形狀記憶合金在土木工程中的研究與應(yīng)用進展

高相富　杜志強　杜紅軍

[摘要]形狀記憶合金是一種集傳感驅(qū)動于一體的新型功能材料，并引起了土木工程界中的廣泛關(guān)注。但是我國現(xiàn)階段對于形狀記憶合金這種新型功能材料的應(yīng)用還處于起步階段，并且在土木工程中也沒有取得相對良好的應(yīng)用效果。本文就形狀記憶合金在土木工程中的研究應(yīng)用進行了詳細的分析。

[關(guān)鍵詞]形狀記憶合金；土木工程；研究應(yīng)用

形狀記憶合金（SMA）作為一種有著一定記憶功能的材料，其具備良好的自感知、自診斷與自適應(yīng)能力，并最早應(yīng)用于航空航天以及醫(yī)療等精密領(lǐng)域。近年來隨著我國材料加工技術(shù)的大幅度提升，也使得SMA在土木工程中的應(yīng)用得到了較快的發(fā)展。

1形狀記憶合金中的特性

1.1形狀記憶效應(yīng)（SME）

某些具有熱彈性或者應(yīng)力誘發(fā)效果的材料處于一種馬氏體狀態(tài)中，而該材料在經(jīng)歷了一定限度的變形之后，可以借助于加熱，并使其溫度超過馬氏體的消失溫度時，該材料就可以直接恢復(fù)到變形之前的狀態(tài)中，也就是形狀記憶效益。一般情況下，能夠根據(jù)該材料記憶功能的區(qū)分，將其分為單程、雙程與全方位的SME。其中單程的SME是指該材料只需要在經(jīng)過充分加熱之后就可以回復(fù)為之前的狀態(tài)，并能夠在該狀態(tài)下保持不變；而雙程SME則指該記憶材料可以利用反復(fù)加熱與冷卻的方式來進行形狀的變換。

1.2超彈性（PE）

形狀記憶合金的超彈性特征指的是在該材料的SMA溫度達到一定程度時，其所加載的應(yīng)力就會超過一定的彈性極限，并會產(chǎn)生非彈性應(yīng)變。如果在這一基礎(chǔ)上進行加載，則會導(dǎo)致該材料發(fā)生馬氏體相變，但是這種變化會隨著應(yīng)力的消失而消失，在這種情況下，不需要加熱也能夠讓該材料回復(fù)到原本狀態(tài)之中，而且該材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的變形也會通過其逆向變化完全消失.

1.3SMA的特點

SMA有著非常良好的延展性，并且能夠恢復(fù)的變形程度達到8%～10%。而在SMA中的應(yīng)力及其應(yīng)變兩者形成的滯回曲線也使得SMA具有非常強的能量存儲與傳輸能力。而且在SMA中，其超彈性是通過相變而引起的，這就使得這種材料有著很好的抗疲勞性能，并且能夠在受限恢復(fù)過程中產(chǎn)生很好的恢復(fù)能力。除此之外，SMA材料的耐腐蝕性能能夠達到不銹鋼的程度，并且可以在相當高的溫度下，也保持有足夠大的剛度，這也是SMA材料與其它金屬材料最大的區(qū)別。但是SMA雖然有著上述諸多優(yōu)點，但是在對SME進行利用的時候需要利用電源進行加熱，這也就極大的限制了SMA的應(yīng)用范圍。而其一般也只能夠在10 Hz以下的振動下進行響應(yīng)控制，并且會在長期使用之后，使得材料本身出現(xiàn)蠕變等情況，并直接導(dǎo)致了SMA材料的工作穩(wěn)定性能較差。

2SMA的研究進展

在對SMA的減振性能進行了眾多試驗研究核數(shù)值模擬后可以發(fā)現(xiàn)，不管是把SMA埋人到土木結(jié)構(gòu)內(nèi)部，還是將SMA作為外部裝置，其都具有良好的抗震性能，并能夠有效增加該土木結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的阻尼。而李惠與毛晨曦也就基于SMA的超彈性特性研究過程中，對SMA配套的耗能裝置及其設(shè)計參數(shù)給出了一個合理的取值范圍。而近年來已經(jīng)有多重阻尼器被設(shè)計出來，并且在土木工程的建設(shè)過程中有了較多的應(yīng)用。而借助于SMA所制造的好能漆，能夠顯著的改變其框架結(jié)構(gòu)中的固有頻率，并且能夠起到很好的減振作用。而在其它的框架結(jié)構(gòu)上安裝超彈性的SMA好能漆，也能夠使得該框架結(jié)構(gòu)擁有很好的減振效果。

3SMA的應(yīng)用進展

由于地震以及強風災(zāi)害等諸多自然災(zāi)害的影響，使得因為建筑物倒塌而引起的經(jīng)濟損失也呈現(xiàn)為逐漸增長的趨勢，這也就需要在進行土木工程的施工過程中，需要讓該建筑擁有更加良好的抗震性能，并有效提升該建筑物的適應(yīng)能力。通過SMA中傳感驅(qū)動這一優(yōu)勢，可以很好的進行土木建筑結(jié)構(gòu)的監(jiān)控工作，而為了最大限度的在土木工程架構(gòu)中發(fā)揮出SMA的作用，就需要發(fā)展一種結(jié)構(gòu)控制一體化的SMA職能混凝土結(jié)構(gòu)，并將目前航空航天領(lǐng)域之中的SMA混雜復(fù)合材料朝著土木工程的領(lǐng)域進行延伸與推廣。

而在1996年10月發(fā)生在意大利的4.5級地震中，使得SAN教堂的鐘塔遭遇到嚴重的破壞，而Indirli則借助于4根有著超彈性的SMA棒與鋼筋連接在一起，并安裝在鐘塔的四個角中，來對該鐘塔進行修復(fù)工作。而通過SMA的應(yīng)用，使得該鐘塔在2000年6月通震級的地震中安然無恙。這就說明了在土木工程的架構(gòu)中加入SMA，能夠有效減少結(jié)構(gòu)的加速度，并且能夠限制該結(jié)構(gòu)的受力強度，從而使得整個土木建筑結(jié)構(gòu)具有較強的抗震能力。

4結(jié)語

綜上所述，通過本文的分析能夠看出，SMA作為一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型功能材料，在整個土木工程領(lǐng)域的研究過程中也有著很大的發(fā)展。而無論是借助于被動控制還是主動控制，SMA都能夠很好的減少該土木結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，并能夠在很大限度上提升其抗震性能。因此，將SMA應(yīng)用到土木工程之中，也是未來進行防災(zāi)減災(zāi)的一個重要發(fā)展方向，也是現(xiàn)代土木工程的一個重點研究對象。這也就需要相關(guān)研究人員對SMA的性能進行進一步的完善，從而有效促進土木領(lǐng)域的進一步發(fā)展。