土木工程材料論文

土木工程材料論文

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　　土木工程材料論文篇1

　　淺論土木工程中關于智能材料的應用

　　【摘要】隨著人們對土木工程質量和使用功能的要求不斷提高，包括光纖、壓磁、壓電、記憶合金等各種智能材料在土木工程領域得到了廣泛的應用。文章介紹了智能材料的概念、特點及其在土木工程中的應用情況，并展望了其在未來的應用趨勢。

　　【關鍵詞】智能材料;土木工程;特點;發展趨勢

　　引言

　　目前，隨著光釬、壓磁、壓電和形狀記憶合金等材料的發展，智能材料已經被廣泛應用于土木工程的各個領域。最基本的智能材料一般被稱為感知材料，其可以感知內外部刺激的材料。通過感知內外部條件變化，并做出適應環境調整的材料被稱作驅動材料。現在的智能材料，一般需要多種材料復合組裝來實現環境變化情況下材料結構的診斷、修復、調整。

　　一、智能材料類型及特點

　　智能材料概念在20世紀80年代初被系統地提出，并于80年代末得到前所未有發展空間。隨著光纖、壓磁、形狀記憶合金等智能材料的發展，使其在土木工程領域得到較為廣泛地應用。智能材料以其具有的不同功能特點通常可分為兩大類，一類為可感知外界或內部刺激強度作用的材料，稱為感知材料。另一類為可響應或驅動因外界環境條件或內部狀態發生變化的材料，也稱為智能驅動材料。智能材料結構具有控制、傳感與驅動三個要素，可利用自身感知處理信息，發出指令并執行動作，進而實現結構自我監控、診斷、檢測、修復、校正與適應等各種功能。一般情況下，單一功能材料難以具有上述多種功能，這需要組元復合或組裝多種材料而構成新的智能材料才能實現。

　　二、土木工程中智能材料的應用

　　1.形狀記憶合金的應用

　　形狀記憶合金是具有形狀記憶效應的一種智能合金材料，作為新型功能性材料，最主要的優點就是在激發材料的形狀記憶效應過程中，材料可以產生高于700兆帕的回復應力及8%左右的回復應變，同時具有較強的能量傳輸儲存能力。該特性的應用能夠將材料置于各種結構中，實現結構的自我診斷、增韌、增強與適應控制的應用研究，而且還可以將材料研制為智能型驅動器，在結構變形、損傷、裂縫及振動等方面開展應用研究工作。相變偽彈性與相變滯后性能是形狀記憶合金的另一個優點，在加卸載過程中其應力-應變曲線構成環狀，表明材料在此過程中能夠吸收耗散較多的能量。形狀記憶合金具有高達400兆帕的相變回復力，結合該特性能夠研制開展形狀記憶合金被動耗能控制系統，該系統可實現相變偽彈性性能，可在土木工程結構中用于耗能抗震的被動控制。通常在結構層間或底部安置形狀記憶合金被動耗能控制系統，用于實現耗能系統對結構的層間變形的感知，進而起到消耗地震能量的作用。有關研究結果顯示，耗能器安裝形狀記憶合金結構后，耗能器可吸收約為三分之二的地震能量，并顯著抑制結構的位移。

　　2.壓電材料的應用

　　壓電材料一般是指在收到壓力后，材料兩端會出現電壓的晶體材料。壓電材料在土木工程中的應用主要包括對于結構的靜變形控制、噪聲控制和抗震抗風等領域。傳統的壓電材料使用方法是通過壓電傳感元件對結構的震動進行感知，利用傳感器輸出結果，從而實現對于震動的感知和預警。在此基礎上，采取合適的控制算法對壓電體的輸入進行控制和定量，從而實現對于結構震動的控制，這是目前壓電類智能材料的研究前沿。隨著研究的深入和技術的進步，壓電類的智能結構土木工程中的應該越來越廣泛。

　　3.光導纖維的應用

　　光導纖維由外包層與內芯構成，是一種纖維狀光通信介質材料，該材料采用先進的信息傳輸技術起初用于通信傳輸系統，由于作為信息載體的光子在速度與容量上高于電子，因此得到較為迅速的發展。光子所具有的高并行處理能力與高信息率，潛力在信息容量與處理速度得到充分發揮。光纖材料在監測、傳感及信息遠距離傳輸等方面得到應用，將光纖作為傳感元件埋入傳統混凝土結構中針對結構方面各項指標實現自動監測、診斷、控制、預報及評價等功能，而且將形狀記憶合金等驅動元件埋入，有機結合信息處理系統與控制元件，使混凝土結構具有智能功能，進而實現混凝土結構自我診斷與修復。在土木工程結構診斷及主動控制地震響應中，光纖材料一直作為設計傳感器的一種比較理想的材料，我國目前也已將其用于檢測評定三峽大壩。

　　4.壓磁材料的應用

　　壓磁材料在土木工程中的應用主要包括磁流變材料和磁致伸縮材料。基于磁流變材料的原理，當磁場的強度高于臨界強度時，磁流變在極短時間內從液態向固態轉化。在介于固液體之間可根據磁流變液特點具有的快速、可控及可逆性質，控制流體特性實施時需要較低的能量，因此在智能結構中通常將磁流變液作為動器件的主要材料。基于這點，磁流變材料可用于高層建筑的結構中，實現對地震的半主動控制。因為潛在應用前景的廣闊，使得磁致伸縮材料近年來得到很大關注。磁致伸縮材料具有強烈的磁致伸縮效應，這種材料可以在電磁和機械之間進行可逆轉換，這種特性使其可以用于大功率超聲器件、聲納系統、精密定位控制等很多領域。

　　三、智能材料的發展趨勢

　　在土木工程領域，智能材料的發展趨勢集中體現在以下三方面。一是實時監控檢測結構狀態，在土木結構中集成傳感與驅動元件，利用其網絡實時監控結構狀態，以保證土木工程結構與基礎設施的安全，有效降低維修成本。二是形狀自適應材料與結構，該結構不僅可承載傳遞運動，還能檢測并改變結構特性，具有較為廣闊的應用前景。三是自適應控制減振抗震抗風降噪的結構，在土木工程設計中結構動力響應一直是比較重要的一個問題，尤其是針對橋梁與高層建筑等土木工程結構的抗震抗風問題，研發應用智能材料能夠為其提供重要的途徑，實現結構的自適應控制。盡管當前的智能材料還存在不同程度的不足之處，但隨著有關研究的不斷深入，智能材料的性能將得到明顯改善。在眾多領域中，智能材料都將發揮其潛力，體現出廣闊的應用前景，開展的研究包括力學、計算機控制、材料、微電子、人工智能等多個學科技術。

　　四、結語

　　綜上所述，隨著智能材料的廣泛應用，同時元件逐漸向小型化、多功能化及高功率化方向發展，在建筑結構中復合控制、傳感、驅動系統及耦合/連接元件，建筑結構將發展成為主動式智能建筑結構，對于有效利用太陽能、抵御地震、風振等嚴重自然災害影響具有重要作用， 為人們工作生活提供更為舒適安全的環境，對于提高土木工程結構建設質量具有十分重要的意義。

　　參考文獻：

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