智能材料与智能结构在土木工程中的应用

智能材料与智能结构在土木工程中的应用摘要：智能材料是本世纪新诞生的一种材料，智能材料的产生灵感源于仿生物学，它作为本世纪新型材料发展的重要方向。智能材料在土木工程应用方面上有很大的冲击力。智能材料结构起源于90 年代初的航空、航天领域，近年来在医学、船舶、建筑等领域也迅速形成了智能材料结构在该领域的应用研究热。本文对智能材料、结构，定义和特性进行介绍，分析智能材料、结构在土木工程中的应用及其现状，展望新时代智能材料、结构在土木工程的发展，以期推进智能材料在我国土木工程中的广泛应用。

关键词：智能材料；智能结构；土木工程；应用

引言：建筑之所以产生是因为其能满足人们最基本的需要。远古时代人们用天然材料来建造能够躲避风吹雨打的建筑。以往传统的材料结构大致都是增加构造材料，并且采用合适的形式，进行加大对工程的管理。然而，以上传统的办法完全是一种被动的方法、制约的方法，一旦建筑物进入使用后，人们就几乎控制不了它们的结构，使用者的意志力转移不了结构，至今为止人们对结构的预防仍是一件很困难的事情。

一、智能材料

1 智能材料的概述

目前智能材料还没有统一的定义。不过，对它的定义大多是大同小异。总的来说，智能材料指的是具有感知环境刺激，并且对环境的刺激进行分析、处理、判断，采取适当的措施进行适度反应的具有智能

特性的新型材料。

1.1 智能材料的特性

一般说来，智能材料的功能表现为：反馈功能、传感功能、响应功能、信息识别与积累功能自诊断能力、响应功能、自修复能力和自适应能力、自诊断能力。

具体来说，智能材料有以下的内涵:

（1）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度,如核辐射，光，电，热，应变，应力，化学等；

（2）反应比较灵敏；

（3）能够按照设定的方式选择和控制响应；

（4）具有驱动功能，能够响应外界变化；

（5）具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电，光，热，应力，应变，化学，核辐射等；

1.2智能材料的重要性

在当今世界，越来越显得智能化。在许多方面，人们无法判断材料内部是否产生了变化，只能在它完全表现出来被破坏了才得知材料已经遭到破坏，此时大多数会造成许多事故。智能材料能够提前检测出材料内部出现问题，从而反应给管理者使其对材料进行更换，同时也能提醒管理者对材料进行恰当的应用，以免在不了解的情况下超过了材料的极限。

智能材料在各个领域都有很大的发展前景，比如在建筑方面，

能够诊断出建筑物的健康状况；在航空方面，创造出合适的智能材料以适应环境的变化，降低由于天气原因而发生的飞机事故；在医疗方面，能够为残疾者提供更完善的假肢；在军事方面，还可以用来提高军事防御能力，增强对敌军的威胁，也可以降低噪声。

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实用的原因。为了大大的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，也不能很有效的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，它将会不可避免的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，同事也降低了效率，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。近几年我国智能大厦出现比较多。

二、智能结构

1 土木工程智能结构概念

智能土木结构（intelligent civil structure）概念。简言之，即使结构具有自诊断、自学习、自适应、自修复的能力。文献将智能结构定义为：“将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件（结构）具有人们期望的智能功能，这种结构称之为智能材料结构”。可见，智能结构是传统结构的功能的升华。智能结构在土木结构中的应用便称之为土木工程智能结构。

2 土木工程智能结构的研究现状

土木工程智能结构概念是为了解决评估结构强度、完整性、安全性及耐久性问题而提出的。对土木建筑结构的性能进行监测及预报，不仅会大大减小维修费用，而且能增强预测的能力。近来出现的无损检测技术均不能对结构进行实时监测，也不能很好地预报结构的破损情况和进行完整性的评估。这些方法的致命缺点是预报方式是自外而内的，从信息传播角度看，难免会夹杂进种种干扰信息，从而使检测结果失真、低效率，甚至会导致完全错误的检测结果。在结构内部埋入传感器，组成网络，就可实时监测结构的性能，这就是智能土木结构的自内而外的预报方式。智能土木结构在这些方面有很好的应用前景，目前主要应用于高层建筑、桥梁、大坝等工程领域。美国80年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器，用验证设计中的一些假定，监视施工质量和服役安全状态，如在佛罗里达州的sunshineskywaybridge桥上就安装了数百个传感器，英国80年代后期开始研究和安装大型桥梁的监测仪器和设备。在我国，香港的lantan fixed crossing bridge、青马大桥，以及大

陆的虎门桥、江阴长江大桥也都在施工期间装设了传感系统，用以于监测建成后大桥的服役安全状态[3].1993年加拿大在calgary建造的bedding trail大桥上首次成功地布置了光纤布拉格光栅传感器，用以监测桥梁内部的应变状态。在其它土木工程领域，如在采油平台、大坝、船闸等大体积混凝土结构中也曾尝试布置传感器来构建智能结构。同样，近年来发展起来的高性能、大规模分布式智能传感元器件也为民用建筑及结构的智能监测系统的发展提供了

基础，智能大厦在我国已如雨后春笋般地涌现。在民用建筑结构的应用方面，对结构的智能振动控制方面的研究已有近30年的历史

了

三、工程应用分析

在我国，人们非常注重对智能材料与结构的研究,近几年我国通过不同的方法支持智能材料与结构的研究.目前许多项智能材料及其在土木工程中的应用研究正在我国进行着。目前,智能材料与结构在土木工程中的应用主要是将智能材料，比如碳纤维等，混入到混凝土中,使混凝土构件具有自我增强、自我诊断、自我愈合以及自我调节的功能。

1 智能材料划分种类

智能材料大体上划分为两大类：一类是对内部或外部的刺激感应,如辐射、化学、力、热、声、光、电、磁等作用具有感知性能的材料，称为感知材料。这类材料主要有压电材料、形状性记忆合金、光导纤维及其各种类型的传感材料：另一类，则是能够对外部条件或