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(fā)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(fā)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(huán)境調整的材料被稱作驅動材料?，F(xiàn)在的智能材料，一般需要多種材料復合組裝來實現(xiàn)環(huán)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(tǒng)地提出，并于80年代末得到前所未有發(fā)展空間。隨著光纖、壓磁、形狀記憶合金等智能材料的發(fā)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(huán)境條件或內部狀態(tài)發(fā)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(fā)出指令并執(zhí)行動作，進而實現(xiàn)結構自我監(jiān)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(xiàn)。

　　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(yōu)點就是在激發(fā)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(xiàn)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(yōu)點，在加卸載過程中其應力-應變曲線構成環(huán)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(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)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(tǒng)，用于實現(xiàn)耗能系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)，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(fā)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(fā)揮。光纖材料在監(jiān)測、傳感及信息遠距離傳輸?shù)确矫娴玫綉茫瑢⒐饫w作為傳感元件埋入傳統(tǒng)混凝土結構中針對結構方面各項指標實現(xiàn)自動監(jiān)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(tǒng)與控制元件，使混凝土結構具有智能功能，進而實現(xiàn)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?；诖帕髯儾牧系脑?，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(tài)向固態(tài)轉化。在介于固液體之間可根據(jù)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?；谶@點，磁流變材料可用于高層建筑的結構中，實現(xiàn)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(tǒng)、精密定位控制等很多領域。

　　三、智能材料的發(fā)展趨勢

　　在土木工程領域，智能材料的發(fā)展趨勢集中體現(xiàn)在以下三方面。一是實時監(jiān)控檢測結構狀態(tài)，在土木結構中集成傳感與驅動元件，利用其網絡實時監(jiān)控結構狀態(tài)，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(fā)應用智能材料能夠為其提供重要的途徑，實現(xiàn)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(fā)揮其潛力，體現(xiàn)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(fā)展，在建筑結構中復合控制、傳感、驅動系統(tǒng)及耦合/連接元件，建筑結構將發(fā)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(huán)境，對于提高土木工程結構建設質量具有十分重要的意義。

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