智能材料在土木工程中的应用

【摘 要】近年来,智能材料在土木工程领域内的应用日益广泛,主要有光纤、压磁、形状记忆合金等智能材料,本文通过对智能材料力学特性及其原理的分析,探讨了智能原料在土木工程中应用,并对其未来发展趋势进行了展望.

【关 键 词】智能材料；土木工程；力学特性

1.智能材料类型及特点

智能材料概念在20世纪80年代初被系统地提出,并于80年代末得到前所未有发展空间.随着光纤、压磁、形状记忆合金等智能材料的发展,使其在土木工程领域得到较为广泛地应用.智能材料以其具有的不同功能特点通常可分为两大类,一类为可感知外界或内部刺激强度作用的材料,称为感知材料.另一类为可响应或驱动因外界环境条件或内部状态发生变化的材料,也称为智能驱动材料.智能材料结构具有控制、传感与驱动三个要素,可利用自身感知处理信息,发出指令并执行动作,进而实现结构自我监控、诊断、检测、修复、校正与适应等各种功能.一般情况下,单一功能材料难以具有上述多种功能,这需要组元复合或组装多种材料而构成新的智能材料才能实现.

2.土木工程中智能材料的应用

2.1形状记忆合金的应用

形状记忆合金是具有形状记忆效应的一种智能合金材料,作为新型功能性材料,最主要的优点就是在激发材料的形状记忆效应过程中,材料可以产生高于700兆帕的回复应力及8%左右的回复应变,同时具有较强的能量传输储存能力.该特性的应用能够将材料置于各种结构中,实现结构的自我诊断、增韧、增强与适应控制的应用研究,而且还可以将材料研制为智能型驱动器,在结构变形、损伤、裂缝及振动等方面开展应用研究工作.相变伪弹性与相变滞后性能是形状记忆合金的另一个优点,在加卸载过程中其应力-应变曲线构成环状,表明材料在此过程中能够吸收耗散较多的能量.形状记忆合金具有高达400兆帕的相变回复力,结合该特性能够研制开展形状记忆合金被动耗能控制系统,该系统可实现相变伪弹性性能,可在土木工程结构中用于耗能抗震的被动控制.通常在结构层间或底部安置形状记忆合金被动耗能控制系统,用于实现耗能系统对结构的层间变形的感知,进而起到消耗地震能量的作用.有关研究结果显示,耗能器安装形状记忆合金结构后,耗能器可吸收约为三分之二的地震能量,并显著抑制结构的位移.

2.2压电材料的应用

传统结构中集成压电体,采用压电传感元件对结构的振动模态进行感知,利用其输出结果,采取适宜控制算法对压电体的输入进行确定,以主动控制结构振动的实现,是开展压电类智能结构应用研究的一个较为前沿的领域.很多研究人员在任意复杂激励下,采用压电陶瓷作为加速度传感器与驱动体开展基于压电层合结构的主被动阻尼及主动振动控制等相关问题的研究工作,随着近年来不断发展的压电材料与堆技术,使研究应用压电类智能结构的领域更为广泛.主要应用在土木工程结构的噪声主动控制、静变形控制能、安全评定、健康监测等众多领域都获得良好的控制效果.

2.3光导纤维的应用

光导纤维由外包层与内芯构成,是一种纤维状光通信介质材料,该材料采用先进的信息传输技术起初用于通信传输系统,由于作为信息载体的光子在速度与容量上高于电子,因此得到较为迅速的发展.光子所具有的高并行处理能力与高信息率,潜力在信息容量与处理速度得到充分发挥.光纤材料在监测、传感及信息远距离传输等方面得到应用,将光纤作为传感元件埋入传统混凝土结构中针对结构方面各项指标实现自动监测、诊断、控制、预报及评价等功能,而且将形状记忆合金等驱动元件埋入,有机结合信息处理系统与控制元件,使混凝土结构具有智能功能,进而实现混凝土结构自我诊断与修复.在土木工程结构诊断及主动控制地震响应中,光纤材料一直作为设计传感器的一种比较理想的材料,我国目前也已将其用于检测评定三峡大坝.

2.4压磁材料的应用

在外加磁场作用下,磁流变液悬浮体系的各项流变性能会产生明显的可逆变化.同时在外加场强高于临界值后,磁流变液将迅速从液态转变为固态,在显微镜下能够观察到磁流变液的分散相颗粒在磁场作用下结成沿磁场方向的链状结构.在介于固液体之间可根据磁流变液特点具有的快速、可控及可逆性质,控制流体特性实施时需要较低的能量,因此在智能结构中通常将磁流变液作为动器件的主要材料.在土木工程领域,电视塔、高层建筑、大跨度桥梁等结构中都采用该材料用于实现对地震的半主动控制.此外,磁致伸缩智能材料也在相关研究中日益的得到重要关注.磁致伸缩智能材料具有强烈的磁致伸缩效应,电磁/机械能能够进行逆转换.在智能材料领域中应用前景较为广阔,该材料可用于大功率超声器件、声纳系统、精密定位控制等多个领域.

3.智能材料的发展趋势

在土木工程领域,智能材料的发展趋势集中体现在以下三方面.一是实时监控检测结构状态,在土木结构中集成传感与驱动元件,利用其网络实时监控结构状态,以保证土木工程结构与基础设施的安全,有效降低维修成本.二是形状自适应材料与结构,该结构不仅可承载传递运动,还能检测并改变结构特性,具有较为广阔的应用前景.三是自适应控制减振抗震抗风降噪的结构,在土木工程设计中结构动力响应一直是比较重要的一个问题,尤其是针对桥梁与高层建筑等土木工程结构的抗震抗风问题,研发应用智能材料能够为其提供重要的途径,实现结构的自适应控制.尽管当前的智能材料还存在不同程度的不足之处,但随着有关研究的不断深入,智能材料的性能将得到明显改善.在众多领域中,智能材料都将发挥其潜力,体现出广阔的应用前景,开展的研究包括力学、计算机控制、材料、微电子、人工智能等多个学科技术.

4.结语

综上所述,随着智能材料的广泛应用,同时元件逐渐向小型化、多功能化及高功率化方向发展,在建筑结构中复合控制、传感、驱动系统及耦合/连接元件,建筑结构将发展成为主动式智能建筑结构,对于有效利用太阳能、抵御地震、风振等严重自然灾害影响具有重要作用,为人们工作生活提供更为舒适安全的环境,对于提高土木工程结构建设质量具有十分重要的意义.