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分析智能材料在土木工程结构中的应用现状以及智能结构的实现 关键词：土木工程 智能结构 设计 应用 智能材料 实现 摘要:论述了智能结构的概念和设计思想,从智能材料的构成出发,介绍了它们在土木工程结构中的应用现状及相关研究,并归纳了土木工程智能结构实现的方法,以推广土木工程智能结构的发展。 引言 智能结构是在结构中集成传感器、控制器及执行器,赋予结构健康自诊断,环境自适应及损伤自愈合等某些智能功能与生命特征,达到增强结构安全、减轻质量、降低能耗、提高性能为目标的一种仿生结构系统。工程结构在灾害发生时,应当迅速感知灾害对结构的激励,并及时做出判断,自动调节和控制结构的特性,以使整个结构系统始终处于最佳状态,在灾害发生时能够自己保护自己,并继续存在下来。智能结构的实现依赖于智能材料,智能材料是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及其变化的信息,随后进行判断、处理和做出反应,以改变自身的结构与功能,并使之很好地与外界相协调具有自适应性的材料系统。 1、智能结构设计思想 智能结构设计的基本思想是材料或结构能够感知周围环境的变化,并能针对这种变化做出适当的反应,这是一种具有自感应和自控制能力的“主动”结构,由粘结的或埋入的主动单元(包括感测单元和控制单元)和常规弹性结构组成。由感测单元可得到系统的特定信息,经过处理,通过控制单元实现主动控制。这显然比常规“被动”单元具有更大的优越性,可应用在形状控制、自适应系统、振动控制等方面。 2、智能材料的分类 构建智能结构的材料主要分为以下两类:1)电流变体材料、磁流变体材料、形状记忆材料、电致磁致伸缩材料、功能凝胶等,可用作智能材料系统中的驱动器材料。由于这些材料可根据温度、电场或磁场的变化来改变自身的形状、尺寸、位置、刚性、频率、阻尼、内耗或结构,因而对环境具有自适应功能。2)光导纤维、压电陶瓷、压电高分子、应变合金及其他特种传感器材料,可用作智能材料系统中的传感材料。 3、智能结构的实现 3.1 应用形状记忆合金 试验结果表明,形状记忆合金的相变回复力很高,其值可达近400 MPa。根据这一特性就可研制具有相变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。形状记忆合金被动耗能器大都安装在结构的层间或底部,其目的是为了能够使耗能器明显地感受到结构的层间变形,从而达到消耗地震能量的目的。 有关试验表明,安装了形状记忆合金耗能器的结构,60%左右的地震能量都能被耗能器吸收,结构的位移可得到明显的抑制和减小。目前,国外已将形状记忆合金耗能器用于砌体结构和钢筋混凝土结构的被动抗震控制设计,同时也有用于古建筑抗震加固的应用实例,还有将形状记忆合金制成主动阻尼控制系统的研究。 3.2 应用电(磁)流变体 目前,利用电(磁)流变体进行结构振动控制,已经研制了多种减振控制器,同时对结构控制方法也作了一系列的探索研究。MR减振驱动器的形式主要有挤压流动式、剪切式、阀式或剪切阀式减振驱动器等几种。由于剪切阀式减振驱动器的磁路设计比较方便,因此更适于土木工程结构振动控制。Lord公司生产了驱动力可达20 t的双推杆式MR流体阻尼器,国内瞿伟廉教授也设计制作了用于土木工程结构控制的小尺寸MR流体阻尼器,均取得了显著的、稳定的效果。 试验结果表明,使用MR阻尼器可以显著减小结构的层间位移与扭转,在大跨度结构振动控制中,MR流体阻尼器能够明显减小桥面与桥墩间的相对位移。 3.3 应用压电材料 许多研究人员先后利用压电陶瓷作为加速度传感器和驱动体。有的学者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,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。特别是近年来压电材料和压电堆技术的迅速发展,为压电类智能结构的研究和应用开辟了许多新领域。 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,取得了很好的控制效果,造价也较低廉。此外,也有将压电材料与普通控制装置相结合的半智能型混合抗震控制及半智能型主动抗震控制等方面的研究。 3.4 应用磁致伸缩材料 应用磁致伸缩材料制成的驱动器用于主动隔振有效性的试验,可使6自由度平台的振动减小30 dB。在国外,Anjappa M等人进行了微位移执行器及其在悬臂梁减振方面的研究;藤田隆史等人则用磁致伸缩执行器进行了主动微振动控制系统的基础理论研究。在国内,许多研究者利用超磁致伸缩材料设计制作了主动振动控制器,并对其进行了试验与分析,取得了较好的控制效果,有的达到了30 dB的主动控制效果。但目前这些研究仅限于微制造、机械、军事及航空等领域,所研制的控制器还只能控制小型结构或器械,对于大型土木工程结构的控制还有待进一步的研究开发。 3.5 应用光导纤维 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。国内外在这方面已经有许多成功的应用实例,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。早在20世纪80年代美国就已经将光纤维材料应用于桥梁的振动监测,我国也已经将光纤材料用于三峡大坝健康监测和安全评定系统中。 3.6 应用愈合材料 混凝土及其结构能够自动适应环境,在受到损伤后自行修复,是解决土木工程结构中混凝土材料损伤的最佳途径。但是如何适时快速地修复混凝土材料的损伤,以及混凝土自修复的机理,直到近年来,随着机敏混凝土和仿生混凝土研究热的兴起,才引起人们的重视。 所有的研究大致集中在3个方面:内置纤维胶液管自修复混凝土、内置胶囊自修复混凝土、形状记忆合金智能自修复混凝土。目前,研究仍处于尝试阶段。 4 结语 智能结构在土木工程领域的应用研究已取得了显著的成绩,极大地影响了结构设计理念和多学科交叉应用的发展。随着智能材料和技术的发展,土木工程智能结构已展现出其优越的性能和广阔的