記憶合金材料創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究及應(yīng)用

智友海+史向平

[摘 要]結(jié)合工程力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，以創(chuàng)新性為驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)行了有關(guān)記憶合金材料在試驗(yàn)中的開發(fā)和建筑工程的應(yīng)用研究，設(shè)計(jì)出了自復(fù)位抗拉扭形狀記憶合金阻尼器、繩索式自復(fù)位形狀記憶合金隔震減震支座、曲線型后張式形狀記憶合金筋預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)三種建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的裝置抗震和抗彎性能好，同時(shí)還具有工藝簡(jiǎn)單，操作方便，效果突出，安全可靠，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)技術(shù)和材料在應(yīng)用中存在局限性。

[關(guān)鍵詞]形狀記憶合金；建筑結(jié)構(gòu)；拉扭組合試驗(yàn)；拉剪組合試驗(yàn)；抗彎試驗(yàn)

[中圖分類號(hào)] G642.423 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2017）08-0096-03

一、概論

工程力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)基礎(chǔ)分支，又可直接應(yīng)用于許多工程實(shí)際問題的解決。作為工科重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，其目的和任務(wù)是使培養(yǎng)科技人員了解和掌握物體的一般規(guī)律及其研究方法，并能初步運(yùn)用這些規(guī)律對(duì)一些實(shí)際問題進(jìn)行分析、科學(xué)地抽象，為日后學(xué)習(xí)和研究有關(guān)的科學(xué)技術(shù)打好基礎(chǔ)，并初步學(xué)會(huì)應(yīng)用工程力學(xué)的理論和方法解決一部分工程實(shí)際問題。簡(jiǎn)單地說(shuō)，工程力學(xué)就是為解決問題和分析問題的一門利器，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的必備法寶。此外，工程力學(xué)已廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、航空航天等眾多領(lǐng)域中，在工程設(shè)計(jì)中都必須要用到工程力學(xué)的相關(guān)知識(shí)。

工程力學(xué)課程主要包括理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)兩大部分，其中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是該課程的基礎(chǔ)，換句話說(shuō)，理論知識(shí)是實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`中規(guī)律的高度總結(jié)。因此，工程力學(xué)中實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革工作一直是高校教學(xué)中不斷探討的主題。宋克志[1]設(shè)計(jì)了材料力學(xué)開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的總體框架，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力；牟萍[2]介紹了材料力學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，闡述了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)提高學(xué)生創(chuàng)新能力的作用，嘗試將設(shè)計(jì)性、綜合性、研究性實(shí)驗(yàn)融為一體的教學(xué)模式；方治華論述了材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教材在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力中的重要作用；劉小蠻[3]結(jié)合高校工程師教育和綜合型人才培養(yǎng)模式，使不同專業(yè)的學(xué)生對(duì)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容做到“三會(huì)”，即：會(huì)做、會(huì)用、會(huì)意；夏興有[4]采取搭建公共實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)生創(chuàng)新和學(xué)生課外競(jìng)賽三個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的做法及取得的教學(xué)效果。

文中以工程力學(xué)基本實(shí)驗(yàn)為背景，以培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)際問題和解決實(shí)際問題的能力為出發(fā)點(diǎn)，以提高學(xué)生的創(chuàng)新性和應(yīng)用性為目標(biāo)，進(jìn)行一種新型記憶合金 （簡(jiǎn)記SMA） 材料在試驗(yàn)教學(xué)中的開發(fā)和建筑工程的應(yīng)用研究。SMA是一種新型的智能/功能材料，利用SMA的超彈性效應(yīng)和高阻尼特性可以制作減、隔震裝置，抑制結(jié)構(gòu)在地震荷載下的響應(yīng)。圍繞工程力學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行了有關(guān)SMA材料的四個(gè)（拉壓、扭、剪、彎）內(nèi)容的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。

二、SMA材料的三種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

（一）SMA材料在拉扭組合實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

以提高學(xué)生的創(chuàng)新性和應(yīng)用性為目標(biāo)，使學(xué)生具有利用工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容解決工程中軸向拉壓和扭轉(zhuǎn)的問題，本方案設(shè)計(jì)了一種記憶合金材料的拉扭組合實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案和教學(xué)內(nèi)容分別如下：

實(shí)驗(yàn)方案涉及一種自復(fù)位抗拉扭形狀記憶合金阻尼器及其方法，即為拉扭組合實(shí)驗(yàn)方案，如圖-1，可用于抗震網(wǎng)架系統(tǒng)或工程構(gòu)筑物中，屬于建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。該消能阻尼器主要包括抗拉壓裝置（如圖-1中1）和抗扭部分（如圖-1中2），這兩部分均是由SMA絲、缸筒、活塞組成，抗拉活塞的兩側(cè)分別通過兩組合金絲與抗拉缸筒兩側(cè)的缸蓋相連，抗扭活塞分別通過抗扭合金絲與抗扭缸筒相連，每一組合金絲的一端通過夾頭固定在活塞的螺孔處，另一端用夾頭連接在缸筒的螺孔處。用于自復(fù)位隔振減振消能，其軸向振動(dòng)波通過多根合金絲由合金阻尼器的一端傳到另一端，在抗拉活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，合金絲交替進(jìn)行拉伸與回縮變形，提供了較大的滯回耗能及回復(fù)力，而其它方向振動(dòng)波所帶來(lái)的扭矩載荷則通過抗扭合金絲由結(jié)構(gòu)的一端傳到另一端，在抗扭活塞作往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)中，合金絲交替進(jìn)行拉伸與回縮變化，由于合金絲的超彈性變形以及產(chǎn)生的回復(fù)力，不但達(dá)到了隔震減震的目的，而且獲得了振后結(jié)構(gòu)自復(fù)位的能力。設(shè)計(jì)方案具有抗拉壓消能特性，同時(shí)具備了抗扭消能特性，避免振動(dòng)過程中，抗拉壓合金絲因扭轉(zhuǎn)而發(fā)生彎曲的不利影響，能夠提高拉壓合金絲的消能效果，達(dá)到良好的隔振減振目的。

具體的教學(xué)內(nèi)容是將上述制作的自復(fù)位抗拉扭鎳鈦合金阻尼器，安裝在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行三類簡(jiǎn)單的加載和卸載試驗(yàn)：一是單向拉伸試驗(yàn)，外力和線位移間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（如圖2a）；二是單向扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，外力和扭角間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（如圖2b）；三是拉扭組合試驗(yàn)，外力和位移間、應(yīng)變量和回復(fù)力之間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（分別如圖2c和d）。這些數(shù)據(jù)均表明了SMA絲具有良好的消能特性，以及優(yōu)良的耗能遲滯環(huán)和高回復(fù)能力。將上述制作的阻尼器，安裝在某一工程結(jié)構(gòu)的抗振支撐處，隔振減振效果很好。

（二）SMA材料在拉剪組合實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

為了使學(xué)生具有解決工程中軸向拉壓和剪切的問題，本方案設(shè)計(jì)了一種記憶合金材料的拉剪組合實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案和教學(xué)內(nèi)容分別如下：

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的目的是為了解決建筑結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)隔震減震的問題，而提出一種繩索式自復(fù)位形狀記憶合金隔震減震支座及隔震減震的方法，即為拉剪組合實(shí)驗(yàn)方案，如圖3。本方案對(duì)比已有技術(shù)具有四大顯著突出優(yōu)點(diǎn)：一是繩索式特點(diǎn)顯著；二是多向抗震效果明顯；三是自復(fù)位能力突出；四是結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，功能齊全，既可以單獨(dú)作為抗拉壓阻尼器使用，又可以單獨(dú)作為抗剪阻尼器使用，兩者的隔震減震能力互不影響和制約。它可以廣泛地應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)隔震減震支座設(shè)計(jì)中，屬于建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。endprint

該實(shí)驗(yàn)方案主要包括抗剪裝置（如圖3中1）和抗拉壓構(gòu)件（如圖3中2），該消能阻尼器主要包括SMA絲繩、缸筒、活塞、定向滑道。其中，抗剪裝置的缸筒與滑道上的立柱通過抗拉合金絲繩連接在一起，這些合金絲繩在缸筒內(nèi)對(duì)稱布置，每一根合金絲繩的一端用夾頭固定在立柱上，另一端通過夾頭連接在缸筒的內(nèi)壁處；橫向滑道和活塞通過鋼桿連接在一起，并在橫向缸筒下端安裝有萬(wàn)向輪；對(duì)于抗拉壓結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其活塞的上下兩側(cè)分別通過合金絲繩與缸筒的上下缸蓋相連，每一根合金絲繩的一端固定在活塞的一側(cè)，另一端連接在缸筒缸蓋的一側(cè)，同時(shí)在豎向缸筒內(nèi)設(shè)有軸向滑道和偏置彈簧。此實(shí)驗(yàn)方案將橫向震動(dòng)波通過抗剪裝置中的合金絲繩交替拉伸與回縮變形，提供了較大的耗能及回復(fù)力，而豎向震動(dòng)波將通過抗拉壓構(gòu)件的絲繩和偏置彈簧進(jìn)行拉伸與回縮變形，在發(fā)生彈性變形的過程中，消耗了大量的震動(dòng)能量并提供了足夠的回復(fù)力，所以此支座裝置不但達(dá)到了隔震減震的目的，而且獲得了震后自復(fù)位的能力。

具體的教學(xué)內(nèi)容是將上述制作記憶合金隔震減震支座，安裝在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行三類簡(jiǎn)單的加載和卸載試驗(yàn)：一是單向拉壓試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)（類似如圖2a）；二是單向剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)（類似如圖2b）；三是拉剪組合試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)（類似如圖2c）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均表明此類支座的抗拉壓、抗剪效果好，自復(fù)位能力強(qiáng)。另外，將上述制作的記憶合金隔震減震支座，安裝在一工程結(jié)構(gòu)的支撐處，隔震減震效果很好。如圖-4對(duì)比了普通支座和本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)支座的隔震減震效果，這說(shuō)明此創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)支座的自動(dòng)恢復(fù)能力強(qiáng)，位移和應(yīng)力波動(dòng)小，延緩并降低了震動(dòng)波的危害，這表明利用SMA材料的超彈性效應(yīng)、高阻尼性及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，可以較大程度地抑制結(jié)構(gòu)在多向震動(dòng)的響應(yīng)。

（三）SMA材料在抗彎實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

為了使學(xué)生具有利用工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容解決彎曲的工程問題，在混凝土構(gòu)件承受使用荷載前的階段，借助其它外部裝備預(yù)先對(duì)其受拉區(qū)施加壓應(yīng)力，而當(dāng)構(gòu)件承受使用荷載而產(chǎn)生彎曲拉應(yīng)力時(shí)，將會(huì)抵消混凝土的預(yù)壓應(yīng)力，借此可推遲混凝土裂縫的出現(xiàn)和開展，以滿足使用要求。依據(jù)此原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種記憶合金材料預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案和教學(xué)內(nèi)容分別如下：

實(shí)驗(yàn)方案是一種曲線型后張式SMA筋預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，如圖5，方案主要包括SMA筋（如圖5中1）和混凝土（如圖5中2），此種實(shí)驗(yàn)方案具有多個(gè)顯著實(shí)用優(yōu)點(diǎn)，適用于建筑施工工藝的體系，屬于建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的實(shí)際上是一種SMA筋預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，適合于各種形狀的混凝土構(gòu)件，該合金筋預(yù)應(yīng)力混凝土是在傳統(tǒng)鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土的基礎(chǔ)上吸取SMA材料的優(yōu)點(diǎn)，把原混凝土的預(yù)應(yīng)力鋼筋替換為SMA筋，這樣預(yù)應(yīng)力就不必依靠臺(tái)座或?qū)I(yè)錨具來(lái)施加，而是簡(jiǎn)單地可以通過對(duì)SMA筋進(jìn)行升溫即可達(dá)到目的。同時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)出數(shù)據(jù)，如圖-6，也表明了設(shè)計(jì)的可行性。因此，此實(shí)驗(yàn)方案對(duì)現(xiàn)場(chǎng)澆筑或預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土施工來(lái)講，其工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、安全可靠，且所需技術(shù)人員專業(yè)水平低，所以SMA筋預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)不僅提高了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的抗裂度、剛度、耐久性，而且其施工工藝簡(jiǎn)單可靠、投資和造價(jià)費(fèi)用低。

三、結(jié)論

以工程力學(xué)基本實(shí)驗(yàn)為背景，從培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)際問題和解決實(shí)際問題的能力為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了三種有關(guān)SMA材料的建筑工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案：SMA材料在拉扭實(shí)驗(yàn)、拉剪實(shí)驗(yàn)、抗彎實(shí)驗(yàn)。這些設(shè)計(jì)方案實(shí)際應(yīng)用效果突出，解決了傳統(tǒng)技術(shù)和材料在應(yīng)用中存在局限性。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 宋克志，周慶坡，吳江龍.材料力學(xué)開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)探討[J].高等建筑教育，2012（2）：115-117.

[2] 牟萍，謝曉梅，文寧.材料力學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007（4）：106-107.

[3] 劉小蠻，杜國(guó)君.材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)思考——會(huì)做、會(huì)用、會(huì)意[J].力學(xué)與實(shí)踐，2013（4） 74-77.

[4] 夏興有，張學(xué)義，鄒廣平.材料力學(xué)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2008（4）：42-44.

[特約編輯：張 雷]endprint