智能材料在现代土木工程监控中的研究进展 |
| 2012-08-28 12:56 作者：王学良 张坤 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网8月28日消息 《硅谷》杂志2012年第14期刊文称，应用智能材料对土木工程结构进行监测和控制，是未来研究的重点方向。对智能材料在结构监测领域的研究内容、研究现状和未来发展方向进行梳理，指出抓住现在世界范围内智能材料在工程结构领域处于起步阶段的机会是未来我国占据主动的关键。
智能材料是指将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有自诊断功能。在现代土木工程中，为保证结构的安全与正常使用，需对结构进行监测、检测和评估。但目前相关技术都还比较缺乏，必须寻找新技术来达到自动诊断和健康监测的目的，而智能材料恰恰可以满足需求，研制和利用高性能、复合化、精细化与智能化的工程材料已成为当今各学科研究最富吸引力和挑战性的方向。在土木工程领域，从20世纪90年代开始，美国和日本等国的学者开始将智能材料应用于结构抗风抗震并获得了成功，其重要意义在于智能材料的应用不仅意味着结构功能的增强，使用效率的提高和设计形式的优化，也是对传统土木工程的结构设计、建造、维护及使用控制等许多观念的更新。
1智能材料在结构健康的实时检测与监控中的研究
将机敏材料融合到结构胶凝材料中，可使结构或构件具有自诊断、自增强、自我调节和自愈合的功能。目前主要有三类，即光纤埋置式、压电式和导电式自诊断复合材料。
1）光纤埋置式自诊断机敏复合材料
光导纤维尺寸小、重量轻、灵敏度高，将其埋入结构构件中测量各种参量的变化是较为理想的方法。Measure等将布拉格光纤传感器埋入加拿大Beddingtong铁路大桥的26根大梁中，用于监测由于应力松弛和蠕变等造成的失效。由于光纤较粗、表面积较小，与基体材料之间不能形成良好界面，所以直接埋置于基体材料中将会影响材料的力学性能，给材料与结构的耐久性带来问题；同时光纤在基体材料中的埋入量和埋入位置都对材料在自诊断效果产生影响。
2）压电式自诊断机敏复合材料
1993年美国学者发现了短切碳纤维水泥基复合材料对材料内部裂纹、外荷载作用下的弹性变形和塑性变形、抗压静载荷和动载荷等方面具有自诊断功能。随后，他们研究了材料养护及碳纤维表面处理对压敏的稳定性和重复性的影响和其自诊断机理。碳纤维水泥基复合材料具有感知功能，既是功能材料又为结构材料，各国学者开展了大量研究。日本学者发现了连续碳纤维和玻璃纤维增强塑料的应力自诊断特性和记忆功能，可用于保密结构破坏时的预警。碳纤维水泥基材料在外荷载作用下，内部发生损伤，将相应产生导电性能的改变。材料的损伤程度与导电性能改变间的关系，不同破坏机理引起的材料导电性的改变，都将是研究自诊断水泥基复合材料的重点与难点。
3）导电式自诊断机敏复合材料
这类复合材料的增强相主要是导电纤维，或者是导电纤维和其它纤维混杂使用；基体材料主要是聚合物和水泥、玻璃、陶瓷等无机材料。外界对材料的作用通过材料导电性能的变化来反映。当材料即将失效时，其电阻或电导发生突变，从而达到预警目的。用碳纤维、导电碳化硅纤维和导电聚合物作为复合材料的导电性能引入相，与基体材料的相容性较好，制得的复合材料具有优良的力学性能。因此，此类自诊断机敏复合材料日渐成为研究的重点。但这类材料自诊断机敏性的研究还是初步的，停留在实验现象解释阶段，研究重点在于弄清材料的机敏性能与外界作用因素、材料本身结构变化之间的关系，以提高其稳定性和准确性。
2超声导波在钢筋损伤检测中的研究
对于现代工程结构，钢筋损伤（如锈蚀）的测定是非常重要的。现有的探地雷达法、X射线法、超声法等检测技术，其共同缺点是都需要对试验结构进行逐点扫描，效率很低。超声导波技术在这方面具有潜在优势。由于导波本身沿传播路径衰减较小，可沿圆柱体传播很远距离。只需在钢筋的一端激发某一模态的超声导波，则传播路径中存在的缺陷与导波相互作用，引起导波的反射、透射、衰减等。检测导波声特性的变化，利用现代信号处理技术（如频谱分析、神经网络等）反演缺陷的有无和位置，为结构的安全评定提供依据。这种方法可进行大范围在线检测，大大提高检测效率，具有很好的应用前景。利用导波探测平板缺陷的研究已多见报导，并开展了实际工程应用。美国的R.B.Thompson等利用电磁声探头在管道内激发导波，进而对输气管道进行缺陷检测；J.L.Rose等针对蒸汽发电机管道的缺陷探测做了大量的研究。英国的D.N.Alleyne等采用环式PZT多探头方式激励和接收导波信号对化工厂管道大范围缺陷检测进行了系统的研究。有这些研究工作仍都处在实验室研究阶段。
3智能材料在结构智能控制领域的研究
现代意义的智能结构除必须具有感知、自诊断功能外，也需要有外界作用时的自我调节和控制功能。按照控制系统输入能量的来源，控制系统可以分为被动控制，主动控制，混合控制和半主动控制四类。
半主动控制技术所需外界能量输入较小，其利用受控结构的振动能量来产生控制力，控制效果高于被动控制，接近于主动控制。因此，半主动控制理论和技术引起了国内外学者的广泛关注和极大的兴趣。目前已研制出主动变刚度（AVS）控制装置、主动变阻尼控制装置和主动变刚度/阻尼（AVS/D）控制装置。
半主动控制系统属于时变非线性振动系统。如何确定控制律，并利用半主动控制装置的性能充分发挥其减震作用是一个具有挑战意味的课题。当前的研究方向集中于半主动控制律和控制算法。日本学者提出了直接根据受控结构速度反应和位移反应进行开关控制的算法和自回归控制算法。美国学者根据变结构控制理论，以滑动模态控制（SMC）来设计结构的控制律，还提出了基于模态能量转换理论的半主动控制算法。但是，基于时域分析或频域分析的控制算法均不能直接考虑地震动等外部作用每一时刻的瞬时频谱特性。除ER阻尼器、MR阻尼器外，AVS装置、AVS/D装置、VOD、VFD、SAID、多态混合控制装置等半主动控制装置均可能存在控制时滞问题，而时滞对半主动控制的减振控制效果的负面影响是非常显著的。
ER阻尼器和MR阻尼器利用了电流变材料或磁流变材料通过电流或磁场时，能够在几毫秒内从自由流动态转换成线性粘滞态、强度可控半固体态的特性。MR阻尼器耗电功率小、反应迅速，可以大大降低甚至消除控制时滞对控制效果的影响。MR阻尼器在半固态时有较高的屈服应力，因而能够提供较大的阻尼。美国学者通过对一个足尺的20吨MR阻尼器的试验研究，证明MR阻尼器的控制效果十分明显，可以应用于土木工程结构。MR阻尼器具有造价低，节省输入能量，不会导致溢出，控制效果好等优点，相对于完全被动控制和完全主动控制具有明显的优势，其土木工程应用前景已越来越为国内外专家所看好。
4形状自适应材料与结构
形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy，缩写为SMA）材料是一种具有形状记忆功能的智能复合材料。其特性主要表现为在低温下产生的塑性变形会在高温下会完全消失而恢复原始状态，并且当形状恢复受限时，会产生巨大的恢复力。SMA材料具有超弹性性能，可以承受较大的弹性变形，且具有较大的能量耗散能力；SMA材料具有极强的驱动能力和感应能力，且具有巨大的承受拉伸、压缩和剪切的能力；SMA材料很容易与其它材料的构件复合，形成SMA智能复合材料构件。国际上，关于SMA材料的研究较为深入，其相关产品已广泛应用于到航空航天、精密仪器等领域，并且取得了很好的效果。从上世纪90年代开始，美国学者开始对SMA材料在土木工程结构上形成智能抗震体系的可能性进行了探索，并取得了一些初步结果，包括一些SMA隔震器、SMA阻尼器等。目前，对SMA材料的力学性能还的认识还不充分，其研究和应用还停留在较低水平上，SMA材料的潜力还未能发挥，这方面还有待于进一步深入研究与探索。在我国，关于SMA材料的研究仍处于起步阶段，在航空航天领域已经取得了一些初步结果；在工程领域有一些学者开始了SMA材料在土木工程结构上的应用的探索，但还仅限于刚刚开始探索SMA材料的力学性能。
5结语
智能材料实际上是一种仿真生命系统，一方面能够感知外界环境或内部状态所发生的变化，另一方面能提供针对材料自身的或外界的某种反馈机制，适时地将材料的一种或多种性质加以改变，做出所期望的某种响应。因此通过智能材料来测量、检查、评估、控制建筑物的健康状态是未来的发展向。
当今新型智能材料、智能控制技术的发展为其应用于土木工程领域提供了可能。当前，智能材料在该领域的应用还处于起步阶段，我国与世界相差较小，在某些方面还处于领先水平。抓住现在世界范围内智能材料在建筑结构领域的应用尚处于理论研究阶段的机会及时开展相应的研究，将为我国在二十一世纪建筑结构科研掌握了该学科的主导方向和潜在市场，提供重大机遇。
作者简介：
王学良（1981-），河北滦县人，助理工程师，主要从事建筑工程设计与施工管理。（原文载于《硅谷》杂志2012年第14期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载）
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