基于智能材料在土木工程中的應(yīng)用

彭奎

摘要：本文從智能材料的力學(xué)特性及其基本原理出發(fā)，介紹了它們在土木工程結(jié)構(gòu)中的一些應(yīng)用現(xiàn)狀，并簡要介紹了智能材料的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：智能料；土木工程材；力學(xué)特性；展望

1、智能材料的類型及其特性

壓電、壓磁、光纖、形狀記憶合金等智能材料，在當(dāng)代土木工程領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。智能材料根據(jù)其功能特點(diǎn)可劃分為兩大類：一類是對外界或內(nèi)部的刺激強(qiáng)度，如應(yīng)力、應(yīng)變及物理、化學(xué)、光、熱電、磁、輻射等作用具有感知功能的材料，通稱為感知材料。這類材料主要有光導(dǎo)纖維、壓電陶瓷、壓電高分子材料、形狀記憶合金及其它各種類型的傳感材料，也稱之為為智能感知材料，其中尤以光導(dǎo)纖維最為重要。

另一類是能對外界環(huán)境條件或內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化時做出響應(yīng)或驅(qū)動的材料，也稱之為智能驅(qū)動材料如形狀記憶合金、壓電材料、電致伸縮材料、磁致伸縮材料、電流變體、磁流變體和功能凝膠等。這些材料可根據(jù)溫度、電場或磁場的變化而自動改變其形狀、尺寸、剛度、振動頻率、阻尼、內(nèi)耗及其它一些機(jī)械特性，因而可根據(jù)不同需要選擇其中的某些材料制作各種執(zhí)行或驅(qū)動元件。

智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具備傳感、控制和驅(qū)動三個基本要素，能通過自身的感知進(jìn)行信息處理，發(fā)出指令并執(zhí)行和完成動作，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自檢測、自診斷、自監(jiān)控、自校正、自修復(fù)和自適應(yīng)等多種功能。通常，一種單一的功能材料要具備上述多種功能特性是很困難的，這就需要由多種材料組元復(fù)合或組裝而構(gòu)成一種新的智能材料。

2、智能材料在土木工程中應(yīng)用

2.1形狀記憶合金在土木工程中的應(yīng)用

形狀記憶合金（SMA）是一類具有形狀記憶效應(yīng)的智能合金材料。具有形狀記憶效應(yīng)的合金包括Ni- Ti，Cu- Zn- A l，Cu- Al-Ni以及聚氨基甲醇乙醇等。

作為一種新型的功能性材料，形狀記憶合金其最顯著的優(yōu)點(diǎn)之一，就是在激發(fā)材料的形狀記憶效應(yīng)時，材料能產(chǎn)生很高的回復(fù)應(yīng)力（700 MPa 以上） 和回復(fù)應(yīng)變（8%左右），并且還具有很強(qiáng)的能量儲存和能量傳輸能力。

利用這一特性就可把材料埋植在各種結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的自增強(qiáng)、自增韌、自診斷和自適應(yīng)控制的研究與應(yīng)用，同時也可將材料制成智能型驅(qū)動器，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的裂縫、損傷、變形及振動的主動隔振等方面的研究與應(yīng)用。

形狀記憶合金的另一個顯著的優(yōu)點(diǎn)是相變偽彈性性能和相變滯后性能，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線在加卸載過程中形成環(huán)狀，這說明材料在此過程中可吸收和耗散大量的能量。

試驗(yàn)結(jié)果表明，形狀記憶合金的相變回復(fù)力也很高，其值可達(dá)近400 MPa。因此，根據(jù)這一特性，就可研制具有相變偽彈性性能的形狀記憶合金被動耗能器或被動耗能控制系統(tǒng)，以便進(jìn)行土木工程結(jié)構(gòu)的被動耗能抗震控制。

2. 2 壓電材料在土木工程中的應(yīng)用

將壓電體集成于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，利用壓電傳感元件感知結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)，并根據(jù)其輸出，再通過相應(yīng)的控制算法確定壓電作動體的輸入，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動的主動控制，是目前壓電類智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究的前沿和熱點(diǎn)。

為此，許多研究人員先后利用壓電陶瓷（ZPT） 作為加速度傳感器和驅(qū)動體，研究了任意復(fù)雜激勵下，壓電層合結(jié)構(gòu)的主動阻尼和被動阻尼以及主動振動控制等問題，還有的學(xué)者根據(jù)經(jīng)典復(fù)合板理論，采用加速度反饋控制方法，討論了利用壓電傳感元件實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料層合梁的主動阻尼控制并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。目前壓電材料和壓電堆技術(shù)廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)的靜變形控制能、噪聲主動控制、健康監(jiān)測、安全評定和自適應(yīng)修復(fù)以及抗震抗風(fēng)等多個領(lǐng)域，其中把壓電堆技術(shù)用于建筑結(jié)構(gòu)的主動抗震控制，并取得了很好的控制效果，造價也較低廉。

2. 3 光導(dǎo)纖維在土木工程中的應(yīng)用

光導(dǎo)纖維是一種由外包層和內(nèi)芯構(gòu)成的纖維狀光通信介質(zhì)材料，這種先進(jìn)的信息傳輸材料最先被用于通信傳輸系統(tǒng)，而且其研究發(fā)展速度很快。原因是作為信息載體的光子要比電子的速度容量與空間容量優(yōu)越得多。

光子響應(yīng)速度比電子高出三個數(shù)量級。光子的高并行處理能力和高信息率等特性，使其具有遠(yuǎn)高于電子信息容量與處理速度的潛力。

光纖材料主要用于傳感、監(jiān)測和遠(yuǎn)距離信息傳輸。目前，在傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)中埋入光纖作為傳感元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、裂縫、損傷、變形、振動、鋼筋銹蝕和施工質(zhì)量等方面的自動診斷、監(jiān)測、預(yù)報、控制和評價，同時再埋入驅(qū)動元件（如形狀記憶合金等），并將控制元件和信息處理系統(tǒng)與之結(jié)合，形成具有智能功能的混凝土結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的自檢測、自診斷、自適應(yīng)和自修復(fù)等，也是智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在土木工程中的研究與開發(fā)應(yīng)用的熱點(diǎn)和前沿。光纖材料是土木工程結(jié)構(gòu)健康診斷及其地震響應(yīng)主動控制中傳感器設(shè)計的理想材料。

2. 4 壓磁材料在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

磁流變液（MRF） 懸浮體系，在外加磁場的作用下，它們的粘性、塑性、彈性等流變性能會發(fā)生顯著的可逆變化。且當(dāng)外加場強(qiáng)超過臨界值后，磁流變液會在幾毫秒內(nèi)從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。在顯微鏡下可以觀察到，在磁場的作用下，磁流變液的分散相顆粒結(jié)成了沿磁場方向的鏈狀結(jié)構(gòu)。

由于磁流變液的特性可以在介于液體和固體的屬性之間進(jìn)行可控（由外加磁場直接控制流體的流變特性）、快速（響應(yīng)時間只有幾毫秒）和可逆的轉(zhuǎn)變的獨(dú)特性質(zhì)，而且對流體的特性實(shí)施控制時所需的能量又較低，變化動態(tài)范圍大，易于大面積鋪放、成本低，磁流變液成為智能結(jié)構(gòu)中作動器件的主要材料。目前，人們主要將磁流變液應(yīng)用到減振器、離合器、柔性機(jī)械卡具、機(jī)器人手臂、液壓閥門、直升機(jī)旋翼、油缸運(yùn)動的控制橋路以及電源的高速開關(guān)等各個領(lǐng)域。

另外，磁致伸縮智能材料也在土木工程的研究中得到了廣泛的重視。

磁致伸縮智能材料是一類磁致伸縮效應(yīng)強(qiáng)烈，具有高磁致伸縮系數(shù)并具有電磁能/機(jī)械能可逆轉(zhuǎn)換功能的材料。磁致伸縮材料在智能材料與結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中具有較好的應(yīng)用前景，目前這類材料已廣泛用于聲納系統(tǒng)、大功率超聲器件、精密定位控制、各種閥門和驅(qū)動器件等。

3、智能材料的前景

目前在土木工程領(lǐng)域內(nèi)，智能材料的研究主要在以下三方面的應(yīng)用研究最受重視：

（1）結(jié)構(gòu)健康的實(shí)時檢測與監(jiān)控。這主要是指將先進(jìn)的傳感元件和驅(qū)動元件集成在傳統(tǒng)的土木結(jié)構(gòu)中，利用它們構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)對結(jié)構(gòu)的裂縫、損傷、疲勞、沖擊、缺陷、腐蝕等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制，以確保重大土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的安全可靠，降低其維修費(fèi)用。

（2）形狀自適應(yīng)材料與結(jié)構(gòu)。智能材料的研究與出現(xiàn)不僅可使土木工程設(shè)計人員所期盼的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的誕生成為可能，而且更重要的是它代表著先進(jìn)的新型材料與傳統(tǒng)的土木工程設(shè)計人員所期盼的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的誕生成為可能，而且更重要的是它代表著先進(jìn)的新型材料與傳統(tǒng)的土木工程結(jié)構(gòu)相結(jié)合這一重大的學(xué)科研究發(fā)展方向。

自適應(yīng)結(jié)構(gòu)既具有承受荷載和傳遞運(yùn)動的能力，同時還兼有檢測（應(yīng)力、應(yīng)變、裂縫、損傷、溫度等）、動作（改變結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布和結(jié)構(gòu)外形及位置等）和改變結(jié)構(gòu)特性（結(jié)構(gòu)阻尼、固有頻率、光學(xué)特性、周圍電磁場分布）諸多智能功能，因此其應(yīng)用前景非常廣闊。

（3）結(jié)構(gòu)減振抗震抗風(fēng)降噪的自適應(yīng)控制。結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)一直是土木工程設(shè)計中的一個非常重要的問題，特別是對于高層建筑和橋梁等大型土木工程結(jié)構(gòu)的抗震抗風(fēng)問題更是如此，而智能材料的開發(fā)與應(yīng)用就可為之提供一個更為有效的新途徑，從而使結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)控制成為可能。

目前，雖然智能材料還有這樣或那樣的不足，但是，隨著研究的深入，智能材料的性能將得到進(jìn)一步的改善。智能材料在許多領(lǐng)域都具有巨大的潛在應(yīng)用前景，其研究涉及材料科學(xué)、化學(xué)、力學(xué)、生物、微電子技術(shù)、分子電子學(xué)、計算機(jī)控制、人工智能等學(xué)科與技術(shù)。

4、結(jié)束語

智能材料在土木工程中的重要應(yīng)用，是自動化控制技術(shù)發(fā)展、計算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)的重要階段的產(chǎn)物，因此，土木工程的未來深受高科技材料發(fā)展的影響，對此我們國家需要長久的對其研究下去，采取新方法，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，從而提高我們國家對于智能材料在土木工程中的應(yīng)用，增加我國建筑的各種性能。

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