智能材料系统在土木工程中的应用

¨　耍　衡等强啦乖水　ｒ　　＝智能材料系统在土木工程中的应用　陈　晨　（南京化工职业技术学院，江苏南京２１００４８）　【摘要】　介绍了智能材料系统的概念、组成及其与结构的关系，论述了光导纤维、形状记忆合金、压电　材料等几种土木工程中常用的智能材料的性能、基本工作原理及其工程应用，指出了在研究与应用过程中存　在的一些问题，展望了今后的发展方向。　【关键词】　智能材料系统；机敏混凝土；　智能减振；　土木工程；　应用　【中图分类号】ＴＵ５９９　【文献标识码】Ａ　２０世纪８０年代末起，随着材料技术和大型集成电路技　率大于外层折射率。根据全反射原理，当光线从高折射率的　术的发展，“智能材料系统”的概念首先在美国提出，并展开　内层射向低折射率的外层时，光线将被全部反射回内层。这　了大规模的研究。目前，此类研究已遍及众多领域，并且发　样，光在光纤中可以传播很长的距离，而能量损失很小。利　展迅速，越来越得到人们的重视。智能材料系统是一门新兴　用这一特性，光纤可以对任何导致光信号（相位、频率、波长　的交叉学科，涉及材料学、物理学、化学等学科，目前尚无统　等）变化的物理量（温度、应变、压力等）进行测量。　一的定义。黄尚廉　认为：“在工程结构中植入传感系统、　光纤机敏混凝土就是其中的一个应用实例　Ｊ。当混凝　信号处理与控制系统及驱动系统，赋予结构健康自诊断、环　土受荷或温度变化后，将产生变形和裂缝，从而引起埋入其　境自适应和损伤自修复等某些智能功能与生命特征，达到增　中的光纤产生变形，导致光纤中光信号发生变化，根据光信　强结构安全、减轻质量、减低能耗、提高性能等目标的一种工　号的变化，就可以确定混凝土的温度、应力和变形等，实现对　程结构，称为智能材料系统”。　混凝土结构的自监测和自诊断。　由此可以看出，智能材料系统是一个组合系统。由四个　目前，光纤机敏混凝土已经有了较多应用，如大体积混　分系统构成，即传感系统、信息处理系统、控制系统和驱动系　凝土施工时的温度监测、混凝土结构的裂缝诊断等。尽管如　统。其中，传感系统和驱动系统以智能材料为主导。这里的　此，光纤机敏混凝土应用时也还存在一些问题。光纤测量结　智能材料是具有某些特殊功能的材料，如光导纤维、压电材　构反应时过于敏感，测量范围较小；光纤测量结果很难将某　料、形状记忆合金等。当把这些智能材料融入到结构构件　一种原因引起的变化从综合反应中分离出来；对于应力、应　后，结构就能凭借智能材料本身具有的传感和驱动的功能，　变较大的结构，光纤的使用受到限制；光纤在混凝土中的耐　实现结构的自诊断、自调节等功能。诚然，这样的结构是人　久性问题还需深入研究。　们所向往的结构，其实现了结构由无生命、无感觉到有生命、　１．２功能凝胶　有感觉的发展，是未来建筑的发展方向。　：功能凝胶又称愈合材料，是一种状态可随环境条件（如　１　智能材料系统在土木工程中的应用　温度、压力等）而变化，并能及时向结构供给能量与物质的强　力粘合高分子材料。如果将其装进脆性管道埋人结构内部，　目前，智能材料系统已在各个行业开始应用，但范围还　当结构因外部作用而出现局部裂缝时，脆性管道断裂，液态　不够广泛，主要为较轻或价格较为昂贵的复合材料结构或汽　“愈合剂”便会自动渗透到裂缝的各个部位并迅速凝固，将裂　车、航空航天飞行器等。土木工程结构体型粗大，材料粗糙，　缝牢牢粘合，达到结构裂缝自修复的目的　Ｊ。整个过程与人　智能材料系统的应用将有别于一般情况。综合目前研究，智　体伤口由“破裂一流血一凝结一愈合”的全过程非常相似，被　能材料系统在土木工程中的应用主要有以下两方面：　人们称为自愈合机敏混凝土。试验表明，管道内凝胶压力对　（１）将智能材料融入结构混凝土。使结构混凝土具有自　裂缝愈合质量非常重要，因此必须保证管道内长期压力的稳　诊断、自调节、自愈合等功能，使普通混凝土变成“机敏混凝　定。此外，凝胶材料的长期稳定性也应得到重视。　土”：　１．３形状记忆合金　（２）将智能材料集成到工程结构，实现结构参数自我调　形状记忆合金（ＳＭＡ）是一种对形状有记忆功能的金属。　节，达到减小结构地震及风载作用下振动响应的目的，使普　其特点是：将已在高温下定型的ＳＭＡ，置于低温或常温下使　通结构变成“智能减振结构”。　其产生塑性变形，当环境温度升高到临界温度（相变温度）　下面就几种常用的智能材料在上述两方面的应用情况　进行简要介绍。　、　１．１光导纤维　［定稿日期］２０１１—０６—０２　光导纤维简称光纤，由内、外两层介质构成，且内层折射　［作者简介］陈晨（１９８４～），女，本科，助理实验师。　四ＪＩｌ建筑第３２卷２期２０１２．０４　２４３　・．．ｊ　”建簿溉备簿　＝臻瓣霸夔黼一　时，ＳＭＡ变形消失并恢复到定型时的原始状态。由此可见，　之间。这样，悬浮液就从原先流动性良好的粘滞流体变为具　ＳＭＡ具有两个重要特性：形状记忆效应和相变超弹性。　利用形状记忆效应，把ＳＭＡ丝植入混凝土，可以制成　ＳＭＡ机敏混凝土　Ｊ，实现对混凝土裂缝的自监测和自调整。　有一定屈服剪应力的粘塑性体，即所谓的“固化”，这种特性　称为电／磁流变效应。　利用上述特性，电／磁流变体可用于制作可调阻尼器和　半主动控制器　卜＿９］，它们具有响应快、阻尼力大、功耗低等　当混凝土出现裂缝时，裂缝处的ＳＭＡ丝应变值发生变化，从　而导致其电阻值也发生变化。根据事先确定的“应变一电阻　值”关系及ＳＭＡ丝埋置位置，可以推测在什么地方出现了裂　缝，裂缝的宽度有多大。由此就实现了结构裂缝的自监测。　如果裂缝开展值超过了界限，还可对ＳＭＡ丝通电加温，对裂　缝宽度进行主动控制。利用相变超弹性，可以用ＳＭＡ来制　作结构耗能阻器　Ｊ。由于ＳＭＡ超弹性的滞回环由相变引　优点。但是电流变体不能用作主动控制的驱动器，因为它的　出力十分有限，无法达到土木工程结构振动的主动控制力要　求。此外，电／磁流变体材料的性能还有待改善，如长期放置　的稳定性问题、温度适用范围问题以及磁流变体的退磁问　题等。　２展望　起，具有极高的抗疲劳性能，因此其寿命将大大超过常规软　钢耗能器。　智能材料系统是一种集材料与结构、智能处理、执行系　此外，在结构振动主动控制方面ＳＭＡ也有涉及。主要　统、控制系统和传感系统于一体的复杂材料系统。它的设计　与应用几乎涵盖了所有高科技领域。它的出现将彻底改变　人们的生活方式，但目前距离实用阶段还有一定距离。今后　还需在以下六个方面进行努力：（１）智能材料概念设计的仿　生学理论研究；（２）材料智能特性及智商评价体系研究；（３）　耗散结构理论在智能材料中的应用研究；（４）机敏材料的复　合一集成原理与设计理论研究；（５）智能结构集成的非线性　有两种方法　Ｊ：一是利用形状记忆效应产生的回复力对结构　进行驱动；二是利用ＳＭＡ的弹模随温度而改变的特性，通过　加热来改变结构的振动频率。但由于ＳＭＡ的响应时间较　慢，到目前为止，此方面的研究还相对较少，很多都是以悬臂　梁、板等基本构件为对象，探讨ＳＭＡ的主动控制效果。　１．４压电材料　压电材料是具有压电效应的材料，压电效应分为正压电　效应与逆压电效应。正压电效应是指对压电元件施加压力　时，引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生电极化，从　而导致元件表面形成电势差。利用这一现象可将压电材料　制成传感元件，测量结构的变形或受力。逆压电效应指对压　电元件加上电压、压电元件的内部正负电荷中心产生相对位　理论研究；（６）仿人智能控制理论研究。　参考文献　［１］　黄尚廉．智能材料系统与结构［Ｊ］．世界科技研究与发展，　１９９６，９（３）：６１—６３　［２］　Ｋｅｍｅｙ　Ａ　Ｄ，Ｆｒｉｅｂｅｌｅ　Ｅ　Ｊ．Ｆｉｂｅｒ　Ｏｐｔｉｃ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｓｔｒｕｅ—　ｔｕｒｅ：Ａ　Ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．Ｓｍａｒｔ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，１９９６，５（２）：１９６　移，导致压电元件变形。利用这一特性可将压电元件制作成　驱动元件，改变结构的变形或受力。　２０８　目前，压电材料一般用于结构振动的主动控制　，兼　［３］　Ｒｏｇｅｒｓ　Ｃ　Ａ．Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ—Ｔｈｅ　Ｄｏｗｎ　ｏｆ　Ａ　Ｎｅｗ　作传感和驱动元件。常用的做法为：首先将压电材料贴在结　构的高应变区，利用压电传感元件感知结构的振动模态，然　后根据所测振动模态输出有关参数，最后通过控制算法确定　压电驱动器的输入，这样就实现了对结构振动的主动控制。　Ｍａｔｅｒｉｌ　Ａｇｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒａｎａｌ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｍａｔｅｒｉｌ　Ｓｙｓｔａｅｍｓ　ａｎｄ　Ｓｔｕｃ—ｒ　ｔｕｒｅｓ，１９９２，４（１）：４—１２　［４］　瞿伟廉，李卓球，姜德生，等．智能材料一结构系统在土木工程　中的应用［Ｊ］．地震工程与工程振动，１９９９，１９（３）：８７—９５　尽管压电材料很早就有上述方面的成功应用，但由于其存在　激励应变量小和极限应变量小两个主要弱点，因此将其应用　于土木工程结构振动的主动控制难度很大。然而由于其具　有的密实度好、反应速度快、精确度高以及外加能源低等优　点，使研究者如何将其应用于建筑结构的振动控制产生了极　大的兴趣。　１．５电／磁流变体　［５］薛伟辰，郑乔文，刘振勇，等．结构振动控制智能材料研究及应　用进展［Ｊ］．地震工程与工程振动，２００６，２６（５）：２１３—２１７　［６］　李宏男，李军，宋钢兵．采用压电智能材料的土木工程结构控　制研究进展［Ｊ］．建筑结构学报，２００５，２６（３）：ｌ一９　［７］欧进萍，关新春．磁流变耗能器及其性能［Ｊ］．地震工程与丁程　振动，１９９８，１８（３）：７４—７９　［８］　隋莉莉，欧进萍．半主动磁流变减振驱动器的工作原理及应用　［Ｊ］．哈尔滨建筑大学学报，２００２，３５（３）：９—１３　［９］　胡旭林，杨光，韩秀清．电流变阻尼器用于抑制系统的振动　［Ｊ］．吉林工学院学报，２０００，２１（４）：４６—４８　电流变体（ＥＲ）和磁流变体（ＭＲ）都为可控流体，分别是　用不导电或不导磁的母液和均匀散布其中的固体电解质颗　粒或磁性颗粒制成的悬浮液，在电场或磁场作用下，悬浮液　中的固体颗粒会形成密集的纤维状链，横架于电磁场的两极　２４４　四川Ｉ建筑第３２卷２期２０１２．０４