基于铁基形状记忆合金的新型预应力技术及其工程应用

朱 虹 刘子卿 董志强, 2 吴 刚 文玉华

(1东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 211189)(2东南大学智慧建造与运维国家地方联合工程研究中心，南京 211189)(3四川大学机械工程学院，成都 610065)

形状记忆合金(shape memory alloy，SMA)是由马氏体和奥氏体2种晶体结构组成的一种特殊合金材料.这2种晶体结构在特定情况下可以实现相互转变，宏观上表现为SMA形状发生改变.处于母状态下的SMA由奥氏体晶体结构组成，当达到某一特定温度时，奥氏体晶体结构会通过原子位置变化转变为马氏体晶体结构，此过程称为马氏体相变.除温度诱导外，施加外荷载使SMA产生一定的预变形也可以诱导马氏体相变.预变形后的SMA经历高温时，由马氏体相变所产生的马氏体会重新转变为奥氏体，宏观上即为SMA变形得到了恢复，此过程称为马氏体逆相变或奥氏体相变.上述由晶体结构相变所产生的形状恢复现象称为形状记忆效应(shape memory effect，SME)，是SMA最主要的特点之一.此外，SMA还具有超弹性、弹性模量可变、高阻尼以及电阻可变等特点.

形状记忆合金按其组成材料可分为镍钛基形状记忆合金(Ni-Ti SMA)、铜基形状记忆合金(Cu-SMA)和铁基形状记忆合金(Fe-SMA).Ni-Ti SMA是目前最为常见的一类SMA，常作为阻尼器、传感器等装置应用于生物、医学、机械以及航空航天等领域[1].基于Ni-Ti SMA超弹性和形状记忆效应的特性[2-4]，研究者们对其在土木工程领域的应用开展了系列研究[5-13].然而，Ni-Ti SMA价格极为昂贵，大大限制了其在土木工程领域的推广应用.低成本的Cu-SMA和Fe-SMA研究日益成熟[14-15].相比于Cu-SMA，Fe-SMA具有更高的弹性模量并且可在相对较低的温度下发生相变[16]，这使Fe-SMA在土木工程领域推广中更具优势.

Fe-SMA于20世纪80年代研制成功[17-18]，早期研发的Fe-SMA往往需要进行额外的机械训练才能获得较好的形状记忆效应，这在一定程度上限制了其推广应用[19].随着冶炼工艺的不断改进，无需机械训练的Fe-SMA[20]于2001年研制成功，使得Fe-SMA的生产成本大幅降低.然而，由于其较高的相变温度，Fe-SMA在土木工程中的推广应用仍然较为缓慢.瑞士联邦材料科学与技术实验室(EMPA)自20世纪初便在SMA方面进行了大量研究，并于2009年由Dong等[21]研究出一种新型铁基形状记忆合金，其相变温度为160～240 ℃，且拥有较高的回复应力，该项研究成果为Fe-SMA在土木工程领域的规模化应用奠定了基础.自2012年起，瑞士、韩国、西班牙和加拿大等国学者陆续对Fe-SMA开展了系列研究，研究涉及Fe-SMA的回复应力和耐腐蚀性能等基本材料属性方面以及应用于工程结构修复时的关键技术.近年来，EMPA与Re-fer公司合作研发了多种形式的Fe-SMA产品，包括Fe-SMA条带、Fe-SMA带肋筋和光圆筋等，其极限抗拉强度接近1 GPa，极限应变最高可达40%.针对不同工程需求，Fe-SMA产品可应用于混凝土结构和钢结构的抗弯抗剪性能提升和疲劳加固等，截至目前基于Fe-SMA的试点应用已超20余项[22].

Fe-SMA在土木工程领域的研究主要集中在国外，国内研究较少.因此，本文首先对Fe-SMA的基本特性(如形状记忆效应、回复应力、耐腐蚀性、可焊性)和工程应用(加固效果、关键工艺工法和长期性能等)最新研究进展进行了系统梳理.其次，介绍了课题组自主研发的新型大直径通用型Fe-SMA绞线产品(直径15.2 mm)，该绞线可以完美匹配现有预应力钢绞线的锚夹具，降低应用成本.最后，展望了未来Fe-SMA在土木工程中的若干应用前景，并基于Fe-SMA可快速、便捷施加预应力的技术特点，构思了面向基础设施智慧运维的技术路径.本文工作有助于国内学者快速了解Fe-SMA在土木工程领域的研究应用现状，推动Fe-SMA的进一步应用.

1 Fe-SMA的基本特性

1.1 形状记忆效应

Fe-SMA的形状记忆效应是由材料内部马氏体和奥氏体之间的相变所引起的.相变过程是一种无扩散的固态转变，原子间以一种有组织的方式移动.在温度诱导相变的过程中存在Mf、Ms、Af、As四个关键的相变温度点，即马氏体相变的结束温度和起始温度、奥氏体相变的结束温度和起始温度.如图1(a)所示，在路径①中，温度诱导Fe-SMA奥氏体向马氏体转变，当温度低于Ms时相变开始，温度达到Mf时相变结束.此外，还可以采用应力诱导的方式进行Fe-SMA马氏体相变(见图1(a)和(b)中的路径②).相比图1(a)中低于Mf的应力诱导方法，图1(b)中介于Ms～Af的应力诱导方法更适合于在实际工程中应用.需要注意的是，在应力诱导过程中，会伴随塑性变形以及α-马氏体(无法相变的马氏体)的形成，两者会导致Fe-SMA产生不完全的形状记忆效应.在较低温度环境下，Fe-SMA首先发生马氏体相变，然后是塑性变形；而在较高温度下，应力诱导更容易导致塑性变形和α-马氏体的产生[23].因此，应力诱导马氏体相变的温度应更接近Ms.路径④为马氏体逆相变的过程，这一过程中马氏体重新转化为奥氏体，Fe-SMA形状得到恢复.马氏体逆相变的温度诱导方式多种多样，例如火焰、电阻加热以及环境升温等.不同的温度诱导方式意味着温度到达As～Af的时间也是不同的.研究表明，升温时间对形状记忆效应没有明显影响[24].因此，可根据实际工程情况的不同，选择最佳的温度诱导方式.

(a)热马氏体的形成

1.2 回复应力

形状记忆效应发生时，若约束Fe-SMA的变形，晶体结构改变所产生的能量会以应力的形式存在，该应力称为回复应力.回复应力的大小是衡量Fe-SMA性能的重要指标之一.Fe-SMA在形状记忆效应过程中的应力-应变和回复应力-温度行为见图2.Fe-SMA进行应力诱导(预拉伸)，产生相应预应变εpe(见图2(a)中路径①).随后，在卸载阶段(见图2(a)中路径②)，曲线呈非线性下降，该下降段与普通钢材有所不同.这是因为除去Fe-SMA的弹性应变(线性应变ε1)，还存在一部分的伪弹性应变(非线性应变ε2)，这类应变产生的原因在于应力诱导所产生的马氏体并不稳定，随着卸载的进行，部分马氏体又重新相变为奥氏体.路径②最终对应的应变为εr，包含马氏体相变所产生的应变和塑性应变.在变形被约束的情况下，对Fe-SMA进行升温激励，Fe-SMA将产生相应的回复应力(见图2(a)中路径③).由图2(b)可知，在加热过程早期，Fe-SMA应力逐渐降低并为负值；这是因为热膨胀效应所产生的应力在初期大于形状记忆效应所产生的回复应力.随着温度的进一步升高，马氏体向奥氏体转变速度加快，回复应力占据主导地位，曲线逐渐上升.在升温过程中(见图2(b)中路径③)，热膨胀效应的存在降低了SMA所产生的回复应力，而在冷却阶段中(见图2(b)中路径④)，受冷缩影响，Fe-SMA的回复应力进一步增加.此外，在冷却过程中，当回复应力超过马氏体正向转变的临界应力时，应力-温度图呈现非线性行为，新马氏体的形成以及较大应力水平下的松弛会导致最终所产生的回复应力σr略低于初始应力.

(a)应力-应变关系 (b)回复应力-温度关系

Fe-SMA的最终性能与其组成成分、组织特征(晶粒尺寸、第二相颗粒的存在、大小和分布等)以及锻造工艺[27-30]等因素密切相关.表1给出了不同参数影响下Fe-SMA的回复应力和激励温度.可以看出，早期的Fe-SMA需要通过热循环机械处理(即机械训练)[19]，才能够获得一定的回复应力，这会导致生产成本增加，市场竞争力下降.2001年，Kajiwara等[20]发现将NbC(碳化铌)沉淀到Fe-SMA微结构中，无需额外训练便可明显改善合金的回复应力，并且预轧制的锻造工艺也能对回复应力起到一定的提高效果[20, 31].随后研究中，将新的沉淀物，如少量VN(氮化钒)或VC(碳化钒)添加到Fe-SMA中，其回复应力能提升至580 和500 MPa[16, 21, 32].此外，Zhang等[33-34]通过等通道角挤压及随后的冷轧和淬火工艺，使改善后的Fe-SMA回复应力也可达到460～565 MPa.从表1中还可以发现，前期研究的Fe-SMA激励温度较高[19-20, 31, 33-34]，使得Fe-SMA的应用受到一定的限制.2009年Dong等[21]研发出一种新型铁基形状记忆合金Fe-16Mn-5Si-10Cr-4Ni-1(V, N)，其激励温度降低至160 ℃左右，且回复应力保持在330 MPa.随后Li等[32]于2013年对Fe-SMA进一步改进，研制的Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni-1(V, C)在相变温度(160 ℃)保持不变的前提下，回复应力可达到440 MPa，提升幅度为33.3%.

表1 不同参数下的Fe-SMA回复应力和相变温度

除Fe-SMA自身组成成分和锻造工艺等前期因素外，Fe-SMA后期预应变大小和激励方式同样对其回复应力具有重要影响.如图3所示，随着预应变的增大，Fe-SMA的最大激励温度(即升温过程中因热膨胀效应导致回复应力为0时的温度)逐渐增大[35].最大激励温度的升高使得Fe-SMA产生的回复应力增大.例如，预应变为1%的Fe-SMA的最大激励温度为248 ℃，该激励温度下Fe-SMA可产生348 MPa的回复应力，而预应变为8%的Fe-SMA在最大激励温度455 ℃下可产生448 MPa的回复应力.相同预应变下，回复应力随着激励温度的升高先增大后基本保持不变.如图4所示，相同激励温度下，预应变大小与所能产生的回复应力大小并不成正比关系[24]，预应变2.0%的Fe-SMA在激励温度160 ℃下获得的回复应力最大.此外，Fe-SMA的回复应力不会受激励速率影响.例如，环境温度激励(几十分钟至几个小时)和通电激励(几十秒至几分钟)下Fe-SMA产生的回复应力基本相同.这一结论在2018年Shahverdi等[24]的Fe-SMA条带测试中被证明.

图3 不同预应变和激励温度下的回复应力对比[35]

图4 1.5 mm厚Fe-SMA条带在不同预应变下的回复应力-温度关系[24]

1.3 耐腐蚀性能

近年来，学者们对Fe-SMA的耐腐蚀性能进行了大量研究[36-41].提高Fe-SMA耐腐蚀性能的方法主要为调整材料成分比例.高含量的Cr[36]、Ni[36]、Si[37]元素有利于提高Fe-SMA在酸性溶液中的耐腐蚀性能，N[36]、Cu[38-39]、Ce[40]、Co[41]等元素的添加也会对耐腐蚀性能起到积极作用.作为Fe-SMA组成元素之一的Mn[36]，虽然其对回复性能起到一定的促进作用，但是高含量的Mn会导致含锰氧化物包裹体(包括硫化锰)的形成，降低Fe-SMA的耐腐蚀性能.文献[42]指出较小的预应变值有利于提高Fe-SMA的耐腐蚀性能，但预应变值过高将会产生反作用.这是因为施加预应变会使部分奥氏体晶体结构转变为相对不易被腐蚀的马氏体晶体结构，而预应变进一步增大时，除产生马氏体外还会伴随产生更多的不可逆塑性变形，由此引起的原子错位和其他微缺陷会导致耐腐蚀性能降低.

为了更好地将Fe-SMA推广应用于土木工程领域，学者们对其在混凝土碱性环境下的耐腐蚀性能进行了相关研究.Lee等[42]分析了元素组成为Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni-1(V, C)的SMA在不同pH值环境下的耐腐蚀性能.研究发现，在pH=13的混凝土碱性环境下，Fe-SMA与S500钢表面均形成钝化膜，有效防止了材料进一步腐蚀，二者均保持良好的耐腐蚀性能.在pH=8.4，4.5的环境(分别对应碳化后混凝土环境和酸性空气环境)下，Fe-SMA的腐蚀速率相比于S500钢大幅度降低，分别仅为后者的20.5%和0.77%.此外，观察发现在冻融循环作用下Fe-SMA的腐蚀程度明显低于普通钢筋[43].因此，Fe-SMA良好的耐腐蚀性能有利于降低其在土木工程中应用时所需的防腐成本.

1.4 可焊性能

作为金属材料最常见的连接工艺之一，研究者们对Fe-SMA的可焊性能进行了大量研究.文献[44]指出，受焊接过程中焊接区形成的枝晶组织和产生的焊接应力影响，Fe-SMA焊接区易发生断裂.相比强度相近的Q690钢材(极限强度为832 MPa)，其焊接区强度(751 MPa)要大于Fe-SMA焊接区强度(650 MPa)[45].Dong等[46]对焊接后Fe-SMA的回复性能进行了试验研究，焊接方法选用激光焊接(LBW)、电子束焊接(EBW)和钨极氩弧焊(TIGW).结果表明，焊接方法对焊接区所产生的回复应力并无明显影响，相比非焊接区产生的300～330 MPa回复应力，焊接区回复应力仍保持在250 MPa左右.因此，可以根据不同的工况条件选择Fe-SMA焊接方法，且焊接区仍能保持较高的回复应力水平，但如何改善Fe-SMA焊接区强度仍是后续研究需要考虑的问题.

2 Fe-SMA自预应力技术及应用

SMA在马氏体逆相变过程中产生的回复应力可作为预应力施加于工程结构中，该预应力是由SMA自身晶体结构相变所导致的，无需在施工现场借助张拉设备施加预应力，大大简化了施工工艺.实际上，自21世纪初以来，国内外学者便对SMA在预应力方面的应用进行了大量的探索研究[47-54].但该类研究局限于Ni-Ti SMA，受其高昂价格和低热滞性[55]的限制，研究往往停留在实验室阶段，无法在工程结构中大范围推广.新型Fe-SMA相比于Ni-Ti SMA具有价格低廉、回复应力稳定等优势，可以在160 ℃左右的温度下被激励，避免因温度过高对建筑结构造成额外的损伤[56-57].此外，Fe-SMA可以在大气条件下进行工业化规模生产，不需要昂贵的真空处理技术[58].2012年底，EMPA实验室与Re-fer公司合作，开展规模化Fe-SMA产品的生产和销售[22].图5为Re-fer公司现阶段可制备的Fe-SMA产品照片，包括Fe-SMA筋材和Fe-SMA条带等.目前，Re-fer公司已在瑞士和法国多次采用Fe-SMA对工程结构开展了加固修复[22].上述Fe-SMA在预应力方面的技术称为Fe-SMA自预应力技术(见图6).本文对近年来Fe-SMA自预应力技术在工程结构加固修复领域的研究和应用进行了系统梳理，按结构形式的不同，分为混凝土结构应用和钢结构应用.

图5 Fe-SMA筋材和条带[22]

(a)Fe-SMA激励前

2.1 混凝土结构中的应用分析

2.1.1 抗弯抗剪加固

现阶段Fe-SMA加固混凝土结构主要为抗弯加固和抗剪加固2种形式(见图7).根据材料形式可分为Fe-SMA条带加固和Fe-SMA筋加固；根据加固方法可分为嵌入式加固和外贴式加固.Fe-SMA加固混凝土结构形式及效果汇总于表2.表中，Fc、Fcp、Fca分别为未加固试件、未激励和激励后Fe-SMA加固试件的开裂荷载；Fu、Fup、Fua分别为未加固试件、未激励和激励后Fe-SMA加固试件的极限荷载.由表可知，相比未加固试件，Fe-SMA加固试件的开裂荷载和极限荷载均有不同程度的提高.然而，同一试件开裂荷载的提升幅度要远远大于极限荷载的提升幅度，这一现象与传统预应力结论相同.对于相同Fe-SMA数量下的加固试件，是否激励Fe-SMA产生回复应力对结构的极限荷载提升效果有限，但开裂荷载却相差明显，增长幅度至少为极限荷载增长幅度的5倍以上.此外，采用Fe-SMA加固，结构的裂缝宽度和数量也得到了明显改善.Czaderski等[59]发现Fe-SMA未激励试件的平均裂缝宽度为0.092 mm，Fe-SMA激励试件的平均裂缝宽度为0.059 mm，下降幅度接近50%.因此，使用Fe-SMA加固将大幅度改善建筑物在服役期间的开裂程度，降低周围环境通过裂缝对结构性能的影响，提高建筑物的耐久性.

表2 Fe-SMA加固混凝土结构形式及效果 %

(a)Fe-SMA条带

Fe-SMA加固不仅可以提高抗裂能力和承载能力，还能增强结构的延性.究其原因在于，Fe-SMA是一种高延性材料，其断裂延伸率可达40%以上[22].Rojob等[60]发现Fe-SMA加固梁的延性系数相比未加固梁提高33%～41%，耗能能力提高146%～158%.文献[61]对相同尺寸和预应力水平下的Fe-SMA和CFRP加固梁开展了对比研究，发现CFRP加固梁表现出了较好的承载性能，开裂荷载、屈服荷载和极限荷载均比Fe-SMA加固梁高11%～15%，但与未加固梁相比，CFRP加固梁的耗能能力和延性系数分别降低了6%和8%，而Fe-SMA加固梁的耗能能力和延性系数却分别提高了70%和41%.由此表明，与CFRP加固梁相比，在极限荷载等几乎不受影响的情况下，Fe-SMA加固梁的延性得到了显著提升.

2.1.2 关键工艺

基于Fe-SMA的自预应力技术虽无需进行现场张拉施工，但需要通过外加激励诱导Fe-SMA发生相变.现阶段Fe-SMA激励方式可分为通电激励、环境温度激励和火焰激励3种.

通电激励是指通过电流使Fe-SMA自身升温至激励温度的方式.如图8所示，通过铜质夹头和电流导线连接Fe-SMA条带/筋材和电源，利用电阻发热诱发相变.通电激励多采用高额电流(9 A/mm2)以达到瞬时激励(37 s)的效果[62].因此，具有快速、高效特点的通电激励是现阶段Fe-SMA最常用的激励方式.

(a)Fe-SMA条带[61]

环境温度激励是指通过提高Fe-SMA周围环境温度，利用热传导使Fe-SMA达到激励温度的方式.该方式所采用的装置按照应用场景可分为电加热炉[34]和电陶瓷垫[67]，前者适用于实验室阶段，后者适用于实际工程中(见图9).环境温度激励过程中，密闭空间使得温度升高不会影响结构的其他部分，但整个激励过程所需要时间较长(1 h以上).

(a)电加热炉升温[34]

火焰激励是指通过喷火枪快速扫过Fe-SMA完成激励的方式.该方式最大程度地简化了Fe-SMA激励所需的条件和设备，常与喷射混凝土结合使用，可应用于工程抢修加固.图10为Re-fer公司在瑞士Mellingen购物中心采用Fe-SMA筋(火焰激励)对墙体实施快速加固的照片[22].相比于其他2种激励方式，火焰激励受火焰大小和人工操作等客观因素的影响，所能获得的具体回复应力具有不确定性.

图10 Fe-SMA火焰激励[22]

有效约束Fe-SMA在相变过程中的变形，是保证回复应力产生的关键.根据Fe-SMA制品形式的不同，对文献中的锚固方式进行了梳理，归纳为有、无端部附加机械锚固2类(见表3).无端部附加机械锚固主要依靠砂浆或混凝土与Fe-SMA之间的黏结力约束变形；有端部附加机械锚固根据锚固形式的不同，分为锚钉锚固、弯钩/预压钢板锚固和螺母锚固等.

表3 Fe-SMA加固混凝土结构约束方式及步骤

无端部附加机械锚固主要用于Fe-SMA条带嵌入式加固和Fe-SMA筋材(螺纹筋)体外加固.如图11(a)所示，砂浆作为嵌缝填充材料应用于嵌入式加固，与Fe-SMA条带结合产生黏结力.凹槽开口尺寸明显小于常规预应力锚具所需尺寸，相比传统嵌入式预应力加固方法更节省空间.Fe-SMA螺纹筋依靠其表面螺纹可与混凝土形成良好的黏结力，提供约束，常与喷射混凝土技术结合，应用于结构体外加固(见图11(b)).

(a)砂浆嵌缝[61]

经历高温相变的同时，能否提供足够的黏结力约束Fe-SMA变形，是无端部附加机械锚固的核心问题.Czaderski等[56]研究发现Fe-SMA条带通电激励后黏结应力(4.0 MPa)大于回复应力产生的预压应力(3.7 MPa)，黏结力能够达到约束Fe-SMA变形的作用.因此，高温相变对黏结力的损失影响可忽略不，而且可以通过增加混凝土层厚度和强度来进一步提高黏结力[69].

有端部附加机械锚固包括Fe-SMA条带体外加固、Fe-SMA筋材(光圆筋)嵌入式加固和体外加固.由图12(a)可知，Fe-SMA条带锚钉位置接近板边缘，无需预留额外的张拉锚固空间，便可实现施加的预应力在整个板长方向上均匀分布.Fe-SMA光圆筋具有光滑表面，应用于嵌入式加固时筋材无法与混凝土形成足够的黏结力，因此需要端部机械锚固来约束Fe-SMA变形.文献[59,68]提出了2种不同的锚固方式：弯钩锚固和预压钢板锚固(见图12(b)和(c)).图12(d)给出了Re-fer公司针对Fe-SMA光圆筋应用于体外加固所采用的锚固方式——螺母锚固.该方式通过筋材两端后期加工的螺纹与端部螺母形成机械咬合力，约束Fe-SMA变形.

(a)锚钉锚固[65]

2.1.3 长期性能

Fe-SMA凭借形状记忆效应可以快速完成预应力加固，但回复应力的稳定性是决定Fe-SMA能否在结构服役过程中提供有效预应力的关键因素.Hosseini等[70]对Fe-SMA回复应力稳定性进行了研究.Fe-SMA条带首先在160 ℃下被激励，然后在循环应变为0.035%、0.070%和0.105%的情况下进行2×106次循环加载.结果表明，加载前期Fe-SMA的回复应力随着循环次数的增加逐渐下降.循环次数超过1×105后，回复应力基本保持不变.当循环次数为2×106时，回复应力下降幅度为12%～20%.另外，Gu等[35]在循环应变为0.035%的条件下，对激励温度为150、250、350 ℃的Fe-SMA条带进行了循环加载试验，结果表明，温度的改变并不会影响循环荷载下回复应力的下降幅度.

Hosseini等[70]对应力损失后的Fe-SMA进行二次激励(激励温度相同)后发现，损失的回复应力大部分得到恢复(见图13).这一现象证明回复应力的下降主要是由马氏体相变导致的，可以通过二次激励使Fe-SMA实现回复应力补充.由此可知，采用Fe-SMA加固建筑物时，产生的预应力可以进行二次补充，这是传统预应力加固材料所不具备的特性.另外，二次激励后的Fe-SMA与一次激励后的Fe-SMA在循环加载下的应力松弛行为基本相同.

图13 一次和二次激励时的回复应力-温度关系比较[70]

目前，针对Fe-SMA应用于结构中的长期性能研究较少.仅Rojob等[43]在2018年对长期处于冻融循环和持续荷载作用下的Fe-SMA加固钢筋混凝土梁的耐久性能进行了研究.结果表明，在经受长达7个月650次的冻融循环后，位于梁试件底部的混凝土脱落严重，外露的Fe-SMA腐蚀程度要明显低于同环境下钢筋的腐蚀程度.相比于室温环境下的Fe-SMA加固试件，冻融环境下Fe-SMA加固试件的极限承载力仍能保持较高水平，下降幅度仅为12.1%.

2.2 钢结构中的应用分析

Izadi等[71]于2017年提出了将Fe-SMA作为预应力材料加固钢结构的设想，随后学者们对Fe-SMA应用于钢结构加固领域进行了初步探索.目前，该类研究主要采用Fe-SMA条带，根据锚固方式的不同，可以分为螺栓锚固、锚钉锚固和黏结锚固3种(见图14).

图14 Fe-SMA条带加固钢结构及其锚固方式

2.2.1 螺栓锚固

Izadi等[72]于2018年研发了Fe-SMA加固钢结构的锚固方式——螺栓锚固(见图15).采用该方式约束Fe-SMA变形，激励后钢板应力下降幅度可达74 MPa.此外，Izadi等[73]在Fe-SMA条带加固裂纹钢板的疲劳试验(循环应力为75 MPa)中发现，采用Fe-SMA加固后，钢板疲劳次数增加了280%.将Fe-SMA宽度扩大一倍后，加固试件在75 MPa循环加载下裂纹不再扩展，疲劳次数近似达到无限.应力幅值扩大至105 MPa(增加近40%)后，疲劳次数仍比未加固试件增加300%.

图15 Fe-SMA条带螺栓锚固[72-73]

除了Fe-SMA加固钢板外，Izadi等[74]于2019年采用螺栓锚固的方法对钢梁进行了抗弯加固.在100、160、260 ℃下激励Fe-SMA条带，回复应力分别为161、328、431 MPa，钢梁挠度分别减小0.7、1.7、2.2 mm.经历2×106次循环加载后，锚固装置没有明显滑移，回复应力没有额外损失，进一步证明了该锚固的可靠性.

2.2.2 锚钉锚固

为进一步简化Fe-SMA的锚固方式，参照Fe-SMA条带体外加固混凝土结构的锚钉锚固方法，Fritsch等[75]于2019年开展了锚钉锚固Fe-SMA条带加固钢结构的研究.通过剪切试验，从承载力、滑移和锚固面积等方面考察了5种锚钉方式的效率，结果见图16.图中，Si-jpk为锚固方式编号.其中，Si为试件编号；j为单列锚钉数量；k为总钉数.由图可知，除S5-4p8发生锚钉被剪断外，其余锚固方式破坏形式均为Fe-SMA条带被拉断.采用S3-2p12锚固方式的极限荷载和相应滑移量最佳，但考虑锚固面积的影响，建议选用S1-4p12锚钉方式.选取与文献[74]相同的疲劳试验制度对锚钉锚固进行疲劳测试，结果显示并未发生明显的预应力损失和锚具滑移.

(a)荷载-滑移关系

2.2.3 黏结锚固

2021年Wang等[76]探索了直接将Fe-SMA通过化学胶粘贴在钢材表面进行加固的可能性.采用3种不同胶黏剂(聚氨酯密封胶Sika 1277、环氧树脂胶3M EC9323和Hysol EA9394)对Fe-SMA条带进行粘贴，研究Fe-SMA条带与钢板的界面行为.结果表明，最佳胶黏剂Sika 1277所产生的黏结强度高达Fe-SMA条带极限强度的76%，为Fe-SMA回复应力的2倍以上.Fe-SMA温度升至160 ℃时，胶黏剂温度处于40～60 ℃范围内.因此，胶黏剂不会发生软化，仍能保持良好的黏结效果.随后，Wang 等[77]对黏结锚固下Fe-SMA条带加固钢板的疲劳性能进行了研究，并与CFRP加固钢板比对，结果见表4.由表可知，采用Fe-SMA比CFRP的效果更好，疲劳次数最高可达3.30×106.

表4 不同加固方法的疲劳次数与寿命提升比[77]

2.2.4 经济性比较

Hosseini等[78]对采用Fe-SMA和CFRP加固钢结构的成本进行了比较分析，结果见表5.表中，CFRP和Fe-SMA尺寸均为50 mm×1.4 mm×4 240 mm.各类成本均参考瑞士当地价格，其中CFRP和Fe-SMA价格受生产量影响会出现一定程度的浮动.综合考虑原材料、锚具、防腐以及人工成本等众多因素的影响，CFRP加固6.4 m工字钢梁成本为22 800元，Fe-SMA相应加固成本为7 980元，仅为CFRP成本的1/3.在预应力水平方面，CFRP最大预应力值为名义抗拉强度的0.65倍[79]，名义抗拉强度取2 GPa，最大预应力值为1.3 GPa.Fe-SMA条带可以提供400 MPa的预应力，接近于CFRP最大预应力值的1/3.由此可知，2种加固方式基本等价，但CFRP加固试件由于自身脆性特点需要进行额外措施来保证安全，Fe-SMA加固试件则具有良好的延性和耗能能力.随着结构加固时间的增加，预应力会出现不同程度损失，利用Fe-SMA二次激励的特性可重新补充预应力.因此，采用Fe-SMA加固在长远效果上更具优势.

表5 2种方式加固6.4 m工字钢梁的成本比较[78]

3 新型大直径Fe-SMA绞线的研发与测试

现阶段Fe-SMA主要产品形式为筋材、条带以及用于实验室研究的小直径单丝.为匹配现有的预应力绞线锚具、节约应用成本，研发通用型的大直径绞线以更适用于Fe-SMA的推广.目前，本课题组已在Fe-SMA绞线研发和回复应力测试方面进行了初步探索性工作.

本课题组自主研发了可制备不同直径Fe-SMA绞线的生产装置，同步实现了Fe-SMA绞线捻拉和热处理工艺.现阶段，已成功研制出直径为15.2 mm的Fe-SMA绞线(见图17).Fe-SMA绞线除色泽偏黑外，与普通钢绞线在外观和形状方面并无差异.在研发Fe-SMA绞线的同时，本课题组还自主研发了高电流瞬时激励装置和回复应力测试装置，并配套红外热成像仪和采集装置，组成完善的回复应力测试系统(见图18)，为后续Fe-SMA绞线研究提供技术储备.

图17 Fe-SMA绞线

图18 Fe-SMA回复应力测试系统

目前，本课题组已对组成绞线的直径5 mm、长度300 mm 的Fe-SMA原丝进行了回复应力测试.Fe-SMA由四川大学机械学院提供，化学成分为Fe-15Mn-4Si-8Cr-4Ni-0.18C.图19(a)为Fe-SMA达到最高温度时的红外热成像图，激励电流高达4 A/mm2，升温过程仅需60 s.为了避免升温过程中因热膨胀效应所引起的反向应力影响测试结果[24]，通过预紧高强螺帽施加80 MPa的预压应力.图19(b)为Fe-SMA的回复应力-温度关系曲线.由图可知，升温阶段回复应力呈先下降后上升又下降的变化趋势，说明热膨胀效应、形状记忆效应和热膨胀效应依次在升温过程中占据主要地位.进入冷却阶段，形状记忆效应和冷缩效应使回复应力迅速增长，峰值可达到357 MPa，最终保持在327 MPa.

(a)红外热成像图

4 展望

4.1 结构防火性能提升方面的应用

高密度和低孔隙率建筑材料，如超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)，在高温环境下由于内部孔隙水蒸发受阻易发生爆裂现象.SMA纤维可以作为一种抑制高温爆裂的材料，添加进UHPC中，在高温环境下发生马氏体逆相变，对周围基体产生预压应力，从而达到抑制高温爆裂的作用.Orvis[80]研究并验证了通过Ni-Ti SMA纤维施加预应力的可行性.然而，Ni-Ti SMA纤维提供预应力水平稳定性差且材料成本较高，使其应用发展受到限制[79].Fe-SMA具有较低成本和稳定的回复应力，抑制高温爆裂的Fe-SMA纤维可以作为今后Fe-SMA应用的产品之一.

4.2 基础设施智慧运维方面的应用

相比日趋智慧化的结构检/监测和评估方式，结构加固修复的方式仍然较为传统.例如，采用钢绞线、FRP等材料进行体外预应力加固.传统加固修复方式不仅存在施工繁琐、工期长、造价高、对既有结构干预度高等弊端，而且往往会出现加固不及时的现象.待加固结构长期处于“亚健康”工作状态，损伤累积到不得不加固修复时才能得到一次“医治”，存在所谓的“大病大治”问题.

结合研发的大直径通用型Fe-SMA绞线具有相对廉价和快速提供预应力的技术特点，进一步可构建以Fe-SMA为末端修复技术的工程结构智慧运维体系.在建设之初，将一定数量的Fe-SMA绞线与普通钢绞线一起预埋在预应力结构中.在前期服役阶段，Fe-SMA绞线作为普通受力绞线使用.当预应力出现损失时，对Fe-SMA绞线通电激励，进行预应力快速自补充.将基于Fe-SMA绞线的预应力快速自补充技术与结构检/监测和评估技术相结合，实现工程结构从监测到评估再到加固修复的全链条自动化，实时修复结构损伤，避免结构长期处于“亚健康”工作状态，将工程结构从传统的“大病大治”模式转变为“小病常治”模式，全面提升工程结构的服役性能和使用寿命.

5 结论

1)铁基形状记忆合金因其独特的形状记忆效应以及较低成本、性能稳定等特点在土木工程领域中展现出巨大的应用潜力.与20世纪80年代开发的第1批Fe-SMA相比，Fe-SMA在过去20年中不断被改进和提高.随着具有低激励温度和高回复应力特点的Fe-SMA的出现，近年来，Fe-SMA在土木工程结构加固修复方面取得了突破性进展.

2)现阶段Fe-SMA可在160 ℃下完成马氏体逆相变，并产生440 MPa左右的回复应力.回复应力不仅受材料成分、组织特征和锻造工艺等前期制备因素的影响，后期所施加预应变大小以及激励方式同样也会对其产生影响.

3)基于Fe-SMA独特的形状记忆效应，其产生的回复应力能够以预应力的形式施加到结构中.采用Fe-SMA加固混凝土结构，其开裂荷载、极限荷载和延性都得到不同程度的提高.Fe-SMA加固钢结构时，能够降低钢构件应力，改善疲劳性能.另外，Fe-SMA应用现场不需要复杂的锚具和张拉装置，可以很好地解决空间不足问题，这使得Fe-SMA相比传统预应力技术具有独特的优势，现阶段已应用于多处实际工程中.

4)本课题组研发了通用型大直径Fe-SMA绞线，配置了高电流瞬时激励装置，并构建了完善的回复应力测试系统.Fe-SMA单丝可提供300 MPa以上的回复应力，为后续Fe-SMA绞线测试提供了技术储备.

5)Fe-SMA在结构防火性能和基础设施智慧运维领域具有广阔的应用前景，特别是基础设施智慧运维领域.将Fe-SMA自预应力技术与结构健康监测评估等技术相结合，可以形成一种工程结构全链条智慧运维理念.