SMA智能混凝土

SMA在土木工程中的研究与应用
• SMA 的被动控制器(阻尼器,隔 震装置等) • 利用SMA进行耗能减振 众多 学者对SMA 阻尼器的减振效 果进行了试验研究和数值模 拟,结果表明,无论是将SMA 丝 埋入结构内部[12 ] 还是作为 外部装置[ 13～18 ] , SMA 丝 均可以显著增加结构系统的 阻尼,减小结构的动力反应。 李惠和毛晨曦探讨了基于形 状记忆合金超弹性特性的被 动耗能减震体系的设计方法, 分析了SMA耗能装置的设计参 数对结构地震反应的影响,给 出了参数的合理取值范围。
混凝土结构内置SMA的应用研究情况
• 何思龙等对一根埋入预应变 • 为1．8％的SMA的钢筋混凝土梁进 行加热， 考察梁在定值静荷载和 定值冲击荷载下的反应。结果表 明，SMA可以对结构施加较大的 预应力， 提高结构强度和刚度， 降低结构静、动力反应。 A．R．Maji等将SMA绞线预埋在 砂浆小梁中， 结果证明SMA绞线 对梁有较大的驱动作用。 陶宝琪等试验将预拉的SMA 丝预埋在混凝土中易开裂的区域， 同时在该区域内放置光纤。当混 凝土在工作中出现超过允许范围 的裂纹时， 微处理系统将根据光 纤拾取的信号发出指令， 为裂纹 处的SMA丝通电加热， 使其收缩 变形， 使裂纹闭合或限制裂纹的 进一步扩展。 邓宗才等着重研究了SMA 使轴心构件产生预应力和变形的 性能及影响驱动效果的主要因素。 将SMA材料对称埋置于混凝土轴 心受力构件中， 针对SMA智能混 凝土试验， 设计开发出相应的智 能结构控制系统， 并对SMA智能 混凝土构件进行控制试验， 利用 简单的PID控制算法， 成功地实 现了智能结构控制目的。研究表 明： SMA在加热逆相变过程中可 以实现对混凝土轴心构件施加预 应力， 可以控制混凝土构件的变 形； 初始预应变值及通电激励模 式对变形性能或预应力效果有影 响。另外将产生预应变的TiNi SM A丝预埋入混凝土梁中， 研究了 预应变对埋入的SMA丝激励模式 的影响。
形状记忆合金的特性
• 形状记忆效应(SME) • （1）形状记忆效应是指某些具有 热弹性或应力诱发马氏体相变的 材料处于马氏体状态,并进行一定 限度的变形后,经加热并超过马氏 体相消失温度时,材料能完全恢复 到变形前的形状和体积的功能,如 图1 所示。 • （2）超弹性(PE)超弹性是指当S MA 温度超过奥氏体相变完成温 度A f ,加载应力超过弹性极限,即 产生非弹性应变后,继续加载将产 生应力诱发的马氏体相变,但这种 马氏体随着应力的消失而消失,即 使不加热也会产生马氏体逆相变 而恢复到原来的母相(奥氏体相) 状态,应力作用下产生的宏观变形 也将随着逆相变的进行而完全消 失,如图2 所示。
SMA 的特点
• SMA 的延展性非常好,可恢复变形可达8 %～10 %。SMA 的应力与应变之间形成滞回曲 线使它具有很强的能量储存和能量传输能力。 SMA 的超弹性是由相变引起的,因此,它具有良 好的抗疲劳性能。在受限回复时产生的回复力 也很大,可以达到600～800 Mpa 。此外,它的 耐腐蚀性可以与不锈钢相媲美。由于它在奥氏 体相的弹性模量是马氏体相弹性模量的3 倍以 上,因此即使在较高的温度下,SMA 仍能保持较 大的刚度,这也是它与其他普通金属材料• 通过分析不同科研人员的研究成果可知， 利用 SMA对混凝土构件进行改造， 其性能较传统混 凝土构件有了较大提高。首先， 无论何种安置 方式（内置、外置）， 都提高了混凝土构件的 受力性能，如提高轴向抗压能力， 减少塑性变 形， 预防微裂缝的产生与发展。通过对SMA的 控制， 还可实现修复已产生的裂缝。作为一种 智能材料，形状记忆合金经过合理设计可以实 现对结构的检测、修复一体化， 从而提高结构 的可靠度及耐久性能。
参考文献
• 《智能型混凝土修补材料体系研究进展》 作者： 李兴旺，张玉奇，廖亮，张瑞军 • 《只能混凝土的研究及其发展》 作者：姚忠伟 • 《智能混凝土发展现状和展望》 作者：董利 • 《智能混凝土的开发与利用》 作者：孙中秋， 张玉波 • 《形状记忆合金（SMA）智能混凝土的研究与 应用综述》 作者：王伟,崔迪,王桂萱
• 《形状记忆合金在土木工程中的研究与应用进 展》作者：崔迪，李宏男，宋钢兵
SMA智能混凝土的研究工作中的不足
• （1） 现阶段对NiTi形状记忆合金研究较多， 但成本过高， 对于拥有良好记忆效应、价格低 廉的铁基SMA及价格低廉， 热稳定性和高温应 用前景良好的铜基SMA研究较少； • （2） 目前研究普遍使用截面面积较小的丝材、 线材， 对于大截面材料涉及不多； • （3） 现有研究SMA以辅助埋设为主， 在条件 允许的情况下（如成本问题得到解决） 应进行 全替代钢筋的混凝土构建的研究； • （4） 对SMA与混凝土的粘结性能的研究甚少， 应加强这方面的工作， 这是SMA与混凝土共同 工作的关键。
记忆合金在混凝土中的 应用
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形状记忆合金（SMA）
• 形状记忆合金是一种新 型金属功能材料， 具有 独特的形状记忆效应， 它具有温敏性和在不同 温度下回复变形的能力， 将其置入混凝土中， 当 混凝土结构受到冲击荷 载等异常荷载时， 记忆 合金形状发生变化， 使 混凝土结构产生内力重 分布并产生一定的预应 力， 从而提高混凝土结 构的承载力。
混凝土结构外置SMA的应用研究情况
• 周黎黎用SMA筋取代外置预应力筋 制成无粘结SMA智能混凝土梁。逐 级对梁施加压力，当梁出现裂缝时， 对SMA筋通电激励， 使其通过形状 记忆特性产生收缩， 进而达到闭合 梁裂缝的目的。通过本实验发现： （1） 用SMA筋取代常规的体外预 应力钢丝或钢绞线形成无粘结智能 预应力混凝土梁的结构形式是完全 可行的；（2） 试验梁的跨中挠度 在驱动SMA筋后获得了相当可观的 回复； （3） 激励SMA筋减少了裂 缝宽度， 改变了梁的受力特性。罗 子文也做了类似试验研究， 除了得 出上述结论外， 还发现如下问题： （ 1） 如何有效电激励SMA 材料； （2） 由于其电阻较小， 对电源要 求较高SMA对温度较敏感， 如何保 证外置SMA材料温度。
工程应用
• 由于SMA 良好的物理性能,世 界上已有采用SMA 作为结构 加固元件应用到实际工程中 的例子。1996 年10 月发生在 意大利Emilia Romagna 地区 的4. 5 级地震,使San Giorgio 教堂的钟塔遭到了严重的破 坏, Indirli 等用4 根超弹性SM A 棒与钢筋连接在一起,由上 至下贯穿地安装到钟塔的4 个 角内,对钟塔进行修复(图5) , 并且进行了理论研究、数值 分析和动态测试[47 ] 。研究 结果显示,这种修复方式与传 统方法相比,可以减小结构的 加速度,限制结构的受力,耗能 能力更强.