智能材料结构系统在土木工程中的应用
智能材料结构系统在土木工程中的应用
发表时间：2016-09-18T14:14:34.507Z 来源：《建筑建材装饰》2015年11月上作者：胡启智
[导读] 旨在推动和促进智能材料的应用范围，为土木工程建设奠定坚实的基本条件。
摘要：在现代化的土木工程建设之中，智能材料有着广泛的应用，而加大智能材料的应用覆盖范围，对于土木工程建设项目的发展必将起到关键性的作用。文章将针对这一方面的内容展开论述，详细的分析了智能材料在土木工程建设项目当中的应用，同时对智能材料的令后发展方向和应用的现状进行了探索，旨在推动和促进智能材料的应用范围，为土木工程建设奠定坚实的基本条件。
关键词：智能材料；结构系统；土木工程
前言
智能材料的智能主要体现在，其具备感知内外部环境变化的能力，并通过分析判断来调整自身以适度符合环境。目前，随着光钎、压磁、压电和形状记忆合金等材料的发展，智能材料已经被广泛应用于土木工程的各个领域。最基本的智能材料一般被称为感知材料，其可以感知内外部刺激的材料。通过感知内外部条件变化，并做出适应环境调整的材料被称作驱动材料。现在的智能材料，一般需要多种材料复合组装来实现环境变化情况下材料结构的诊断、修复、调整。
1智能材料的特点
一般的来讲，智能材料特性有以下几点：反馈功能、传感功能、自诊断功能、相应功能、信息的积累以及识别功能、建筑结构的自我修复功能、自适应功能等。而当前所使用的智能材料还具有以下几个方面的特性：（1）在土木工程建设施工项目当中应用的智能材料可以对外界的环境进行准确的感知，可以精准的检测出环境当中的刺激和刺激所产生的强度，诸如应变量、应力、光、热能以及核辐射和化学能等；（2）智能建筑材料还具有一定的驱动能力，可以对外界的变化进行适当的相应；（3）智能材料可以按照事前设计好的方式，来对自身的相应进行控制，同时还可以选择相应的具体方式；（4）智能建筑材料对于外界刺激所产生的反应非常的快捷，并且非常恰当。最后，智能材料受到外界的刺激并且当刺激消除之时，可以迅速的、在短时间之内恢复至最初始的状态。
2智能材料在土木工程中的应用
2.1光导纤维在混泥土材料的监控
大型混凝土结构的安全检测是研究的重点，现如今，在钢筋混凝土中置入光导纤维并用于通讯，监测替代传统的导线，这样实现了建筑的自动化等等。在土木结构工程中置入传感器，能够判断出根基是否被破坏。如果将碳纤维材料置入水泥的熔浆之中，如果纤维的剂量和设备工艺要调节，那么电阻变硬的特性会随着压力的变化而变化，也就是所谓的回应力敏感，内部结构如果损坏或者接近损坏便会自动报警，这便是混凝土结构中的自我诊断的性能。这种性能可以在水坝、桥梁这些重要工程中进行结构的检测和伤害的评估。桥梁是承受负荷的一种结构，也就是说，在研究的时候，要将负荷和强度一起，并且还需要通过检测器来指导维修，这样可以减少诊断维护和维修费用。桥梁的承受能力主要是看桥面和拱璧之间有几个传感器，这样在桥梁使用的时候就会发生变化，从而造成光敏管的变化，从而获得承受能力的信息。
2.2压电材料
将压电体集成于传统的结构中，利用压电传感元件感知结构的振动模态，并根据其输出，再通过相应的控制算法确定压电作动体的输入，以实现结构振动的主动控制，是目前压电类智能结构应用研究的前沿和热点。为此，许多研究人员先后利用锆钛酸铅PZT作为加速度传感器和驱动体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，还有的学者根据经典层板理论，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。不少学者已将压电材料和压电堆技术应用于土木工程结构的健康监测、安全评定和自适应修复以及抗震抗风等问题的研究，其中代表性的主要有Kamada等人的研究工作，他们已成功地把压电堆技术用于建筑结构的主动抗震控制，并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。
2.3压磁材料
压磁材料在土木工程中的应用主要包括磁流变材料和磁致伸缩材料。基于磁流变材料的原理，当磁场的强度高于临界强度时，磁流变在极短时间内从液态向固态转化。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。基于这点，磁流变材料可用于高层建筑的结构中，实现对地震的半主动控制。因为潜在应用前景的广阔，使得磁致伸缩材料近年来得到很大关注。磁致伸缩材料具有强烈的磁致伸缩效应，这种材料可以在电磁和机械之间进行可逆转换，这种特性使其可以用于大功率超声器件、声纳系统、精密定位控制等很多领域。
2.4形状记忆合金
形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的智能材料。形状记忆合金的形状被改变后，在一定条件下能激发其形状记忆效应，这一过程中，材料产生高于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。基于这一特性，形状记忆合金在土木工程中最大的用处是用于各种结构中来实现结构的自我诊断、增加材料的韧性和强度等、增强材料的适应控制。形状记忆合金还可以被研制成智能驱动器，用于对结构变形、裂缝和振动方面的控制。形状记忆合金具有较高相变回复力，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。目前的土木工程实践中，通常在结构层间或底部等受地震作用较大的位置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。
2.5 MR制成的耗能器
MR制成的耗能器的工作温度范围宽，而且受杂质的影响比较小，因而在土木工程结构中应用也比较适合。用MR制成的可调阻尼耗能器的结构形式主要有阀型、挤压型和剪切型，其中应用最广的是阀型。活塞内部线圈在电流作用下在缸体与活塞间的间隙内产生沿活塞半径的径向磁场。活塞在缸体内相对运动，挤压并迫使液体流过缸体与活塞间隙，液体受到磁场作用产生磁流变效应，流动阻尼力增加。通