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

王平

泰安市公路事业发展中心第一工程部，山东泰安 271000

摘要：在土木工程中，智能材料结构系统的出现与应用能够为其发展做出了很大贡献，它能够增减土木工程结构功能，提高结构使用效率，优化结构设计形式，更重要的一点还包括它能够更新传统土木工程中的结构设计、建造、使用、维护等重要作用。

关键词：智能材料结构；土木工程；应用

智能材料的应用对于土木工程的建设和发展有着重大的现实意义，而且它所具有的较高适应能力也让传统土木工程结构得到极大的变化，使其成为具有生物特征的仿生学建筑，同时通过自身功能的实现，自动进行判断和响应，进一步保证了工程的安全性和可靠性，为土木工程各标准和指标的提升做出很大贡献。

1智能材料结构系统基本原理

智能材料结构系统的概念尚无定论，但智能材料结构系统的定义都具备敏感、处理、执行三方面的功能。一般定义，智能材料结构系统是指能够通过环境变化的感应获取信息，对信息进行自我判断和自我分析，而后针对相关信息下达相应的指令并加以执行的一种现代化的组合材料。

智能材料具有以下几个特点：第一，传感的作用。传感的作用是指智能材料结构系统能够对于外部刺激获取相关信息，能对相关信息进行识别、比较、分类、判断和传播。第二，反馈的作用。反馈的作用是指输出的信息再次返回输入端，通过输入端对信息的处理，再反馈到系统上的过程。第三，诊断和修复。诊断和修复是指当信息出现异常时，智

能材料能够感知和判断异常处并能进行自我修复。

2智能土木结构工程现状

解决完整安全性、持久性和评估结构的力度的问题是智能土木结构的被渐渐重视和使用的原因。为了大大地降低维护和修理的费用和加强估计的能力，可以对建筑物进行土木结构的性能的监测和预测。目前的水平不能很好的对土木结构工程继续进行很好的检测并控制，也不能很有效地对土木结构工程被损坏情况进行预测和正确的评价。这些方法存在的不足是利用把预测点从外面往内部的方法。从另外一个角度来看，它将会不可避免地渗入各种各样的数据信息，并且发生混乱，这样带来的后果就是使得监测失去了它原有的意义，同

时也降低了效率，更严重的是会导致一个错误的结果。智能材料在土木结构工程里面安装新型传感器，并且构成一个规模庞大的网络，具备了同时检测结构的功能。它主要应用于大型水力发电工程、桥梁、现代高层建筑等土木工程，比如大水坝、船闸、和采油平台等大型的混凝土结构中已经尝试在结构中心安放新型传感器来构成智能型的土木结构工程。

3智能材料结构系统在土木工程中的实际应用

3.1光导纤维

光纤是信息传递的媒介，它具有其他物质所不能比拟的传导力。该材料通过内层圆柱形透明介质和外层圆环形透明介质形成，在混凝土中植入光纤维，形成光纤维混凝土，纤维结构会随着混凝土结构的外部因素的变化而发生不同程度的变化，传感器可直接获取变化，判断混凝土结构性能产生的不同变化，实现对结构的全面系统监测分析，可为工程设计提供持续的指导。采用分布监视模式，可有效地保证混凝土结构任何部位发生变化都可通过系统研究分析，通过光纤维在混凝土结构中的应用，可建立一个全方位覆盖、多角度、无死角的监视网络系统，具有较强的调节功能，是一种智能化材料。

3.2形状记忆合金

形状记忆合金在激发材料的形状记忆效应过程中，材料能够产生很高的回复应力和回复应变，并且其自身具有很强的能量储存以及能量传输能力，在土木工程的实际应用过程中，能够发挥出非常有效的作用力，对土木工程的施工质量以及效率提升，具有非常有效的影响和推动力。在形状记忆合金实际使用操作过程中，可以利用形状记忆合金自身独有的特性，将材料埋植在结构当中，这样能够促使结构自身各个方面的功能性都能够有所增强。另外，在这种形势下，能够实现结构自身的诊断和适应；其次，可以将材料制成智能型驱动器，对结构的裂缝、损伤、变形以及振动进行有效地控制，保证其自身在实际应用过程中，能够将影响和作用力充分发挥出来。形状记忆合金除了上述特点之外，还有非常重要的一个特性，就是相变伪弹性性能、以及相变滞后性能。在这种形势下，智能材料自身的应力、应变曲线在加载或者是卸载过程中，能够逐渐形成环状，这就说明，材料在整个过程中，能够吸收以及消耗大的能量，根据智能材料这一特性，可以研制出具有相变伪弹性性能的形状记忆合金，利用其自身的特殊性能，能够制作出被动耗能器或者是被动耗能控制系统。这样不仅能够有利于土木工程结构被动耗能抗震得到切实有效的控制，而且能够保证土木工程在实际实施过程中，智能材料结构系统的应用，能够发挥其自身最大的效应。

3.3功能凝胶

功能性明胶，又称愈合材料，是一种能随环境条件（如温度和压力）发生强烈变化的高分子材料，能及时向材料提供能量。如果安装在脆性管道中并嵌入结构中，当结构严重超载或因地震、强台风等原因造成应力过大而出现局部裂缝时，脆性管道将自行断开，液体“修复剂”会自动渗透到裂缝的各个部位并迅速固化，使裂缝牢固粘结，从而达到结构自愈和环境适应的目的243。目前可用的功能性凝胶有聚醋酸乙烯乳液、氯丁橡胶8酚醛树脂，聚乙烯醇缩醛等。功能凝胶主要用于各类重要结构的新建、改造、维护和加固，尤其是国家重大工程结构。

3.4压电材料

压电材料是指电介质材料受机械变形作用下发生极化而在材料两端表面间出现电位差或是在电场作用下又可以产生几何形变的一类材料。压电材料包括压电陶瓷和压电高分子。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压电陶瓷（ZPT）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复合板理论，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。目前，压电材料和压电堆技术广泛应用于土木工程结构的静变形控制能、噪声主动控制、健康监测、安全评定和自适应修复以及抗震抗风等多个领域。

3.5碳纤维混凝土材料

碳纤维混凝土是在普通混凝土中分散均匀地加入碳纤维而构成，它最主要的特性是压敏性和温敏性。因为碳纤维具有高强度，高弹性，和大的电阻率等优点，合理添加碳纤维混凝土可以有效地提高综合实力，增强韧性，碳纤维之间形成良好的导电网络系统，具有隔离导电作用，可以减少混凝土材料的电阻率、电导率和温度、压力的变化具有明显的规律性。由于温度的变化，碳纤维会引起电阻的变化，材料内部温度的变化会导致不同的热电效应。碳纤维混凝土的热效应和变形是由电磁场引起的。混凝土中碳纤维的含量和材料的结构会影响材料的温度敏感性。当含量超过一定比例时，材料将形成稳定的电动势。碳纤维掺杂可分为短切向随机分布和单向增强碳纤维束。不同的搅拌方式可以改变碳纤维混凝土的力学性能。

结语：智能材料的应用对于土木工程的建设和发展有着重大意义，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起了重大的推进作用。从原来的死板的建筑结构上升到一个具有生物特征的仿生学建筑，可以实施一些特定的功能，自行诊断并且做出响应，从而提高工程的可靠性和安全性，促进土木工程的可持续发展。

参考文献：

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