摘要：随着材料科学技术的持续发展，无论是理论还是实践，土木工程振动控制都取得了较大的变化发展。近几年来，我国发生的地震等自然灾害比较频繁，使得人民群众的生活质量受到严重影响，也严重危害人民的生命财产安全。我国的土木工程结构在其使用的寿命上，由于地震灾害带来的不良的影响，也显著降低。为了解决由此带来的一系列社会问题，我们更要加大对土木工程振动控制中智能材料研究，有效减小自然灾害对土木工程项目本身的影响。本文从土木工程振动控制中的智能材料出发，对土木工程振动控制中智能材料进行分析研究。
关键词：土木工程 振动控制 智能材料
土木工程结构振动控制伴随着材料科学技术的发展，驱动和传感装置也越来越智能。目前，正在广泛使用的智能材料包括：磁致伸缩材料、电磁流变材料、压电材料、记忆合金材料等，这些智能材料的推广使用，较好地解决了振动对工程结构产生的影响。对于土木工程结构来说，发展智能材料的结构系统与其相应的应用技术，不单单增强了土木工程结构的功能，而且促进了传统土木工程的建造、结构设计、使用控制与维护等众多观念的更新，在土木工程结构等的更多尚未涵盖的领域，智能材料都展现出了显而易见的巨大应用潜力。
1.智能材料概述
1.1 智能材料的特性
土木工程振动控制中所涉及的智能材料往往可以通过自身的感知对信息进行处理，并准确发出相应的指令，执行并完成相应动作，最终实现结构的自诊断、自检测、自校正、自监控、自适应与自修复等众多功能。自我修复功能、自适应功能、相应功能、识别以及积累信息的功能、传感功能、反馈功能与自诊断功能等都是智能材料所具备的基本特性。
然而，当前的土木工程建设中采用的智能材料则具备驱动功能，可以很好地适应外界环境的各种变化；可以对外界环境进行准确的感知，精准地检测出外界环境中所含有的刺激以及其强度，例如化学能、应变量、热能、核辐射、应力以及光能等；可以在外界的刺激消失之后用最快的速度与最短的时间回到最开始的状态；还可以快速并且十分恰当地反应外界的刺激；还可以由预设的方式进行自身相应的控制，同时选择进行相应的具体方式。
1.2智能材料的类型
根据智能材料的功能特点可以分成两个种类。一种是感知材料，这类智能材料能够感知内部或者外界的刺激强度，例如应变、应力还有化学、物理、热、光、磁、电与辐射等，具有较强的感知能力。这类感知材料以光导纤维为主，还有压电陶瓷、形状记忆合金、压电高分子材料以及其他各种不同类型的传感材料。另外一种是例如压电材料、形状记忆合金、磁致伸缩材料、电致伸缩材料、磁流变体、功能凝胶与电流变体等能够驱动、响应内部状态与外界环境条件变化的智能材料，根据电场、磁场或者温度的变化这类智能材料能够改变自身尺寸、形状、振动频率、刚度、内耗、阻尼和其他部分机械特性。所以，根据实际需求，可以选择其中相应功能的智能材料对各种驱动元件或者执行元件进行制作。
2. 常用的智能材料
2.1压电智能材料应用
从上个世纪中期起，压电智能材料的应用逐渐兴起，现在已经越来越成熟。这种压电智能材料在使用时输出与输入的都是电能信号，频率的范围相对广，并且容易控制与测量。在正、反向电效应的作用下这种压电智能材料能够作为执行装置，也可以作为传感器，相互结合实现其功能。压电材料的正电压传感器在实际应用当中能够检测多种机械性变形，例如形变、应力、位置变化等等，这些都在智能控制当中普遍存在。压电材料既能够在构件内部或者表面进行设置，也能够适应柔性结构，耗能小功率低，且实现形式与设计形式灵活。
根据极化形式存在的差异，压电传感器可以分成几类：应力型、剪切模式型、应变型等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆驱动器、压电传感器由于研究的深入，目前已经实现了驱动器与传感器的一体化的集成化，更好地发挥压电材料的自适应性，并可以将其称作自感知驱动装置。压电陶瓷传感器已经能够有效地进行在线监测结构状态，由于其响应快、成本较低、可靠性好且结构简单，现已广泛应用于实际工程。
2.2形状记忆合金材料
形状记忆合金具有自适应、自感知与自诊断功能，并且其对于形状还具有记忆功能，这种形状记忆材料可以对环境的变化做出还原等反应，体现出一种环境变化特性。这种形状记忆合金材料的最高能够达到 40MaP相变回复力。被动消能器、被动消能控制系统正是利用了这种材料很高的相变回复力。在早期，这种智能材料主要在机器人、航空航天、医疗等高精密领域、行业进行应用推广。在土木工程振动控制中，混凝土结合形状记忆合金材料从而形成智能的构件，用于结构被动控制。倘若恢复受限，那么结构就会产生抗力，使控制系统得到减震的效果，形状记忆合金材料的作用原理正是利用了这种记忆特性，进而对“原来”形状进行还原。在结构被动控制当中，形状记忆合金材料的应用又能分成两个部分：隔振与耗能。
2.3电 / 磁流变流体
磁流变体与电流变体是一种可控流体，在外加磁场或者电场的作用下，电流变体或磁流变体中的固体颗粒排列成纤维状链，存在磁场或者电场的两极间。上世纪 90 年代以来，石油、土木工程、机械工程以及航天航空等领域都对电/磁流变液进行了理论研究以及许多相关的试验探究。阻尼器的制作在利用电/磁流变流体后不仅展现出灵敏的反应力，并且还具备相当大的阻尼力。在国外，刹车装置、磁流变液减振器以及光学加工设备已陆续被研发出现。
电/磁流变流体在外加电/磁场的作用下，牛顿流体易被转换成粘塑体，并且其不仅只有毫秒级的转换时间，而且这种转换可逆。电流变液、磁流变液对于其性能来说有众多相似的地方，但是在控制装置制成时，倘若能够利用磁流变液，不仅可以自动跟随外部荷载的变化状态调节其输出力，而且其结构极其简单，利用磁流变液来对装备进行制作，可以实现在-40~150℃的条件下运行，这种非常强的抵抗干扰能力十分适用于土木工程。相对比于电流变液，当消耗的电功率一样时，磁流变液的剪切屈服应力高了整整一个数量级，如此运用磁流变液制作出的减振驱动器在形成较大控制力并且有十分显著的减振效果的情况下，其体积尽可能地小。在运行磁流变液制成的控制装置时，所需要电压只有2~25V，并且其消耗的能源往往不超过50W，如此便减小了电流变液需要的数千伏电压的不方便和危险。
2.4稀土磁致伸缩材料
实际上，稀土磁致伸缩材料也是一种合金材料。能够充分利用磁场的变化，从而影响材料的伸缩是磁致伸缩材料的主要特征。相比于从前的材料，稀土磁致伸缩材料的研发表现出了显著优势。在磁场的干扰下，要实现控制构件的振动，稀土磁致伸缩材料通常在一定程度上产生幅度较大的变化，因而产生一种与记忆性合金相像的抗力。然而，稀土磁致伸缩材料的良好性能都表现在地域性、响应效果以及功率效率等方面。所以，磁控制型的自动化系统、位置控制系统、传感技术在土木工程振动控制中都得到了较为广泛的运用。
结束语：
目前，土木工程振动控制中智能材料研究已经成为土木工程行业中的研究重、热点，在土木工程振动控制中，由于控制形式多、材料来源丰富，智能材料的研究越发表现出其优越性、可靠性，促使我们不断加大投入。伴随着社会经济的发展、国家的进步、科学技术手段的不断完善，新技术与新材料不断出现更新，这就更需要我们用创新与发展的眼光追求更高的科学技术水平，对智能材料的优点进行开发设计，大力推动智能材料在土木工程领域的不断进步、发展。在土木工程项目的实际应用过程中，倘若能够按工程所存在的一些特性，从而选择最优的智能化振动控制材料，那么这样不仅能够实现效果与成本达到双赢，而且还能保证建筑的安全性，保证人民的生命财产安全。
参考文献：
[1] 张广泰，孙树民，韩霞.智能材料在土木工程结构振动控制中的应用[J].新疆大学学报（自然科学版），2009，04：494-497.
[2] 薛伟辰，郑乔文，刘振勇等．结构振动控制智能材料研究及应用进展[J].地震工程与工程振动，2006（5）.
论文作者:陈功来
论文发表刊物:《基层建设》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/24
标签：材料论文; 土木工程论文; 智能论文; 结构论文; 功能论文; 伸缩论文; 形状论文; 《基层建设》2017年第17期论文;