（河南城建学院,河南 平顶山，467036；西安建筑科技大学，陕西 西安，710055）
摘要：本文介绍了形状记忆合金的性能，综述了其应用于结构振动控制的研究现状,指出了形状记忆合金用于结构振动控制有待解决的一些关键问题,并展望了形状记忆合金在土木结构振动控制中的应用前景。
关键词: 形状记忆合金；智能结构；智能材料；振动控制
1、智能结构
智能结构,就是在基体中嵌人或粘贴传感器和致动器,并具有对致动器有控制作用的装置,从而能感知外界环境的变化及自身的实际状态,并通过自身的感知,做出判断,发出指令,执行和完成动作,实现动态或在线状态下自检测、自诊断、自监控、自修复及自适应等多种功能。传感器、作动器、控制器是智能结构的三个组成部分。近年来，形状记忆合金这种智能材料由于反应迅速、输出力大、可调节等优点，被研制成各种形式的作动器。
2、形状记忆合金的特性
2.1形状记忆效应
形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)最著名的特性是形状记忆效应。形状记忆效应是指SMA具有记忆并恢复至它在奥氏体状态下的形状的能力。例如,开始时在较高温度下,SMA组织为奥氏体,将SMA冷却至低温(如室温),SMA中奥氏体发生相变,转变为马氏体,如果在马氏体状态下拉伸SMA并留下较大的塑性变形,那么将SMA加热至一定温度后,马氏体就会转变为奥氏体,SMA将恢复到它开始时的形状。这种形状的恢复过程非常快。如果在SMA恢复的过程中,对SMA施加约束,那么SMA将会产生很大的恢复应力(可达700 MPa)。此种恢复应力可用作结构控制时的驱动力,也可以用来控制结构的刚度。
2.2超弹性性能
形状记忆合金材料的超弹性性能可使这类材料的相变恢复力呈现出非线性的特征，其刚度和阻尼都会随着材料的变形而改变，利用这种特性就可研制具有变阻尼和变刚度的形状记忆合金减振控制装置（耗能器或阻尼器），以实现工程结构的被动耗能减振控制，从而达到有效抑制结构振动的目的。
2.3弹性模量温度变化特性
高温下奥氏体SMA的弹性模量是低温下马氏体SMA的弹性模量的3倍以上。利用SMA的这种特性,将SMA预埋入结构,通过加热和冷却SMA,改变SMA的组织,控制SMA的弹性模量变化,从而可以改变结构局部或整体刚度,改变结构的固有频率,达到避开共振的目的。
2.4阻尼性能
SMA的阻尼性能比普通金属的阻尼性能好得多,其中马氏体奥氏体混合SMA的阻尼性能最好,马氏体SMA次之,奥氏体SMA的阻尼性能最小。SMA的阻尼性能比普通金属的阻尼性能好得多，利用SMA良好的阻尼性能可以制成高性能的振动阻尼器。
3、形状记忆合金在结构振动控制中的应用
3.1在主动控制中的应用
SMA应用于结构主动振动控制主要表现为：改变或调节材料的力学性质,使结构避开共振；被控结构中利用可控的驱动体,提供较大的恢复力或恢复力矩,使振动结构停息在平衡位置；利用形状记忆合金的恢复力,可以实现裂纹的主动控制。为了维护世界文化遗产,国外科研人员已利用形状记忆合金的超弹性性能加固了一些有价值的古建筑。最新的形状记忆合金应用是加固遭受破坏的佐治亚教堂的钟塔。加固方案采取在塔内加设四道连有形状记忆合金耗能器的后张拉预应力筋,以控制裂缝的继续扩展,并且确保它能经受住下次地震的作用。
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3.2被动耗能器的应用
在土木工程领域,增加结构物阻尼的方法是目前应用最广泛的方法 ,它可适用于不同类型 ,不同形状构造 ,不同地基土质条件的建筑结构的抗震设计。SMA的被动耗能机制主要包括两个方面：一是由于其内摩擦作用产生的能量耗散机制；二是SMA的超弹性性能导致大的滞后环的出现。形状记忆合金耗能器一般安装在结构的层间,使之感受层间变形,以达到消耗地震能量的目的。试验表明,在安装了形状记忆合金耗能器后,近一半地震能量可以被耗能器吸收,结构的位移得到了明显的控制。
3.3在隔震中的应用
橡胶支座隔震（振）己经成为目前比较成熟的隔震技术之一，但橡胶隔震支座的耐久性和稳定性有提高，在产生较大变形后橡胶支座往往不能恢复原状而需要更换，形状记忆合金金属橡胶（Shape Memory Alloy Metal Rubber, SMAMR）是在金属橡胶基础上改进的一种新型减振材料，在减震（振）器发生塑性变形之后，形状记忆合金金属橡胶可以通过加热诱发金属橡胶中的形状记忆合金丝发生相变，从而达到变形自恢复的目的，而不需要更换新的设备。
3.4在智能混凝土结构中的应用
SMA具有集传感和驱动于一身的优势,能够同时实现结构的监测和控制。为了最大限度地推进SMA在土木结构主被动振动控制中的应用, 在建筑结构中支撑、剪力墙等重要结构件设置SMA，使其成为智能混凝土结构。
3.5MSMA的应用
磁性形状记忆合金,(Magnetic Shape Memory-Alloy, MSMA)不但具有传统形状记忆合金受温度场控制的热弹性形状记忆效应,而且在磁场作用下发生磁诱发相变, 这个动作是瞬时进行的。 所以具有反应迅速、 响应频率高的优点, 可以应用于各种场合。
4、结论与展望
综上所述,SMA作为一种很有前途的新型功能材料,在土木工程领域的研究有了很大的发展,无论是进行主动控制还是被动控制,利用SMA都可以有效地减小结构的动力反应,提高结构的抗震性能。因此,将SMA运用到土木工程中是未来防灾减灾工程的一个重要的发展方向,也是一种理想的选择。
(l)形状记忆合金的衰减率小,而且衰减率过分依赖于温度和振幅,加之加工性能欠佳,价格偏高等都限制了形状记忆合金在减震中的应用。提高形状记忆合金驱动器的响应速度,特别是对与结构减震相关的性能进行深人研究具有现实的意义。
(2)进一步研制和开发新型的形状记忆合金主被动控制器,并且使形状记忆合金控制器的制作标准化。形状记忆合金控制器的可靠性、耐久性研究都还有待进一步加强。
(3)将SMA应用于结构振动控制,实现控振减振的目的,应弄清材料的阻尼性能,而影响阻尼性能的因素很多,其中温度、应力和频率及循环次数等加载条件是影响材料阻尼性能的外在因素;材料的成分、处理工艺等是影响SMA阻尼性能的内在因素,需要做大量的实验和理论分析才能解决这个问题。
参考文献：
[1] 王社良.形状记忆合金在结构控制中的应用.陕西科学技术出版社。2000
[2] 任勇生.智能材料在土木结构监测和振动控制中的应用.大连理工学报 2000。
[3] 耿冰.形状记忆合金的研究现状及应用特点.辽宁大学学报.2007
[4] 李素超.形状记忆合金金属橡胶自恢复减震器的性能试验研究.震灾防御技术.2010
论文作者:李江乐
论文发表刊物:《基层建设》2015年15期
论文发表时间:2015/11/18
标签：合金论文; 形状论文; 记忆论文; 结构论文; 阻尼论文; 性能论文; 奥氏体论文; 《基层建设》2015年15期论文;