论文导读：近年来，如何提高土木工程结构的安全性、耐久性问题逐渐受到人们的重视。目前，在土木工程领域中应用较为广泛的智能材料有形状记忆合金、压电材料、光栅光纤及磁流变体等。SMA用于结构的振动控制，可以有效地减小结构在地震荷载作用下的位移响应，因此结构振动控制是SMA在土木工程领域中的主要研究方向。
关键词：形状记忆合金，土木工程，振动控制，健康监测
0 引言
近年来，如何提高土木工程结构的安全性、耐久性问题逐渐受到人们的重视。经过各国学者的共同努力，相继提出了一些较为前沿的方法用于提高结构的安全性及耐久性。其中，由智能材料组成的智能材料结构系统在土木工程领域的应用研究不仅具有吸引力，而且具有潜在的革命性。目前，在土木工程领域中应用较为广泛的智能材料有形状记忆合金、压电材料、光栅光纤及磁流变体等。
在众多的智能材料中，形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)是一类对形状有记忆功能的材料，这种材料本身具有自感知、自诊断和自适应的功能。1932年，美国学者Olander在研究Au-Cd合金时发现了形状记忆效应(Shape Memory Effect，简称SME)。论文格式。此后对SMA的研究和应用才真正开始。SMA作为智能材料之一，最早广泛应用于航空航天、机器人、医疗等精密尖端领域。近年来，随着材料加工技术和工业化生产能力的提高，SMA在土木工程中的研究与应用也有了较快的发展。SMA由于具有可恢复变形大、在受限回复时能产生很大的驱动力、电阻对应变敏感、高阻尼性能、抗疲劳性能好，并且可以实现多种变形形式，易于同混凝土、钢等材料相结合等特点而日益受到重视，国内外众多学者对SMA在土木工程中的应用进行了理论和实验研究。
1 SMA的重要特性
1.1 形状记忆效应(SME)
形状记忆效应是指某些具有热弹性或应力诱发马氏体相变的材料处于马氏体状态，并进行一定限度的变形后，经加热并超过马氏体相消失温度时，材料能完全恢复到变形前的形状和体积的功能，如图1所示。根据材料记忆功能的不同，可分为单程、双程和全方位SME。单程SME是指材料只能一次动作，即加热后回复到高温时的形状，并保持该形状；双程SME是指材料反复加热和冷却，能够反复回复到高、低温时的形状；全方位SME是指材料在具有双程记忆特性的同时，如果冷却到更低温度，可以出现与高温时完全相反的形状。
1.2 超弹性(PE)
超弹性是指当SMA温度超过奥氏体相变完成温度Af,加载应力超过弹性极限，即产生非弹性应变后，继续加载将产生应力诱发的马氏体相变，但这种马氏体随着应力的消失而消失，即使不加热也会产生马氏体逆相变而恢复到原来的母相(奥氏体相)状态，应力作用下产生的宏观变形也将随着逆相变的进行而完全消失，如图2所示。
 
图1 形状记忆效应图2 超弹性
2 形状记忆合金在土木工程领域中的应用
2.1用于结构振动控制
SMA用于结构的振动控制，可以有效地减小结构在地震荷载作用下的位移响应，因此结构振动控制是SMA在土木工程领域中的主要研究方向。目前，SMA用于结构主动控制时，主要研究SMA作动器的设计和如何提高作动器的使用频率；而对于被动控制则主要研究用SMA材料设计阻尼元件和振动隔离器。只有设计出理想的作动元件和智能阻尼元件，才能更有效地控制结构振动。如何利用SMA的特点控制结构振动，特别是控制建筑结构在地震作用下的振动，以及对SMA的材料性能进行改进，开发新型的大应变、大驱动力、高响应频率、性能稳定的SMA材料，目前在国外都是十分活跃的研究课题。
2.3用于结构裂纹及损伤监测及控制
裂纹及损伤的主动探测和控制是当前工程结构中十分突出和迫切需要解决的问题。在一些大型结构的一些关键受力部件对裂纹和损伤十分敏感，一旦出现就会造成重大事故，而用传统技术和方法不能及时发现构件中的裂纹和应力集中较大的部位。可以利用SMA对应变敏感、电阻率大及加热后可以产生大回复力的特点，再配上微处理器，使之集传感驱动于一体，便构成自动探测裂纹或损伤和主动控制裂纹扩展的完整控制系统。
将SMA制成丝或薄膜粘在构件易产生裂纹或应力集中较大的地方，当构件产生裂纹或损伤以后，位于裂纹处的SMA将随裂纹表面张开位移增加而产生局部变形，从而使其材料电阻值发生变化，随着裂纹不断扩展及外加载荷不断增加，其张开位移也不断增大，位于构件裂纹处SMA的变形也不断变大，相应电阻值也不断提高，其电阻值的变化量和变化规律，由微处理器可判断监测出裂纹的大小和位置。
当构件的裂纹或损伤到达需要控制的范围时，SMA的变化信号经微机控制系统分析判断后，自动地发出控制信号，将SMA通电加热，当加热温度超过SMA相转变点时，它的内部就产生回复效应，SMA发生动作，试图收缩。由于裂纹表面在外载作用下张开阻止其回复，于是SMA产生很大回复力。此回复力大小随裂尖张开位移的增大而增大。论文格式。此回复力改变了裂尖的受力状况，驱动裂纹闭合，使裂纹张开位移减小，实现裂纹的主动控制。在实际应用中，为简化结构，也可利用SMA自身特性及伪弹性性质来实现裂纹的被动控制。
3 当前存在的问题
虽然形状记忆合金具有许多独特的性能，在结构减震控制的初步研究与应用中已显示出了它的优越性能及其应用前景，但是，总的来说对与结构减震相关的形状记忆合金特性的研究还不够深入，发展形状记忆合金驱动器中还存在一些问题。
(1) SMA作为驱动器，激励合金时需要消耗能量，且对SMA加热或冷却以产生驱动力时都需要一定的时间，这使其在控制频率上受到一定的限制。若直接以通电方式激励，利用材料本身的电阻加热，由于合金的电阻不大，激励它需要大电流、粗导线，在某些智能材料结构中不适用。对应用于减震的SMA，其减震合金的衰减率小，而且衰减率过分依赖于温度和振幅，加之加工性能欠佳，价格偏高等都限制了SMA在减震中的应用。因此对SMA性能进行进一步的研究，提高SMA驱动器的响应速度，特别是对与结构减震相关的性能进行深入研究具有现实的意义。
(2) SMA这一功能材料的发现，改变了长期以来形成的金属是热胀冷缩弹性变形是线性的等传统观念，虎克定律在这一材料中已不适用。因此，要想利用其制成主、被动控制器，对SMA的宏观力学性能进行深一层的研究，建立适于工程应用的简化本构模型是必须解决的问题。
(3) 利用SMA的超弹性效应和高阻尼特性制成阻尼器，来减少结构的地震反应是切实可行的，而且试验也已验证了SMA阻尼的减震、抗震效果，因此应进一步研制和开发新型的形状记忆合金主被动控制器，并且使SMA控制器的制作标准化。
另外，对装有SMA控制器结构的减震控制效果的研究，SMA控制器在结构工程中应用的可行性研究及实际工程设计方法的研究，SMA控制器的可靠性、耐久性研究都还有待进一步加强。
4 结语
本文简要介绍了SMA的主要特性，以及其土木工程领域中的应用方向。论文格式。虽然形状记忆合金的理论还有待进一步的完善，它在土木工程中的应用仍处于尝试阶段，但是随着人们对SMA性能研究工作的深人开展，其在土木工程领域中的应用前景是十分广阔的。
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