形状记忆合金在土木工程中的研究与应用进展

高相富　杜志强　杜红军

[摘要]形状记忆合金是一种集传感驱动于一体的新型功能材料，并引起了土木工程界中的广泛关注。但是我国现阶段对于形状记忆合金这种新型功能材料的应用还处于起步阶段，并且在土木工程中也没有取得相对良好的应用效果。本文就形状记忆合金在土木工程中的研究应用进行了详细的分析。

[关键词]形状记忆合金；土木工程；研究应用

形状记忆合金（SMA）作为一种有着一定记忆功能的材料，其具备良好的自感知、自诊断与自适应能力，并最早应用于航空航天以及医疗等精密领域。近年来随着我国材料加工技术的大幅度提升，也使得SMA在土木工程中的应用得到了较快的发展。

1形状记忆合金中的特性

1.1形状记忆效应（SME）

某些具有热弹性或者应力诱发效果的材料处于一种马氏体状态中，而该材料在经历了一定限度的变形之后，可以借助于加热，并使其温度超过马氏体的消失温度时，该材料就可以直接恢复到变形之前的状态中，也就是形状记忆效益。一般情况下，能够根据该材料记忆功能的区分，将其分为单程、双程与全方位的SME。其中单程的SME是指该材料只需要在经过充分加热之后就可以回复为之前的状态，并能够在该状态下保持不变；而双程SME则指该记忆材料可以利用反复加热与冷却的方式来进行形状的变换。

1.2超弹性（PE）

形状记忆合金的超弹性特征指的是在该材料的SMA温度达到一定程度时，其所加载的应力就会超过一定的弹性极限，并会产生非弹性应变。如果在这一基础上进行加载，则会导致该材料发生马氏体相变，但是这种变化会随着应力的消失而消失，在这种情况下，不需要加热也能够让该材料回复到原本状态之中，而且该材料在应力作用下产生的变形也会通过其逆向变化完全消失.

1.3SMA的特点

SMA有着非常良好的延展性，并且能够恢复的变形程度达到8%～10%。而在SMA中的应力及其应变两者形成的滞回曲线也使得SMA具有非常强的能量存储与传输能力。而且在SMA中，其超弹性是通过相变而引起的，这就使得这种材料有着很好的抗疲劳性能，并且能够在受限恢复过程中产生很好的恢复能力。除此之外，SMA材料的耐腐蚀性能能够达到不锈钢的程度，并且可以在相当高的温度下，也保持有足够大的刚度，这也是SMA材料与其它金属材料最大的区别。但是SMA虽然有着上述诸多优点，但是在对SME进行利用的时候需要利用电源进行加热，这也就极大的限制了SMA的应用范围。而其一般也只能够在10 Hz以下的振动下进行响应控制，并且会在长期使用之后，使得材料本身出现蠕变等情况，并直接导致了SMA材料的工作稳定性能较差。

2SMA的研究进展

在对SMA的减振性能进行了众多试验研究核数值模拟后可以发现，不管是把SMA埋人到土木结构内部，还是将SMA作为外部装置，其都具有良好的抗震性能，并能够有效增加该土木结构系统中的阻尼。而李惠与毛晨曦也就基于SMA的超弹性特性研究过程中，对SMA配套的耗能装置及其设计参数给出了一个合理的取值范围。而近年来已经有多重阻尼器被设计出来，并且在土木工程的建设过程中有了较多的应用。而借助于SMA所制造的好能漆，能够显著的改变其框架结构中的固有频率，并且能够起到很好的减振作用。而在其它的框架结构上安装超弹性的SMA好能漆，也能够使得该框架结构拥有很好的减振效果。

3SMA的应用进展

由于地震以及强风灾害等诸多自然灾害的影响，使得因为建筑物倒塌而引起的经济损失也呈现为逐渐增长的趋势，这也就需要在进行土木工程的施工过程中，需要让该建筑拥有更加良好的抗震性能，并有效提升该建筑物的适应能力。通过SMA中传感驱动这一优势，可以很好的进行土木建筑结构的监控工作，而为了最大限度的在土木工程架构中发挥出SMA的作用，就需要发展一种结构控制一体化的SMA职能混凝土结构，并将目前航空航天领域之中的SMA混杂复合材料朝着土木工程的领域进行延伸与推广。

而在1996年10月发生在意大利的4.5級地震中，使得SAN教堂的钟塔遭遇到严重的破坏，而Indirli则借助于4根有着超弹性的SMA棒与钢筋连接在一起，并安装在钟塔的四个角中，来对该钟塔进行修复工作。而通过SMA的应用，使得该钟塔在2000年6月通震级的地震中安然无恙。这就说明了在土木工程的架构中加入SMA，能够有效减少结构的加速度，并且能够限制该结构的受力强度，从而使得整个土木建筑结构具有较强的抗震能力。

4结语

综上所述，通过本文的分析能够看出，SMA作为一种具有广阔应用前景的新型功能材料，在整个土木工程领域的研究过程中也有着很大的发展。而无论是借助于被动控制还是主动控制，SMA都能够很好的减少该土木结构的动力反应，并能够在很大限度上提升其抗震性能。因此，将SMA应用到土木工程之中，也是未来进行防灾减灾的一个重要发展方向，也是现代土木工程的一个重点研究对象。这也就需要相关研究人员对SMA的性能进行进一步的完善，从而有效促进土木领域的进一步发展。