智能材料在土木工程中的應(yīng)用淺析

【摘要】近年來(lái)，智能材料在土木工程領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用日益廣泛，主要有光纖、壓磁、形狀記憶合金等智能材料，本文通過(guò)對(duì)智能材料力學(xué)特性及其原理的分析，探討了智能原料在土木工程中應(yīng)用，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】智能材料；土木工程；力學(xué)特性

1、智能材料類(lèi)型及特點(diǎn)

智能材料概念在20世紀(jì)80年代初被系統(tǒng)地提出，并于80年代末得到前所未有發(fā)展空間。隨著光纖、壓磁、形狀記憶合金等智能材料的發(fā)展，使其在土木工程領(lǐng)域得到較為廣泛地應(yīng)用。智能材料以其具有的不同功能特點(diǎn)通?？煞譃閮纱箢?lèi)，一類(lèi)為可感知外界或內(nèi)部刺激強(qiáng)度作用的材料，稱為感知材料。另一類(lèi)為可響應(yīng)或驅(qū)動(dòng)因外界環(huán)境條件或內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化的材料，也稱為智能驅(qū)動(dòng)材料。智能材料結(jié)構(gòu)具有控制、傳感與驅(qū)動(dòng)三個(gè)要素，可利用自身感知處理信息，發(fā)出指令并執(zhí)行動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自我監(jiān)控、診斷、檢測(cè)、修復(fù)、校正與適應(yīng)等各種功能。一般情況下，單一功能材料難以具有上述多種功能，這需要組元復(fù)合或組裝多種材料而構(gòu)成新的智能材料才能實(shí)現(xiàn)。

2、土木工程中智能材料的應(yīng)用

2.1形狀記憶合金的應(yīng)用

形狀記憶合金是具有形狀記憶效應(yīng)的一種智能合金材料，作為新型功能性材料，最主要的優(yōu)點(diǎn)就是在激發(fā)材料的形狀記憶效應(yīng)過(guò)程中，材料可以產(chǎn)生高于700兆帕的回復(fù)應(yīng)力及8%左右的回復(fù)應(yīng)變，同時(shí)具有較強(qiáng)的能量傳輸儲(chǔ)存能力。該特性的應(yīng)用能夠?qū)⒉牧现糜诟鞣N結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自我診斷、增韌、增強(qiáng)與適應(yīng)控制的應(yīng)用研究，而且還可以將材料研制為智能型驅(qū)動(dòng)器，在結(jié)構(gòu)變形、損傷、裂縫及振動(dòng)等方面開(kāi)展應(yīng)用研究工作。相變偽彈性與相變滯后性能是形狀記憶合金的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在加卸載過(guò)程中其應(yīng)力-應(yīng)變曲線構(gòu)成環(huán)狀，表明材料在此過(guò)程中能夠吸收耗散較多的能量。形狀記憶合金具有高達(dá)400兆帕的相變回復(fù)力，結(jié)合該特性能夠研制開(kāi)展形狀記憶合金被動(dòng)耗能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)相變偽彈性性能，可在土木工程結(jié)構(gòu)中用于耗能抗震的被動(dòng)控制。通常在結(jié)構(gòu)層間或底部安置形狀記憶合金被動(dòng)耗能控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)耗能系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的層間變形的感知，進(jìn)而起到消耗地震能量的作用。有關(guān)研究結(jié)果顯示，耗能器安裝形狀記憶合金結(jié)構(gòu)后，耗能器可吸收約為三分之二的地震能量，并顯著抑制結(jié)構(gòu)的位移。

2.2壓電材料的應(yīng)用

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中集成壓電體，采用壓電傳感元件對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行感知，利用其輸出結(jié)果，采取適宜控制算法對(duì)壓電體的輸入進(jìn)行確定，以主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，是開(kāi)展壓電類(lèi)智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究的一個(gè)較為前沿的領(lǐng)域。很多研究人員在任意復(fù)雜激勵(lì)下，采用壓電陶瓷作為加速度傳感器與驅(qū)動(dòng)體開(kāi)展基于壓電層合結(jié)構(gòu)的主被動(dòng)阻尼及主動(dòng)振動(dòng)控制等相關(guān)問(wèn)題的研究工作，隨著近年來(lái)不斷發(fā)展的壓電材料與堆技術(shù)，使研究應(yīng)用壓電類(lèi)智能結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域更為廣泛。主要應(yīng)用在土木工程結(jié)構(gòu)的噪聲主動(dòng)控制、靜變形控制能、安全評(píng)定、健康監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域都獲得良好的控制效果。

2.3光導(dǎo)纖維的應(yīng)用

光導(dǎo)纖維由外包層與內(nèi)芯構(gòu)成，是一種纖維狀光通信介質(zhì)材料，該材料采用先進(jìn)的信息傳輸技術(shù)起初用于通信傳輸系統(tǒng)，由于作為信息載體的光子在速度與容量上高于電子，因此得到較為迅速的發(fā)展。光子所具有的高并行處理能力與高信息率，潛力在信息容量與處理速度得到充分發(fā)揮。光纖材料在監(jiān)測(cè)、傳感及信息遠(yuǎn)距離傳輸?shù)确矫娴玫綉?yīng)用，將光纖作為傳感元件埋入傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)中針對(duì)結(jié)構(gòu)方面各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、診斷、控制、預(yù)報(bào)及評(píng)價(jià)等功能，而且將形狀記憶合金等驅(qū)動(dòng)元件埋入，有機(jī)結(jié)合信息處理系統(tǒng)與控制元件，使混凝土結(jié)構(gòu)具有智能功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)自我診斷與修復(fù)。在土木工程結(jié)構(gòu)診斷及主動(dòng)控制地震響應(yīng)中，光纖材料一直作為設(shè)計(jì)傳感器的一種比較理想的材料，我國(guó)目前也已將其用于檢測(cè)評(píng)定三峽大壩。

2.4壓磁材料的應(yīng)用

在外加磁場(chǎng)作用下，磁流變液懸浮體系的各項(xiàng)流變性能會(huì)產(chǎn)生明顯的可逆變化。同時(shí)在外加場(chǎng)強(qiáng)高于臨界值后，磁流變液將迅速?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，在顯微鏡下能夠觀察到磁流變液的分散相顆粒在磁場(chǎng)作用下結(jié)成沿磁場(chǎng)方向的鏈狀結(jié)構(gòu)。在介于固液體之間可根據(jù)磁流變液特點(diǎn)具有的快速、可控及可逆性質(zhì)，控制流體特性實(shí)施時(shí)需要較低的能量，因此在智能結(jié)構(gòu)中通常將磁流變液作為動(dòng)器件的主要材料。在土木工程領(lǐng)域，電視塔、高層建筑、大跨度橋梁等結(jié)構(gòu)中都采用該材料用于實(shí)現(xiàn)對(duì)地震的半主動(dòng)控制。此外，磁致伸縮智能材料也在相關(guān)研究中日益的得到重要關(guān)注。磁致伸縮智能材料具有強(qiáng)烈的磁致伸縮效應(yīng)，電磁/機(jī)械能能夠進(jìn)行逆轉(zhuǎn)換。在智能材料領(lǐng)域中應(yīng)用前景較為廣闊，該材料可用于大功率超聲器件、聲納系統(tǒng)、精密定位控制等多個(gè)領(lǐng)域。

3、智能材料的發(fā)展趨勢(shì)

在土木工程領(lǐng)域，智能材料的發(fā)展趨勢(shì)集中體現(xiàn)在以下三方面。一是實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，在土木結(jié)構(gòu)中集成傳感與驅(qū)動(dòng)元件，利用其網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)狀態(tài)，以保證土木工程結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)設(shè)施的安全，有效降低維修成本。二是形狀自適應(yīng)材料與結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅可承載傳遞運(yùn)動(dòng)，還能檢測(cè)并改變結(jié)構(gòu)特性，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。三是自適應(yīng)控制減振抗震抗風(fēng)降噪的結(jié)構(gòu)，在土木工程設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)一直是比較重要的一個(gè)問(wèn)題，尤其是針對(duì)橋梁與高層建筑等土木工程結(jié)構(gòu)的抗震抗風(fēng)問(wèn)題，研發(fā)應(yīng)用智能材料能夠?yàn)槠涮峁┲匾耐緩剑瑢?shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)控制。盡管當(dāng)前的智能材料還存在不同程度的不足之處，但隨著有關(guān)研究的不斷深入，智能材料的性能將得到明顯改善。在眾多領(lǐng)域中，智能材料都將發(fā)揮其潛力，體現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，開(kāi)展的研究包括力學(xué)、計(jì)算機(jī)控制、材料、微電子、人工智能等多個(gè)學(xué)科技術(shù)。

4、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著智能材料的廣泛應(yīng)用，同時(shí)元件逐漸向小型化、多功能化及高功率化方向發(fā)展，在建筑結(jié)構(gòu)中復(fù)合控制、傳感、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及耦合/連接元件，建筑結(jié)構(gòu)將發(fā)展成為主動(dòng)式智能建筑結(jié)構(gòu)，對(duì)于有效利用太陽(yáng)能、抵御地震、風(fēng)振等嚴(yán)重自然災(zāi)害影響具有重要作用， 為人們工作生活提供更為舒適安全的環(huán)境，對(duì)于提高土木工程結(jié)構(gòu)建設(shè)質(zhì)量具有十分重要的意義。

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作者簡(jiǎn)介

周劍霞（1984-），女，本科學(xué)歷，研究方向：土木工程。