softened material if temperature is too high．Then，based on the experiment，a smart
concrete beam embedding with SM A was analyzed with the method that the recovery stress of SM A was equivalent tO the eccentric load
and the initial stress of stee1．And the method was proved to be simple and feasible．Moreover，the effect of SMA for repairing cracks in
reinforced concrete beams with different diameters，roots and initial strains has been researched．
Key words：shape memory alloy；ANSYS；reinforced concrete；recovery performance；cracks repair
0 引言
形状记忆合金(shape memory alloy简称SMA)是智
能结构中应用最广泛的驱动元件，具有丰富的相变现象、
独特的形状记忆效应以及良好的超弹性效应，兼有感知和
驱动能力。SMA丝在较低温度下处于马氏体相状态，在较
高温度时则处于奥氏体相状态，马氏体相的SMA丝经过
预拉伸后将产生塑性变形，加热激励SMA丝，随着激励温
度的升高，SMA从马氏体相转化为奥氏体相，此时SMA
丝的形状恢复到拉伸前的状态。若在形状恢复过程中受到
限制，SMA丝将产生很大的回复驱动力，其弹性模量随相
变状态的改变而改变。同时SMA丝的抗疲劳性能好，
容易同混凝土、钢等结构材料相结合，因此其在结构的变
形控制与振动控制方面得到越来越广泛应用。
目前，对SMA智能结构的理论及其应用的研究成果
较为丰富。阎石等采用循环拉伸的试验方法，研究了加
载速率、峰值应变和循环次数等不同参数对SMA丝的应
力应变关系、阻尼和残余应变的影响。邓宗才等对SMA
丝的回复力进行了测定，并通过试验研究SMA丝预应变
值、配置量、通电激励模式和直径粗细等不同因素对SMA
丝的回复性能的影响。Z．Chaudhry 等提出将SMA丝固
定在悬臂梁有限几个点上，通过合金丝的收缩拉动实现整
个梁的弯曲变形。Victor Giurgiutiu 等将经过预应变的
SMA贴在平板的上下两侧，研究不同加热方式下平板变
形的规律。薛伟辰等将SMA以体外预应力筋的形式布
置在钢筋混凝土梁体外，对形状记忆合金智能预应力梁进
行控制试验研究，通过控制SMA温度，实现混凝土梁的变
形和裂缝的主动控制。王正良等将SMA丝粘贴在复合
结构中，利用SMA丝的回复力驱动能力，实现对结构变形
和振动响应的主动控制。
收稿日期：2014—08—19
基金项目：国家自然科学基金项目(11262002)；广西理工科学实验中心重点项目(LGZX201101)；广西大学科研基金资助项目(XBZ030060)
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在数值分析方面，利用ANSYS软件对SMA混凝
土结构的变形、应力进行主动控制的有限元分析取得了一
定的成果。洪雷等以体分割法，建立SMA丝材
料模型，对偏心埋入SMA的钢筋混凝土梁进行建模分
析。管呜等对形状记忆合金复合材料板簧进行模态
分析，揭示了温度和SMA纤维体积含量对SMA复合材料
板簧固有频率的影响规律。针对ANSYS软件中没有模
拟形状记忆合金形状记忆效应的单元和材料模型的问题，
张学仁。。等提出了拟温度荷载法模拟SMA丝的回复
效应，并通过有限元计算与试验结果对比证明了该方法
是可行的。王晓宏等提出了“负热应变”法，根据试验
测得不同激励温度下的“负热应变”，再利用ANSYS软
件建模，对SMA波纹板结构的变形控制进行了有限元
分析。
本研究的主要工作为：采用试验方法研究了形状记忆
合金(SMA)丝的回复性能，分析不同的电流施加方案、预
拉初始应变和温度等因素对其回复应力的影响；通过比较
现有的模拟SMA丝回复应力方法的优势和不足，提出了
等效钢筋应力法，并与等效偏心力法进行对比，证明新方
法可靠且实施简单便捷；利用试验得到的SMA 回复性能
数据，采用ANSYS软件建立SMA智能混凝土梁的受力
模型，研究选取不同的SMA丝直径、根数和初始应变时，
形状记忆合金对混凝土变形的主动控制以及裂缝修复的
效果
1 SMA丝的回复性能试验
1．1 试验概况
试验在广西大学土木建筑工程学院结构实验室试验
机上完成，试验选用的合金材料为宝鸡市天瑞金属材料有
限责任公司生产的Ni—Ti SMA丝，直径为2 mm，其中Ti
元素比重为44．24％，Ni元素比重为55．76％，合金的最大
回复应变为8％。试验中所用到的仪器主要有：试验机、
YK—AD3050可调开关电源、引伸计、热电偶和毫伏表、夹
具。研究电流施加方案、电流强度大小以及初始应变等不
同因素对SMA丝受限回复力的影响。利用可调开关电源
调节电流，通电过程中SMA丝的温度采用热电偶和毫伏
表进行测量，应力和应变由试验机系统记录。试验装置如
图1所示。
图1 试验装置
1．2 试验方案及试验结果分析
(1)分别采用两种电流施加方案测定SMA丝受限回
复应力。方案1为恒定电流，即试验过程中始终保持电流
大小某一固定值不变。方案2为台阶式电流，即加热时激
励电流每间隔一定时间增加一定数值，直到达到目标电流
预定值。
形状记忆合金丝初始应变分别为4％、6％时，两种电流
施加方案下SMA的回复应力与温度关系如图2所示。
350
300
250
200
” 0
回l00
50
O
圄
20 40 60 80 l00 120 140 160 l8O 200 220 240
温度，℃
(a)e。=4％
20 40 6O 8O 100 120 140 16O 180 200 220 240
温度／。c
(b)8。=6％
图2 不同电流方案下SMA丝的回复应力一温度关系曲线
从图2可以看到，恒定电流下SMA回复应力一温度
关系曲线的斜率在一定温度范围内大于台阶式电流，且相
同温度时，恒定电流下SMA产生的回复应力大于台阶式
电流下产生的，这是由于恒定电流较台阶式电流更能快速
的加热SMA丝使奥氏体相变迅速发生；当初始应变相同
时，不管是施加恒定电流还是台阶式电流，由于合金相变
最终产生的马氏体含量相同，因此产生的最大回复应力也
大致相l司。 i
(2)探讨不同电流强度对SMA丝的回复性能影响。
采用施加恒定电流方式激励SMA丝，记录初始应变
为4％、6％的SMA丝在12 A、14 A、16 A等不同恒定电流
数值下产生的回复应力随温度的变化情况，回复应力与温
度关系曲线如图3所示。
由图3可以看出，相同温度情况下，通电电流越大，
SMA丝产生的回复应力越大。这是由于通电电流强度越
大，能更快速的加热SMA丝达到相变温度，加快了相变的
发生。当初始应变一样时，不同电流强度下SMA丝的最
大回复应力大致相同。
(3)探讨SMA丝在不同初始应变情况下表现出来的
回复性能。
采用施加恒定电流方式加热SMA丝，不同初始应变
下SMA丝回复应力一温度关系曲线如图4