智能材料与结构在土木工程领域的应用
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国际上 于 １９８８年在美 国召开 了第一届 “光纤机敏 结构与表层 ”会议（Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｓｍａｒｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｋｉｎｓ）。 美 、日、德 、法等国科技工作者在会议上发表 了不少有 关智能材料 以及工程应用 的论文 和报告 。此后 ，每年 国 际上都有 大量文章和专利 发表 。智 能材料应用 范围越 来越广 ，智能材料与结构是高技术新材料领域中正在 形成 的一 门新的分支学科 ，是 ２１世 纪的先进 材料 。智 能材料 与结 构是 当前工 程学科发展 的 国际前 沿 ，材料 的“智能化”是一项具有挑 战性 的课题 。 １ 智能材料、器件与结构的基本概念
智能材料 与结构是指 能模仿生 物体 ，同 时具 有感 知和控制等 功能的材料或结 构 ，它 既能感 知环境状 况 又能传输分析有关信息 ，同时作出类似有生命物体的 智能反应 ，如 自诊 断 、自适应 或 自修 复等 。这种材料 与
一一 结构一般具有 四种主要功能：①对环境参数的敏感；②
种物理参数及其分布状况，是一种较理想的基础智能 材料 。 １．２ 传输特性
智能材 料 与结 构不 仅需要 敏感 环境 的各种 参数 ， 而且需要在材料 与结构 中传递各 种信息 ，信息量特 大。目前 用于智 能材料 中信息传递的方法很多 ，最 常用 的是用光导纤维来传递信息。 ｌ－３ 智能特性
合到预应力 钢绞线 内 ，从而实 现钢 绞线整体 或分 布变 形 的实 时监测 ，为 预应 力锚 固结 构的运行 提供参 考依 据。经过反复室内试验证明，传感器伸长与光纤内传输 光 的损耗基本成线性关系 ，而且具有较好 的重复性 ． ３．５ 混凝上结构温度 的监测
对重力坝进行温度诊断，可在坝体 内设置一套温度 感应神经网络为光纤温度传感器，形成分布在重力坝 内的温度感应神经元 。将所有的温度信号输送到信号 接收器 中 ，然后 通过专家 系统将信息进 行处理 、储存 并 显示 。光纤 中的光信号不受 电磁场 的干扰 ；光纤温度传 感器体积极小 ，可在坝体内多线 、多点设置 ，对坝体强 度 影响较小。因此，该温度感应神经网络可用于重力坝 的温度 自诊断，而温度变化引起的坝体张应力变化是影 响重力 坝安全 和使用 寿命 的最主要 因素 。 ３．６ 混凝 上结 构安全性 和稳定性 的监 测
相容性 的内容很多 ，原则 上是 以埋置 的材 料性质 与原 构件 的材料基质 的性 质越相近越好 。下述几种相 容性是最需要考虑 的：
（１） 强度相容 埋置材料不能影响原材料 的强度或者说影响很小。 例如 ：在混凝土中埋人少量碳纤维，它不仅不会影响原 混凝土 的强度 ，还有增强作用 。
智能材料与结构在土木工程领域 的应用
沈 阳建筑大学材料科学与工程学院 高 飞 唐 宁 李 晓
智能材料 与结构是 近年来在世 界上兴起并 迅速发 展 的材料技术 的一个新领 域。
智能材料 与结构概念 是美 国和 日本科学 家首先提 出的，１９８９年 日本高木俊宜教授将信息科学融于材料 的特性和功能 ，提出智能材料（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｔｅｒ ｉａｌｓ）概念 ， 它是指对环境具有 可感知 、可响应 等功能的新 材料。美 国的 Ｒ．Ｅ．Ｎｅｗｎｈａｉｎ教授提 出 了灵巧 （Ｓｍａｒｔ）材料 的概 念 ，这种材料具有传感和执行功能，他将灵巧材料分为 被动灵巧材料 、主动灵 巧材 料和很灵 巧材 料三类 。
混凝 土坝和堆石坝有非常高的安全性 要求 ，尽管土 木工程 师按设计规则 、方法 和施 工要 求进行工程建设 ， 但仍会产生一些隐患。为实现连续监测 ，工程中需安装 有效 的监测 和控 制设备 。光纤位移极 限信号装 置可用 于检测大坝缝 隙变化及 结构的状态 确定 （施工 期和运 行 期 ），并且对 危险状态 和可能 的破坏 进行快 速预报 。 如果位移 量超 过 了端部 轮廓 ，会 造成光纤产生裂 纹 ，系 统会做 出报警 。 ３．７ 碳纤 维增强 混凝土（ＣｒＲＣ）自诊 断智能结构［３１
对敏感信息的传输；③对敏感信息的分析 、判断；④智能 反应 。 １．１ 敏感特性
融人 材料使新 的复合材 料能感知环境 的各种参数 及其 变化 。可供 融人 的材料很 多 ，但必 须具备 对环境 不 同参数的敏感特性 。例如常用的光导纤维传感器 ，就具 备对多种参数 的敏感 特性 。因为它不仅 与各种复合材 料有较好的相容性 ，而且光纤传感技术的发展使得光 导纤维本身就可以制成能检测力 、热、声、光 、电等物理 参数的几百种传感器；它体积小 ，种类多，而且能测量多
这个 特性主要是 由智 能材料 中的各 种微型驱动 系 统来 实现 。该系统是 由超小型芯 片控制 并可作 出各种
。 动作 ，使智能材料 自动适应环境中应力、振动、温度等
变化或 自行修复各种构件的损伤。目前常用的微型驱 动系统有形状记忆合金 、磁致伸缩材料 、电流变体等。 １．５ 相容性
智 能特性是智 能材料与结构 的核心 ，也是智能材 料与普通功 能材料 的主要 区别 ，智 能材料与结构 除了 能敏感 、传输环境参数外 ，还应能分析 、判断其参数的 性质与变化，具有 自学习、自适应等功能。经过学习和 “训练 ”的智 能材 料与结构能模仿生 物体 的各种智能 。 由于计算机技术的高度发展 ，智能材料与结构的智能 特性 已经或正在逐 步实现 ，问题 的关键 是如何将材料 敏感的各种信息通过 神经 网络传输 到计 算机系统 。现 在一般有二种方法 ，一种 是在大型智能结 构系统 中 ，将 智 能材料敏感到 的各种参 数传感 到结构 体系的普通计 算机 内。另一种是在智能材料 中埋入超小型 电脑 芯片。 １．４ 自适应特性
智能材料 与结构是指 能模仿生 物体 ，同 时具 有感 知和控制等 功能的材料或结 构 ，它 既能感 知环境状 况 又能传输分析有关信息 ，同时作出类似有生命物体的 智能反应 ，如 自诊 断 、自适应 或 自修 复等 。这种材料 与
一一 结构一般具有 四种主要功能：①对环境参数的敏感；②
种物理参数及其分布状况，是一种较理想的基础智能 材料 。 １．２ 传输特性
智能材 料 与结 构不 仅需要 敏感 环境 的各种 参数 ， 而且需要在材料 与结构 中传递各 种信息 ，信息量特 大。目前 用于智 能材料 中信息传递的方法很多 ，最 常用 的是用光导纤维来传递信息。 ｌ－３ 智能特性
合到预应力 钢绞线 内 ，从而实 现钢 绞线整体 或分 布变 形 的实 时监测 ，为 预应 力锚 固结 构的运行 提供参 考依 据。经过反复室内试验证明，传感器伸长与光纤内传输 光 的损耗基本成线性关系 ，而且具有较好 的重复性 ． ３．５ 混凝上结构温度 的监测
对重力坝进行温度诊断，可在坝体 内设置一套温度 感应神经网络为光纤温度传感器，形成分布在重力坝 内的温度感应神经元 。将所有的温度信号输送到信号 接收器 中 ，然后 通过专家 系统将信息进 行处理 、储存 并 显示 。光纤 中的光信号不受 电磁场 的干扰 ；光纤温度传 感器体积极小 ，可在坝体内多线 、多点设置 ，对坝体强 度 影响较小。因此，该温度感应神经网络可用于重力坝 的温度 自诊断，而温度变化引起的坝体张应力变化是影 响重力 坝安全 和使用 寿命 的最主要 因素 。 ３．６ 混凝 上结 构安全性 和稳定性 的监 测
相容性 的内容很多 ，原则 上是 以埋置 的材 料性质 与原 构件 的材料基质 的性 质越相近越好 。下述几种相 容性是最需要考虑 的：
（１） 强度相容 埋置材料不能影响原材料 的强度或者说影响很小。 例如 ：在混凝土中埋人少量碳纤维，它不仅不会影响原 混凝土 的强度 ，还有增强作用 。
智能材料与结构在土木工程领域 的应用
沈 阳建筑大学材料科学与工程学院 高 飞 唐 宁 李 晓
智能材料 与结构是 近年来在世 界上兴起并 迅速发 展 的材料技术 的一个新领 域。
智能材料 与结构概念 是美 国和 日本科学 家首先提 出的，１９８９年 日本高木俊宜教授将信息科学融于材料 的特性和功能 ，提出智能材料（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｔｅｒ ｉａｌｓ）概念 ， 它是指对环境具有 可感知 、可响应 等功能的新 材料。美 国的 Ｒ．Ｅ．Ｎｅｗｎｈａｉｎ教授提 出 了灵巧 （Ｓｍａｒｔ）材料 的概 念 ，这种材料具有传感和执行功能，他将灵巧材料分为 被动灵巧材料 、主动灵 巧材 料和很灵 巧材 料三类 。
混凝 土坝和堆石坝有非常高的安全性 要求 ，尽管土 木工程 师按设计规则 、方法 和施 工要 求进行工程建设 ， 但仍会产生一些隐患。为实现连续监测 ，工程中需安装 有效 的监测 和控 制设备 。光纤位移极 限信号装 置可用 于检测大坝缝 隙变化及 结构的状态 确定 （施工 期和运 行 期 ），并且对 危险状态 和可能 的破坏 进行快 速预报 。 如果位移 量超 过 了端部 轮廓 ，会 造成光纤产生裂 纹 ，系 统会做 出报警 。 ３．７ 碳纤 维增强 混凝土（ＣｒＲＣ）自诊 断智能结构［３１
对敏感信息的传输；③对敏感信息的分析 、判断；④智能 反应 。 １．１ 敏感特性
融人 材料使新 的复合材 料能感知环境 的各种参数 及其 变化 。可供 融人 的材料很 多 ，但必 须具备 对环境 不 同参数的敏感特性 。例如常用的光导纤维传感器 ，就具 备对多种参数 的敏感 特性 。因为它不仅 与各种复合材 料有较好的相容性 ，而且光纤传感技术的发展使得光 导纤维本身就可以制成能检测力 、热、声、光 、电等物理 参数的几百种传感器；它体积小 ，种类多，而且能测量多
这个 特性主要是 由智 能材料 中的各 种微型驱动 系 统来 实现 。该系统是 由超小型芯 片控制 并可作 出各种
。 动作 ，使智能材料 自动适应环境中应力、振动、温度等
变化或 自行修复各种构件的损伤。目前常用的微型驱 动系统有形状记忆合金 、磁致伸缩材料 、电流变体等。 １．５ 相容性
智 能特性是智 能材料与结构 的核心 ，也是智能材 料与普通功 能材料 的主要 区别 ，智 能材料与结构 除了 能敏感 、传输环境参数外 ，还应能分析 、判断其参数的 性质与变化，具有 自学习、自适应等功能。经过学习和 “训练 ”的智 能材 料与结构能模仿生 物体 的各种智能 。 由于计算机技术的高度发展 ，智能材料与结构的智能 特性 已经或正在逐 步实现 ，问题 的关键 是如何将材料 敏感的各种信息通过 神经 网络传输 到计 算机系统 。现 在一般有二种方法 ，一种 是在大型智能结 构系统 中 ，将 智 能材料敏感到 的各种参 数传感 到结构 体系的普通计 算机 内。另一种是在智能材料 中埋入超小型 电脑 芯片。 １．４ 自适应特性