智能材料与结构在土木工程领域应用研究

J IAN SHE YAN JIU技术应用
232智能材料与结构
在土木工程领域应用研究
Zhi neng cai liao yu jie gou
zai tu mu gong cheng ling yu ying yong yan jiu
吴雯
土木工程结构规模较大，智能材料与结构在土木工程
领域的应用可以增强工程结构与基础设施的安全性，有效
减少混凝土结构的维修成本。

基于此，本文主要对智能材
料与结构在土木工程领域中的应用作了简要的分析和论
述，希望给相关研究人员带来参考价值。

智能材料与结构这个概念最早提出在1989年，它是
一种对环境具有可感知、可响应等功能的新材料。

智能材
料与结构是一门新兴学科。

近年来，随着智能材料与结构
的发展，智能材料应用的范围也越来越广，国内外专家学
者对智能材料的相关研究也在不断深入，逐渐成为工程学
科发展的前沿。

一、智能材料与结构的基本概念
智能材料与结构，顾名思义，这种材料与结构具有智
能性。

目前，在工程领域所使用的智能材料与结构的智能
性主要体现在其具有感知和控制等功能上，这种复合材料
能像生物体一样感知到环境中各项因素的变化，并且其能
够将有关信息进行传输，工作人员可以根据相关信息来判
断结构状态。

原构件本身没有感知功能，它主要通过融入
材料使新的复合材料具有感知环境状况的功能。

融入材料
也应具备对环境参数的敏感性。

此外，智能材料与结构还
能在材料与结构中传输各种信息，其具有体积小，传输信
息量大的特点，目前比较常用的传递方法是通过光导纤维
来传递信息。

智能材料与结构的智能性主要体现在其与普
通功能材料的区别上，除了上面所述的能敏感、传输环境
参数外，它还具有分析、判断环境参数的性质与变化的功
能，经过“训练”的智能材料与结构能够实现上述功能。

近年来，随着计算机技术的发展，人们尝试通过在智能材
料与结构中植入小型电脑芯片，将材料的敏感信息通过神
经网络传输到计算机系统中，以实现更多智能特性。

智能
材料与结构中的超小芯片可以控制微型驱动系统，它具有
很强的自适应特性，当环境中的温度、湿度等发生变化时，
它能够自动适应，同时它具有自修复功能，如果构件发生
损伤，它可以自行修复，省去了很多麻烦。

目前市面上比
较常用的微型驱动系统有多种，智能材料与结构中通常使
用形状记忆合金。

智能材料与结构的埋置材料的材料性质
要与原构件的材料性质相似，首先要强度相容，埋置材料
对原材料的强度不应有太大影响，其次两种材料应界面相
容。

并且埋入材料体积要尽量小，不应影响原构件特性。

光导纤维作为目前复合材料中最常用的埋入材料的原因之
一就是因其体积小。

最后，埋入材料与原材料应场分布相
容，埋入材料与器件不能影响原材料的各种场分布特性，
如应力场、振动模态等。

二、智能材料与结构的研究、设计
随着材料科学的发展，越来越多的性能优良的智能材
料被应用到智能结构中，目前应用比较广泛的具有敏感功
能的材料包括形状记忆合金、压电陶瓷、光导纤维等，这
类材料能够区分环境中众多参数的变化。

此外，越来越多
的具有自适应功能的材料也被运用到智能材料与结构中，
如压电陶瓷、磁致伸缩材料、电/磁流变液等基础智能材料，
它们能够根据磁场和电流的变化来改变自身的特性来适应
环境的变化。

智能材料与结构不是智能材料的简单组合，
它需要把各种智能材料的优良性能 “注入”到智能结构中，
让其在智能结构中发挥自身优势，在实际生产中，智能材
料是严格按照精确的科学方法进行复合或组装的。

目前，
智能材料与结构的设计主要根据实际功能的需要采用合适
的复合材料，同时在制造中埋入智能材料或器件，以实现
各种结构功能。

三、智能材料与结构系统在土木工程中的应用
1.混凝土养护中温度及应力的自监测
土木工程施工中常常需要大量的混凝土，然而大体积
混凝土在养护时会释放热量，当热量达到一定值时，混凝
土内部就会出现温度应力和裂缝。

基于此，在混凝土养护
过程中可以运用智能材料与结构以防止混凝土产生温度裂
缝。

目前，比较常用的方法是在混凝土内部放置光纤温度
感知器，其可以对混凝土内部的温度进行监测，工作人员
技术应用。