基于智能材料在土木工程中的应用

彭奎

摘要：本文从智能材料的力学特性及其基本原理出发，介绍了它们在土木工程结构中的一些应用现状，并简要介绍了智能材料的发展前景。

关键词：智能料；土木工程材；力学特性；展望

1、智能材料的类型及其特性

压电、压磁、光纤、形状记忆合金等智能材料，在当代土木工程领域内已经得到了广泛应用。智能材料根据其功能特点可划分为两大类：一类是对外界或内部的刺激强度，如应力、应变及物理、化学、光、热电、磁、辐射等作用具有感知功能的材料，通称为感知材料。这类材料主要有光导纤维、压电陶瓷、压电高分子材料、形状记忆合金及其它各种类型的传感材料，也称之为为智能感知材料，其中尤以光导纤维最为重要。

另一类是能对外界环境条件或内部状态发生变化时做出响应或驱动的材料，也称之为智能驱动材料如形状记忆合金、压电材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、电流变体、磁流变体和功能凝胶等。这些材料可根据温度、电场或磁场的变化而自动改变其形状、尺寸、刚度、振动频率、阻尼、内耗及其它一些机械特性，因而可根据不同需要選择其中的某些材料制作各种执行或驱动元件。

智能材料结构系统具备传感、控制和驱动三个基本要素，能通过自身的感知进行信息处理，发出指令并执行和完成动作，从而实现结构的自检测、自诊断、自监控、自校正、自修复和自适应等多种功能。通常，一种单一的功能材料要具备上述多种功能特性是很困难的，这就需要由多种材料组元复合或组装而构成一种新的智能材料。

2、智能材料在土木工程中应用

2.1形状记忆合金在土木工程中的应用

形状记忆合金（SMA）是一类具有形状记忆效应的智能合金材料。具有形状记忆效应的合金包括Ni- Ti，Cu- Zn- A l，Cu- Al-Ni以及聚氨基甲醇乙醇等。

作为一种新型的功能性材料，形状记忆合金其最显著的优点之一，就是在激发材料的形状记忆效应时，材料能产生很高的回复应力（700 MPa 以上） 和回复应变（8%左右），并且还具有很强的能量储存和能量传输能力。

利用这一特性就可把材料埋植在各种结构中，进行结构的自增强、自增韧、自诊断和自适应控制的研究与应用，同时也可将材料制成智能型驱动器，进行结构的裂缝、损伤、变形及振动的主动隔振等方面的研究与应用。

形状记忆合金的另一个显著的优点是相变伪弹性性能和相变滞后性能，其应力-应变曲线在加卸载过程中形成环状，这说明材料在此过程中可吸收和耗散大量的能量。

试验结果表明，形状记忆合金的相变回复力也很高，其值可达近400 MPa。因此，根据这一特性，就可研制具有相变伪弹性性能的形状记忆合金被动耗能器或被动耗能控制系统，以便进行土木工程结构的被动耗能抗震控制。

2. 2 压电材料在土木工程中的应用

将压电体集成于传统的结构中，利用压电传感元件感知结构的振动模态，并根据其输出，再通过相应的控制算法确定压电作动体的输入，以实现结构振动的主动控制，是目前压电类智能结构应用研究的前沿和热点。

为此，许多研究人员先后利用压电陶瓷（ZPT） 作为加速度传感器和驱动体，研究了任意复杂激励下，压电层合结构的主动阻尼和被动阻尼以及主动振动控制等问题，还有的学者根据经典复合板理论，采用加速度反馈控制方法，讨论了利用压电传感元件实现复合材料层合梁的主动阻尼控制并进行了试验研究。目前压电材料和压电堆技术广泛应用于土木工程结构的静变形控制能、噪声主动控制、健康监测、安全评定和自适应修复以及抗震抗风等多个领域，其中把压电堆技术用于建筑结构的主动抗震控制，并取得了很好的控制效果，造价也较低廉。

2. 3 光导纤维在土木工程中的应用

光导纤维是一种由外包层和内芯构成的纤维状光通信介质材料，这种先进的信息传输材料最先被用于通信传输系统，而且其研究发展速度很快。原因是作为信息载体的光子要比电子的速度容量与空间容量优越得多。

光子响应速度比电子高出三个数量级。光子的高并行处理能力和高信息率等特性，使其具有远高于电子信息容量与处理速度的潜力。

光纤材料主要用于传感、监测和远距离信息传输。目前，在传统的混凝土结构中埋入光纤作为传感元件进行结构强度、裂缝、损伤、变形、振动、钢筋锈蚀和施工质量等方面的自动诊断、监测、预报、控制和评价，同时再埋入驱动元件（如形状记忆合金等），并将控制元件和信息处理系统与之结合，形成具有智能功能的混凝土结构，从而实现混凝土结构的自检测、自诊断、自适应和自修复等，也是智能材料结构系统在土木工程中的研究与开发应用的热点和前沿。光纤材料是土木工程结构健康诊断及其地震响应主动控制中传感器设计的理想材料。

2. 4 压磁材料在土木工程结构中的应用

磁流变液（MRF） 悬浮体系，在外加磁场的作用下，它们的粘性、塑性、弹性等流变性能会发生显著的可逆变化。且当外加场强超过临界值后，磁流变液会在几毫秒内从液态变为固态。在显微镜下可以观察到，在磁场的作用下，磁流变液的分散相颗粒结成了沿磁场方向的链状结构。

由于磁流变液的特性可以在介于液体和固体的属性之间进行可控（由外加磁场直接控制流体的流变特性）、快速（响应时间只有几毫秒）和可逆的转变的独特性质，而且对流体的特性实施控制时所需的能量又较低，变化动态范围大，易于大面积铺放、成本低，磁流变液成为智能结构中作动器件的主要材料。目前，人们主要将磁流变液应用到减振器、离合器、柔性机械卡具、机器人手臂、液压阀门、直升机旋翼、油缸运动的控制桥路以及电源的高速开关等各个领域。

另外，磁致伸缩智能材料也在土木工程的研究中得到了广泛的重视。

磁致伸缩智能材料是一类磁致伸缩效应强烈，具有高磁致伸缩系数并具有电磁能/机械能可逆转换功能的材料。磁致伸缩材料在智能材料与结构领域中具有较好的应用前景，目前这类材料已广泛用于声纳系统、大功率超声器件、精密定位控制、各种阀门和驱动器件等。

3、智能材料的前景

目前在土木工程领域内，智能材料的研究主要在以下三方面的应用研究最受重视：

（1）结构健康的实时检测与监控。这主要是指将先进的传感元件和驱动元件集成在传统的土木结构中，利用它们构成的网络对结构的裂缝、损伤、疲劳、冲击、缺陷、腐蚀等状态进行实时监测和控制，以确保重大土木工程结构和基础设施的安全可靠，降低其维修费用。

（2）形状自适应材料与结构。智能材料的研究与出现不仅可使土木工程设计人员所期盼的自适应结构的诞生成为可能，而且更重要的是它代表着先进的新型材料与传统的土木工程设计人员所期盼的自适应结构的诞生成为可能，而且更重要的是它代表着先进的新型材料与传统的土木工程结构相结合这一重大的学科研究发展方向。

自适应结构既具有承受荷载和传递运动的能力，同时还兼有检测（应力、应变、裂缝、损伤、温度等）、动作（改变结构内部应力应变分布和结构外形及位置等）和改变结构特性（结构阻尼、固有频率、光学特性、周围电磁场分布）诸多智能功能，因此其应用前景非常广阔。

（3）结构减振抗震抗风降噪的自适应控制。结构的动力响应一直是土木工程设计中的一个非常重要的问题，特别是对于高层建筑和桥梁等大型土木工程结构的抗震抗风问题更是如此，而智能材料的開发与应用就可为之提供一个更为有效的新途径，从而使结构的自适应控制成为可能。

目前，虽然智能材料还有这样或那样的不足，但是，随着研究的深入，智能材料的性能将得到进一步的改善。智能材料在许多领域都具有巨大的潜在应用前景，其研究涉及材料科学、化学、力学、生物、微电子技术、分子电子学、计算机控制、人工智能等学科与技术。

4、结束语

智能材料在土木工程中的重要应用，是自动化控制技术发展、计算机科学、材料科学的重要阶段的产物，因此，土木工程的未来深受高科技材料发展的影响，对此我们国家需要长久的对其研究下去，采取新方法，引进国外先进技术，从而提高我们国家对于智能材料在土木工程中的应用，增加我国建筑的各种性能。

参考文献：

[1]王社良，薛凌云，苏三庆，形状记忆合金驱动器的力学性能[J] .西安建筑科技大学学报

[2]阎平，智能材料在土木工程中的应用[J] .现代物业

[3]张亚东，智能材料在土木工程中的应用研究[J] .科技资讯