智能材料与结构在土木工程中的应用

智能材料与结构在土木工程中的应用1、前言智能材料与结构是应对军事和航空航天领域的需求而发展起来的。在20世纪70—80年代，人们开始对大型空间结构、飞机机翼和舰艇等结构的振动和形状主动控制进行研究，监测结构的即时状态，逐渐发展出一门多学科交叉的新兴学科。近年来，智能材料与结构渐渐渗入土木工程领域中。80年代中期，航空航天需求驱动了智能材料与结构的研究与发展。1988年4月28日波音737客机在美国出现灾难性断裂事故，使美国国会意识到，为避免服役中的飞机发生类似事故，飞机应有自我诊断和及时预报系统，并通过议案，要求3年内完成Smart飞机的概念设计。近年来，高速、重载飞行器的发展要求以及大型工程机构的安全和质量问题引起了各国政府、工程技术界的广泛关注。概括起来，关注的主要领域有：飞行器机翼的疲劳断裂监测及形状自适应控制，湍流控制的智能蒙皮；大型柔性空间机构的阻尼振动控制；桥梁、建筑等振动的主动控制以及风灾和地震时的自适应控制；机构健康监测、土建施工中的质量检测；火警探测及控制；管道系统的腐蚀和冲蚀探测，高寂静产品的噪声控制，空气质量、温度控制及减振降噪，能量的最佳利用，在用系统性能的评估和残留寿命的预测，机器人的人工四肢等。1.1、大型土木工程结构和基础设施“健康”监测与控制的需要土木工程领域的众多大型土木工程结构和基础设施，如大跨桥梁、高耸建筑、大跨空间结构、大型水坝、核建筑和海洋采油平台以及输油、供水、供气等管网系统等，规模庞大、结构复杂，它们的使用期都长达几十年、甚至上百年．在其服役过程中，由于环境载荷作用，疲劳效应，腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故。一旦失效，后果是灾难性的。对它们的安全性和耐久性的要求远高于一般性建筑结构。因此，采用智能材料与结构，对重大土木工程建筑实施在线健康监测，实时监测结构的裂缝、损伤、疲劳、缺陷、腐蚀等状态；并自动调整结构内部应力应变的分布和结构的外形和位置、改变结构的特性（结构阻尼、固有频率等，对其振动、损伤和形状进行主动控制，即使材料和结构具有自感知、自判断．自适应、自恢复等智能行为具有重要意义。目前已建成使用的许多结构和设施急需采用有效的手段监测和评定其安全状况，修复和控制损伤；新建的结构和设施总结以往的经验和教训，也已开始增设长期的“健康”监测系统及振动与损伤控制系统。1.2、验证设计假定建筑结构形式越来越多样化、复杂化。结构的设计理论一般是根据一定的假设提出的简化模型做出的。这些实际理论是否符合实际情况，需要进行验证。美国80年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器，用以验证设计假定，监视施工质量和服役安全状态，例如，佛罗里达州的SunshineSkywayBridge桥上安装了500多个传感器；英国80年代后期开始研制和安装大型桥梁的监测仪器和设备，并调查和比较了多种长期监测系统的方案；我国香港的LnntauFixedCrossing大桥，青马大桥以及内陆的虎门桥和江阴长江大桥也都在施工期间装设了传感装置，用以监测建成后的服役安全状态；渤海石油公司为了确保海洋采油平台的服役安全，对海冰条件和平台状态进行了长达10余年的监测；采用分布式斜交光纤传感监测系统完成了三峡工程古洞口混凝上面板堆石坝的面板裂缝和临时船闸的大体积混凝土裂缝的现场实验。土木工程结构和基础设施体积大，跨度长，分布面积大、使用期限长，传统的传感设备组成的长期监测系统性能稳定性和耐久性都不能很好地满足工程实际的需要。近年来发展起来的高性能、大规模分布式智能传感元件为土木工程智能监测系统的发展提供了基础。1.3、振动控制建筑结构可能遭受地震、台风等动荷载的破坏作用，为了保证建筑的安全荷使用舒适，需要采取振动控制措施。土木工程结构的振动控制研究和应用已有近30年的历史，大体上可以分为三个方面：隔震、耗能(阻尼)减振和主动控制。隔震桥梁和建筑已在国内外建成了数百栋，是结构抗地震作用的一种有效途径，已经受地震的考验。耗能减振是在结构中设置阻尼耗能元件和吸振系统，耗散结构振动的能量，从而减轻结构的动力反应，是结构抗风，抗地震作用的有效途径。例如，美国纽约的世界贸易大楼设置了10000个粘弹性耗能元件，有效地控制了结构的风振反应；我国近期完成的沈阳市政府大楼，北京饭店和北京火车站的抗震力口固分别设置了摩擦型和粘滞型阻尼元件，有效地提高了结构的抗震能力。直接将能量转变为控制力的主动控制在土木工程中的应用遇到了很大的困难——需要很大的能量转变为控制力，人们不得不转向AMD、变刚度和变阻尼等机械调节式半主动控制装置。智能驱动材料的发展为土木工程结构的振动控制开辟了新的天地。例如，美国Lord公司已经研制出能耗22W、最大出力达20t的磁流变减振驱动器，这种装置固定磁场强度可以用作阻尼减振装置，调节磁场强度可以用作主动控制的驱动装置。2、智能材料与结构概述20世纪50年代，人们提出了智能结构，当时把它称为自适应系统(adaptivesystem)。在智能结构发展过程中，人们越来越认识到智能结构的实现离不开智能材料的研究和开发。20世纪80年代中期，人们提出了智能材料的概念。智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料，具备自感知、自诊断、自适应、自修复等功能。2.1智能材料的内涵近年来，随着信息、材料及工程科技的发展，对于如何建立智能材料与结构的基础理论和关键技术，科学家和工程师从自然界和生物体进化的学习和思考中受到启发，可以用图1—2来对比生物体和智能系统。感知器(神经元)，即俗称的传感器，可以用感知材料制得。它能对外界或内部的刺激强度(如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等)具有感知功能。执行器(肌肉)，用执行材料制得。它能在外界环境条件或内部状态发生变化时作出响应。信息处理(大脑)，可以用信息材料通过微电子技术制得。人们力图借鉴生物体的功能特征从根本上解决工程结构的质量与安全监控问题，从而提出了智能材料系统与结构(IntelligentMaterialSystemsandStructure，简称IMSS)的概念。正如生物体是通过各种生物材料构成一样，智能系统是通过材料间的有机复合或集成而得以实现。如果能把感知、执行和信息等三种功能材料有机地复合或集成于一体就可能实现材料的智能化，如图1—3所示。智能材料来自于功能材料。功能材料有两类。一类是对外界（或内部）的刺激强度（如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等）具有感知的材料，通称感知材料，用它可做成各种传感器；另一类是对外界环境条件（或内部状态）发生变化作出响应或驱动的材料，这种材料可以做成各种驱动（或执行）器。它并非一定是能对外作功的器件。广义说，它包括能对外界作出各种物理或化学响应，如能改变颜色、显示数字、起开关作用、改变频率和报警等功能的器件均可称为驱动器。智能材料是利用上述材料做成传感器和驱动器，借助现代信息技术对感知的信息进行处理并把指令反馈给驱动器，从而作出灵敏、恰当的反应，当外部刺激消除后又能迅速恢复到原始状态。这种集传感器、驱动器和控制系统于一体的智能材料，体现了生物的特有属性。具有上述结构形式的材料系统，就有可能体现或部分体现下列智能特性：①具有感知功能，可探测并识别外界（或内部）的刺激强度，如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等；②具有信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应；③具有对环境变化作出响应及执行的功能；④反应灵敏、恰当；⑤外部刺激条件消除后能迅速回复到原始状态。表1—1列出常见的感知材料和执行材料。表中有些材料兼具感知和执行功能，如磁致伸缩材料、压电材料和形状记忆材料等。这种材料通称为机敏材料(smartmater闭s)，它们能对环境变化作出适应性反应。图1—4为机敏材料的双重功能对环境变化作出的反应示意图。机敏或智能材料的设计和建造思想、模型和方法是通过对生物结构系统的研究和考察，借鉴而来。从仿生学的观点出发，智能材料内部应具有或部分具有以下生物功能。(1)有反馈功能，能通过传感神经网络，对系统的输入和输出信息进行比较，并将结果提供给控制系统，从而获得理想的功能。(2)有信息积累和识别功能，能积累信息，能识别和区分传感网络得到的各种信息，并进行分析和解释。(3)有学习能力和预见性功能，能通过对过去经验的收集，对外部刺激作出适当反应，并可预见未来并采取适当的行动。(4)有响应性功能，能根据环境变化适时地动态调节自身并作出反应。(5)有自修复功能，能通过自生长或原位复合等再生机制，来修补某些局部破损。(6)有自诊断功能，能对现在情况和过去情况作比较，从而能对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正。(7)有自动动态平衡及自适应功能，能根据动态的外部环境条件不断自动调整自身的内部结构，从而改变自己的行为，以一种优化的方式对环境变化作出响应。当然，这里指的是高级智能材料，虽然目前尚难做到，但却是未来实现的目标。2.2智能材料的定义本世纪70年代，美国弗吉尼亚理工学院及州立大学的Claus等人将光纤埋人碳纤维增强复合材料中，使材料具有感知应力和断裂损伤的能力。这是智能材料的首次实验，当时称这种材料系统为adaptivematerial(自适应材料)。从1985年开始，在Rogers和Claus等人的努力下，智能材料系统逐渐受到美国各部门和世界各国研究者重视，先后提出了机敏材料、机敏材料与结构(smartmaterialsandstructures)、自适应材料与结构(adaptivematerialsandstructures)、智能材料系统与结构(intelligentmaterialssystemsandstructures)等等名称。从表面上看，各自的名称有所不同，但研究的内容大体相同，都含有“智能”特性。Rogers在《智能材料系统——新材料时代的曙光》一文中认为，生物结构系统难于区分材料与结构，智能材料与结构只是尺度上的差别，即材料的智能与生命特性存在于材料微结构中，而结构是在制造过程中集成的。因此，Rogers认为智能材料系统(IntelligentMaterialSystems，简称IMS)的定义可归结为两种。第一种定义是基于技术观点：“在材料和结构中集成有执行器、传感器和控制器”。这个定义叙述了智能材料系统的组成，但没有说明这个系统的目标，也没有给出制造这种系统的指导思想。另一种定义是基于科学理念观点：“在材料系统微结构中集成智能与生命特征，达到减小质量、降低能耗并产生自适应功能目的”。该定义给出了智能材料系统设计的指导性哲学思想，抓住材料仿生的本质，着重强调材料系统的目标，但没有定义使用材料的类型，也没有叙述其具有传感、执行与控制功能。第三种定义是把两者结合在一起，形成的一个完整、科学的定义：“智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化，并能实时地改变自身的一种或多种性能参数，作出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合”。单一的人工材料无法同时具备这些功能。只有将各种材料制成的感知器、执行器和控制器等集成或组装在一起，通过在这些功能之间建立起动态的相互联系，使之相互作用、相互依存，才有可能实现材料智能化。机敏或智能材料并非一定是专门研制的一种新型材料，大多是根据需要选择两种或多种不同的材料按照一定的比例以某种特定的方式复合起来(materialcomposition)，或是材料集成(materialintegration)，即在所使用材料构件中埋人某种功能材料或器件，使这种新组合材料具有某种或多种机敏特性甚至智能化。这样，它已不再是传统的单一均质材料，而是一种复杂的材料体系，故在材料后加上“系统”二字，称为智能材料系统，通常简称为智能材料。智能材料与智能结构在尺度上是有区别的。若把智能材料埋入工程结构中，就能使工程结构感知和处理信息，并执行处理结果，对环境的刺激作出自适应响应，使离线、静态、被动的监测变为在线、动态、实时、主动监测与控制，实现增强结构安全、减轻质量、降低能耗、提高结构性能等目标。这种工程结构称为智能结构(intelligentstructure)。2.3耗散结构与材料的智能特性智能材料模仿了生命系统的感知和驱动功能。该研究领域的出现使人们把越来越多的目光投向天然生物材料。天然生物材料的基本组成单元很平常，但是往往具有适应环境及功能需要的复杂超结构组装，它表现出的优异强韧性、功能适应性及损伤愈合能力，是传统人工合成材料无法比拟的。长期以来，科学家们注意到：在生命系统和非生命系统之间表现出似乎不同的规律。非生命系统通常服从热力学第二定律，系统总自发地趋于平衡和无序，熵值达到极大。系统可以自发地从有序到无序，但决不会自发地转变到有序，这就是系统的不可逆性和平衡态的稳定性。生命系统与此不同，生物进化总是由简单到复杂，由低级到高级，越来越有序，能自发地形成有序的稳定结构。这两类系统的矛盾现象，长期得不到解决。直到60年代出现了耗散结构理论和协同学理论，才为这个问题的解决奠定了科学框架。诺贝尔奖获得者Prigogine于1970年在国际理论物理和生物学会议上正式提出“耗散结构(dissipativestructure)理论”。耗散结构是指：从环境输入能量或(和)物质，使系统转变为新型的有序形态，即这种形态依靠不断地耗散能量或（和）物质来维持。一个生物体作为一个整体来接受连续的能量流或（和）物质流，然后转换为各种废物排泄到环境中去。生命的机体就是这样一个保持动态稳定的系统，这种动态稳定能够抗拒环境对机体的瓦解性侵蚀。生命品种的存在，取决于它们动态调节的能力。也就是说，生命系统是一个开放系统，系统和环境进行着物质和能量的交换，从而系统就有可能从原来的无序状态产生一种新的稳定的有序结构。Prigogine称之为耗散结构。生物材料之所以具有活性，是因为它们在“服役”过程中不断与外界环境进行能量和(或)物质的交换。例如，动物要靠摄取食物生存，通过糖分解和呼吸等生机勃勃的生物反应和运输作用来维持生命。植物是利用光合作用，从太阳光获得能量，从土壤和水分中吸取所需养分。所以，维持生物体生命和生存活动的自保护、自修复、自调节、自适应、自繁殖等都要求从外界吸取能量或(和)进行物质交换。生物体中的分子与构成无生命物质的分子没有本质上的区别。但生物体却具有比无生命物质复杂得多的优异性能，说明生物体的功能并不是组成生物体的各种组织功能的简单线性叠加。非生命系统（无生命的材料）是一个孤立系统，即它们与环境没有能量和物质的交换，通常可以用下列函数关系来表达：P=f(C，S，M)(1—1)式中：P为材料的服役性能；C为材料的成分；S为材料的结构；M为材料的形貌。因此，它们的系统内部就不可能呈现生命的活性。倘若通过众多的通道，例如化学的、物理的以及生物的手段为材料提供物质和能量的输运，就可以用下列函数关系来表达材料的仿生设计P=g(C，S，M，q)(1—2)式中，q为环境变量，它意味着环境向材料提供能量和物质就可使“死”的材料变成“活”的材料。例如：根据这种启发，现在就有人提出金属材料疲劳及性能恢复的仿生设计，模仿生物的机能恢复和创伤愈合，向服役的材料施加高密度电流脉冲，使其疲劳寿命等显著提高。3智能材料的几种基本组元依据智能(或机敏)材料定义中所确定的内涵，组成智能材料的组元材料可分为传感材料、信息材料、执行材料以及两类支撑材料（能源材料和结构材料）。能源材料用作维持系统工作所需的动力，结构材料是支撑功能材料的基体材料或构件。3.1感知材料与传感元件：笼统地说，传统上用于制作传感器的材料大多数都可称为感知材料。从这个意义上讲，近年来研究开发的具有感知特性的智能材料可以称为高性能感知材料，主要有：光导纤维、电阻应变丝、疲劳寿命丝(箔)、压电材料、碳纤维、半导体材料等。用高性能感知材料可以制作性能更好的传感元件，特别是制作大规模表面附着式或埋人式传感分布阵列，从而使结构的重要构件或整体具有感知特性，以便实现其自修复，自调节和自控制的功能。3.1.1光导纤维光纤的主要材料是SiO2，它由内、外两层介质构成。内层是一个透明的圆柱形介质，它位于光纤的中心，称为纤芯。外层是轴对称并与纤芯共轴的圆环形透明介质，称为包层。由于纤芯材料的折射率ｎ1大于包层的折射率ｎ2，因此根据Smell原理和全内反射法则，当光在具有高折射率的纤芯向低折射率的包层传播时将被全部反射回纤芯。这样，光在光纤中传播将很少损失能量，从而可以传播至很远的地方。光纤作为传感元件主要利用当光纤发生局部的变形时，通过光纤中光的传播也相应发生变化的特性。通过分析光的传输特性(光强、位相等)可获得光纤周围的力、温度、位移、压强、密度、磁场、成分和X射线等参数的变化，因而广泛用作传感元件或智能材料中的“神经元”，具有反应灵敏、抗干扰能力强和耗能低等特点。早在1979年，Claus就曾在复合材料中嵌入光纤，用于测量低温下的应变。从那时起，光纤被广泛用作复合材料固化状态的评估、工程结构的在线监测、材料的非破坏性评定、内部损伤的探测和评估等。光纤波导管可埋于复合材料内，通过测定光的折射和对折射信号的处理，确定二维动态应变，其电吸附效应还可用于感知磁场的变化。光的干涉效应可用于测量变形和振动，光纤和光传感器还用于极端恶劣条件下的推进系统。光导纤维很细，可传输数据，反应灵敏；对埋置材料性能影响小，对电磁干扰不敏感，熔点高，耐腐蚀，适用于高、低温及有害环境，可沿单线多路复用，能实现点测量、线测量和网测量。3.1.2压电材料当压电材料受到外部影响而产生机械变形时，有产生电势的能力。当对压电材料施加外力产生变形时，就会引起材料内部正负电荷中心发生相对移动而产生电的极化，从而导致元件两个表面上出现符号相反的束缚电荷，而且电荷密度与外力成比例，这种现象称为正压电效应。利用这一点，可将压电材料制成传感元件。即通过检测压电元件上电荷的变化来确定压电元件埋入处结构的变形量。此外，当对它施加电压时，有变形的能力。如果在压电元件两表面通以电压，通过电场的作用，造成压电元件内部正负电荷中心产生相对位移，导致压电元件的变形，这称为逆压电效应。利用这一点，可将压电材料制成驱动元件。如将其埋入结构，可使结构产生变形或改变应力状态。由于压电材料改变状态的变化速率极快，因此上述效应适用于结构振动的控制。常用的压电材料有压电晶体，压电陶瓷以及最近研制的压电聚合物。压电陶瓷与压电单晶体相比，具有容易制备、可制成任意形状和极化方向的产品，耐热、耐湿等许多优点，因此应用更加广泛。压电聚合物与压电陶瓷相比，柔韧、耐冲击性好，能制成大面积薄膜传感材料，因此也是一种非常具有应用前景的压电材料。但目前在所有的压电材料中压电陶瓷是应用最广、研究最为活跃的一种。高分子压电材料，称为PVDF或PF2（PolyvinyldeneFluoride），可制成非常薄的膜，附着于几乎任意形状的表面上，其机械强度和对应力变化的敏感性优于许多其他传感器。美国弗罗里达大学的Nevill等研制了一种压电触觉传感器，几乎能够100％准确地辨识物体，如它能识别盲文字母及砂纸的粒度。比萨大学的研究者们利用压电材料研制出类似于皮肤的传感器，能模仿人类皮肤对温度和应力的感知能力，还能探知边缘、角等不同几何特征。Nakamura等研制了一种超薄(200gm～300gm)膜传感器，辅之以数学分析和数字模拟，用于机器人。它还具有热电效应，能对温度变化作出响应。压电材料有单轴极化膜和双轴极化膜。前者只对一个方向的应力作出响应，而后者可以感知两个方向的应力。压电高分子产生较少的热量，能储存能量，可用于精确定位，例如用作打印机的打印头。3.1.3电阻应变片电阻应变片是结构表面局部应变测量最常用的传感元件，性能受基底和胶层的影响，使用寿命短。电阻应变丝可埋置入结构中，与基底材料胶合，性能较稳定，而且可组成各种形状和面积的阵列，防电磁干扰，电阻应变丝直径很小，仅3—10μm不影响埋置材料的性能。3.1.4疲劳寿命丝(箔)疲劳寿命丝(箔)外形上与电阻应变丝(片)相同，但合金成分与热处理方式不同。疲劳寿命丝(箔)的电阻值随交变应变幅值和循环次数单调增加，荷载卸除后，增加的电阻值保持不变。因此，疲劳寿命丝(箔)可以用于结构构件和节点的剩余疲劳寿命预报。3.1.5碳纤维在一定条件下将聚合纤维燃烧，可以得到接近于完整分子结构的碳长链，也就是碳纤维。碳纤维通常合成为7—30tan一股，具有导电性、化学稳定性、耐高温及高强度和高弹性模量．由于高强度和高弹模量，碳纤维的接触电阻会随着压力的变化而变化，利用这一特性可以用碳纤维制作压力和应变传感器。3.1.6半导体材料半导体材料可用于制作与基体材料融合的模块或薄片式传感元件，是智能传感元件发展的一个主要方向。目前已有的气压硅传感器体积小、价格便宜，可以用于测量结构物表面的风压分布。3.2驱动材料与控制装置土木工程结构的控制装置总体上可以分为三类：改变结构频率的隔震装置、耗散结构振动能量的阻尼装置、给结构施加控制力的驱动装置。近年来研究开发的可用于制作控制装置的驱动材料主要有：电／磁流变液体（也称可控流体）、形状记忆材料（含合金和聚合物）、压电材料（含电致伸缩材料）、磁致伸缩材料、可收缩膨胀聚合胶体等。采用智能驱动材料可以制作电（磁）或温度等调节的被动阻尼减振装置和主动控制的驱动装置，且出力大、能耗小、反应迅速，将成为结构振动控制新一代的减振驱动装置。3.2.1电(磁)流变液在智能材料系统与结构的作动器材料中，电流变体(electrorheologicalfluid，简称ERF)和磁流变体(magnetorheologicalfluid，简称MRF)是使用性能较为突出的材料。尤其是电流变体材料响应速度快、工作能耗低、致动力变化范围大、埋放工艺简单、成本较低，是作动器的首选材料之一。电流变体和磁流变体均是悬浮体系，在外加电场或磁场的作用下，它们的黏性、塑性、弹性等流变性能会发生显著的可逆变化。且当外加场强超过一临界值后，电流变体(或磁流变体)会在几个毫秒内从液态变为固态。在显微镜下可以观察到，在电场(或磁场)的作用下，电流变体(或磁流变体)的分散相颗粒结成了沿电场(或磁场)方向的链状结构，如图2.32所示。由于电流变体具有可以在介于液体和固体的属性之间进行可控(由外加电场直接控制流体的流变特性)、快速(响应时间只有几个毫秒)和可逆的转变的独特性质，而且对流体的特性实施控制时所需的能量又较低，变化动态范围大，易于大面积铺放、成本低，电流变体成为智能结构主动控制中作动器件的主要材料。磁流变体(MRF)与电流变体(ERF)的主要差别是磁流变体的屈服应力更大，通常在外加磁场作用下可以达到50—100kPa，而ERF的屈服应力通常只有5—10kPa。MRF的主要缺点是存在滞迟现象，对于需要实时主动控制的应用领域有一定的限制。3.2.2形状记忆材料形状记忆材料包括形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy）、记忆陶瓷以及聚氨基甲酸乙酯等形状记忆聚合物。形状记忆效应是指材料在高温下定形后冷却至低温（或室温）并施加变形使其存在残余变形，然后加热到一定温度时仍然恢复到变形前原始形状的能力。形状记忆效应的简单过程可以由图21—1表示。材料加载过程中，应变随应力而增加，其中OA为表示弹性变形的线形段，AB为非线性段，当由B点卸载时，材料的残余应变由OC表示，将此材料在一定温度加热，则其残余应变可以降为零，即图上用虚线表示的过程，材料全部恢复原始形状。而普通金属材料受到外力作用时，当应力超过屈服强度后，则产生塑性变形，在应力消除后，材料的塑性变形将永久地保留下来，不可能通过加热方式来消除。这种只能记住高温或低温状态形状的效应称为单程形状记忆。某些记忆材料例如TiNi合金及Cu基记忆合金经过一定的特殊处理后，材料可以“记忆”住高温时的形态，又可“记忆”低温时的形状。当温度在高温和低温之间往返变化时，材料自行在两种形状之间变换，这种现象称为双向记忆效应(TwoWayMemoryEffect，简写为TWME)。此外，另有一种特异的现象，它不仅具有双向形状记忆效应，而且在反复变温过程中，总是遵循相同的形状变化规律，即记忆了中间过程，如图21—2所示。这是由四条互成45O夹角的薄条带在其中心位置捆扎在一起的试件，经约束时效处理后，在100OC开水中呈现结扎点在上的圆球形a，将试件从开水中缓慢提起来时，自行变成图b的形状。在室温时变成近似直线c。接着将其浸泡在冰水中，则直线向相反方向弯曲d。将试样在干冰—酒精液中冷却到-40℃时，形状变成与a相似的圆球形，但此时结扎点在圆球内部下方e，即a与e是完全倒置的形态。若将此试料立即放入l00℃水中，则又恢复成a形状。只要在a一e之间进行加热—冷却循环，就可重复前述的可逆形状变化。这种在温度循环过程中出现的自发形状变化，其形状变化大于所有可逆形状记忆效应，而且高温形状和低温形状是完全可以倒置的，这种记忆效应称为全方位形状记忆效应(All-RoundShapeMemoryEffect，缩写为ARSME)[5]。上面讲的是热—一机作用下的形状记忆效应，这种效应需在特征温度反复冷、热才能引发出来。记忆合金还有另一种形状记忆，它不取决于温度而且取决于外加应力，称为伪弹性或超弹性。当材料处于Ms～Md温度范围时发生变形，就会产生伪弹性，类似橡胶。Md是应力诱发马氏体相变的终了温度。图4—6表示超弹性的应力一应变曲线。它们的可恢复应变量达到10％以上。伪弹性也可称之为机械形状记忆效应。图4—7表示NiTi记忆合金弹簧和钢琴丝的伪弹性曲线。比较两者的特点可以看出，在达到相同应变量时，形状记忆合金可以完全恢复，而钢琴丝只能部分恢复，而有残余永久变形。图4—14是NiTi记忆合金伪弹性应力一应变曲线。由图可见，在NiTi合金加、卸载过程中，储能Gse=Soabch=abc,输出功W=Soadch=adc耗能Ga。：Gde=Gse—W=abc—adc记忆合金最早的典型应用之一是1970年美国将TiNi记忆合金丝制作成宇宙飞船的天线。宇宙飞船发射之前，在室温条件下（<Ms），将经过形状记忆处理的定形的TiNi抛物凸状天线折成直径小于5cm的球状放入飞船。飞船进入太空后，通过加热或利用太阳能使合金丝升温，当温度高达77℃（>Af）后，被折叠成球状的合金丝团就自动完全打开，成为原先定形的抛物凸状天线。形状记忆合金变形量大，加热时能产生很大的回复应力，可以实现多种变形形式，易于和基体材料融合，因此可埋置于结构中。迄今为止已经发现具有形状记忆效应的合金有数十种，其中性能好，有实用价值的是N-Ti和Cu—Zn—Al两大类合金。NiTi形状记忆合金的电阻率高，因此可用电能(通电)使其产生机械运动，与其他执行材料相比，NiTi记忆合金的输出应变很大，达8％左右，同时在约束条件下，也可输出较大的恢复力。它们是典型的执行器材料。由于其冷热循环周期长，响应速度慢，只能在低频状态使用。形状记忆聚合物具有粘弹性，应变可达400％，加热可以复原。从聚合物玻璃状态到橡胶状态，弹性模量可变化500倍，但是同样变形下形状记忆聚合物的应力相当于形状记忆合金的120分之一。形状记忆材料作为温度调节的驱动材料，目前主要利用材料本身电阻加热，因此调节能耗大、反应速度慢。为了改变这一特性，国外已在研究采用激光加热的形状记忆合金，但还未能达到实用的阶段。3.2.3磁致伸缩材料磁致伸缩材料是将磁能转变为机械能的材料。磁致伸缩材料受到磁场作用时，磁畴发生旋转，最终与磁场排列一致，导致材料产生变形。这种因磁化状态的改变而引起的磁性体产生应变的现象称为磁致伸缩现象。磁致伸缩现象在稀土以及稀土一铁化合物中广泛存在，但它们在常温下的磁致伸缩量很小，应用的价值不是很大。直到大磁致伸缩材料Teffenol—D研制成功，才开始磁致伸缩材料的应用研究。智能材料中的磁致伸缩材料指的就是大磁致伸缩材料Terfenol-D，它是由美国海军军械研究室发明的。与压电陶瓷性能相比，Terfenol-D具有许多优点：Terfenol-D在强磁场的作用下变形能够达到1500到2000ppm，这一数值是普通的压电陶瓷变形能力的10到50倍；另外，用Teffenol—D制作的驱动器所需的电压比较低，因此较压电陶瓷器件更加安全；Terfenol-D贮弹性模量也很大，最大可以达到100GPa。由于它的变形大，弹性模量高，因此储能也较相同体积的压电陶瓷大，再加上其频响性好，因此是制作大能量驱动器的良好材料。对于长度为20cm、直径为1cm的圆柱体可产生几千牛的力。磁致伸缩材料已应用于低频高功率声纳传感器、强力直线型电机、大转矩低速旋转电机和液压机执行器，目前正在研究采用磁致伸缩材料主动控制智能结构中的振动。目前的磁致伸缩材料仅用于小型机构的控制，而研究制作适合于大型土木结构的大位移、大驱动力的驱动元件是非常重要的。3.2.4智能高分子材料（可收缩膨胀聚合胶体）智能高分子材料是指三维高分子网络与溶剂组成的体系。其网络的交联结构使它不溶解而保持一定的形状；因凝胶结构中含有亲溶剂性基团，使它可被溶剂溶胀而达一平衡体积。这类高分子凝胶溶胀的推动力与大分子链和溶剂分子间的相互作用、网络内大分子链的相互作用以及凝胶内和外界介质间离子浓度差所产生的渗透压相关。据此，这类高分子凝胶可感知外界环境细微变化与刺激，如温度、pH值或电场等刺激而发生膨胀和收缩，对外作功。这种胶体在物理或化学等因素的激励下，产生体积形变、长度变化和作用力的变化。目前主要应用化学激励，由化学能转变为机械能；而由电激励方法，由电能转化为机械能的效率低，还很不成熟。采用改性的聚丙烯腈纤维，经220℃加热后在浓缩NaOH溶液中水解，可以得到具有两种特征的纤维。这种纤维从碱性到酸性的pH值激励，在无载荷下可以有70％量级的收缩比，时间常数为2s；直径30μm纤维的等轴力集度可以达到IMPa。这种胶体用于制作土木结构控制的驱动器还有待研究。3.2.5压电材料；如前所述，压电材料既可用作传感元件，又可用作驱动元件。压电陶瓷在沿材料极化方向的1MV／m的电场作用下，可产生0.1％的应变，在此应变下的弹性模量为70GPa左右，因此压电材料具有很大的储能能力，可以产生很大的外力。由于压电陶瓷应变小，通常采用多层叠加的方式制作压电陶瓷驱动器。虽然压电陶瓷已经在很多的领域应用，但它的小应变始终在一定程度上限制其作为驱动器件的应用，最近研制的大应变压电材料Rainbow(ReducedAndInternallyBiasedOxideWafer)在一定程度上解决了这一难题。它的变形能力要较压电陶瓷大得多，其最大位移可以达到自身长度的35％一50％，弹性模量约为1X105MPa。Rainbow的应用方式与应用领域基本和压电陶瓷类似，也可以叠加起来做成压电驱动器(Haertling,1997；Hooker，1997)．3、智能混凝土智能混凝土是智能化时代的产物,随着现代电子信息技术和材料科学的迅猛发展,促使社会及其各个组成部分,如交通系统、办公场所、居住社区等等向智能化方向发展。混凝土材料作为各项建筑的基础,其智能化的研究和开发自然成为人们关注的热点。它在对重大土木基础设施的应变的实量监测、损伤的无损评估、及时修复以及减轻台风、地震的冲击等诸多方面有很大的潜力，对确保建筑物的安全和长期的耐久性都极具重要性。而且在现代建筑向智能化发展的背景下，对传统的建筑材料研究、制造、缺陷预防和修复等都提出了强烈的挑战。智能混凝土材料作为建筑材料领域的高新技术，为传统建材的未来发展注入了新的内容和活力，也提供了全新的机遇。通过对其基础理论及其应用技术深入研究将使传统的混凝土材料发展步入科技创新轨道，使传统混凝土工业获得新的、突破性的飞跃。智能混凝土是在混凝土原有的组分基础上复合智能型组分,使混凝土材料具有自感知和记忆、自适应、自修复特性的多功能材料。按机敏材料与结构混凝土结合的状况，机敏材料可分为本征和非本征两大类。当机敏材料与结构混凝土具有相同的物理特征时，即为本征机敏材料(如碳纤维混凝土)，反之则为非本征机敏材料(如光纤、记忆合金、愈合管道等)。智能混凝土是智能材料的一个研究分支，其起源可追溯到本世纪60年代，当时苏联学者首先采用碳黑为导电组分尝试制备了水泥基导电复合材料。80年代末，日本土木工程界的研究人员设想并着手开发构筑高智能结构的所谓“对环境变化具有感知和控制功能”的智能建筑材料。1993年在国家自然科学基金资助下，美国开办了与土木建筑有关的智能材料与智能结构的工厂。然而，以目前的科技水平，制备完善的智能混凝土材料是相当困难的。国内外在机敏混凝土材料的研究方面作了一些有益的探讨,并取得了一些有价值的成果。智能结构体系最初起源于航空航天、机械和军工等领域，近年来，逐步渗入土木工程领域。在智能结构中，传感器和驱动器是系统实现感知和驱动功能的重要组元。而用于传感器和驱动器的材料被称作机敏材料。典型的机敏材料有压电材料、记忆合金、电流变体、磁流变体和光纤等。由于土木工程领域中的智能结构研究起步较晚，所使用的机敏材料一般是沿用其它领域已比较成熟的材料。由于土木工程领域中最主要的结构材料——混凝土材料与其它领域中常用的结构材料，如金属、塑料等的性能迥异，在变形特性、刚度和声阻抗等方面有本质差别。导致在其它领域适用的机敏材料在混凝土材料中却未必适用，可能存在非常明显的相容性问题，如声阻抗匹配问题、温致湿致变形协调性问题、界面粘结性问题等。在智能结构中，机敏材料与母体材料之间的相容性是一个关键问题，相容性好坏对机敏材料传感功能或驱动功能的发挥有决定性的作用。相容性不好，机敏材料的传感精度会大幅度降低，驱动力度会受到显著的削弱。例如，混凝土材料在各种内外因的作用下更易于变形，在环境温度和湿度发生变化时，混凝土会出现收缩和膨胀现象。因此当体积相对稳定的压电陶瓷机敏材料被埋入混凝土结构中时，如果发生温度或湿度的变化，将导致混凝土与机敏材料变形的不协调，从而使机敏材料产生虚假信号，影响传感精度，甚至会发生错误的监测情形。因此在发展土木工程领域的智能结构时，需要注意研发与土木工程领域主体结构材料——混凝土相容的机敏材料。采用水泥基材料作为机敏复合材料的基体，使复合材料的主体材料与混凝土母体材料具有最大程度的相似性，可以有效解决机敏材料与母体材料的相容性问题。4.1水泥基压敏材料如果采用水泥基材料作为压电机敏复合材料基体，可以使得机敏复合材料与混凝土结构材料之间具有良好的相容性。目前，水泥基压电复合机敏材料的研究刚刚起步。香港科技大学和同济大学混凝土材料研究国家重点实验室都在进行这方面的研究工作，并已取得一些具有积极意义的研究成果。如Li等人，采用压电陶瓷颗粒与硬化水泥砂浆复合，并采用常规的成型技术和极化方法成功制备了0-3型水泥基压电复合材料。研究证实，通过调节复合材料组分的比例，水泥基压电复合材料与混凝土之间可以具有优良的阻抗匹配关系。水泥基压电复合材料中PZT压电陶瓷含量可以低至30％（体积分数），仍具有明显的压电效应。因此，在复合材料中，水泥基体石英砂、纤维、硅粉和超塑化剂等组分可分配到70％的空间，通过调节多组分的比例，使水泥基压电复合材料与混凝土材料具有一致的变形行为。同理，水泥基压电复合材料与混凝土结构材料之间的界面粘结效果也会优于其它机敏材料。其极化电压远远小于聚合物基0-3压电复合材料，而压电性能却高于后者，并满足实用条件。Zhang等人制备了2-2连通方式的水泥基压电机敏复合材料，该材料的研究目的是用于混凝土结构中的自感知驱动器(selfsensingactuator)。虽然水泥基材料与压电陶瓷材料密度相差悬殊，通过调整水泥基材料的组分和比例，采用多种外加剂，可以准备出结构均匀致密的2-2型水泥基压电复合材料。其压电性能与聚合物基压电复合材料相类似，同时具有高的感知精度和强的驱动输出。研制2-2型的水泥基压电复合材料的价值在于为土木工程中的智能结构提供自感知驱动器。自感知驱动器的优点是可以降低结构的复杂性、提高结构的可靠性、降低结构的故障率。同时在自感知驱动器里可以实现感知功能和驱动功能的完美搭配，提高智能结构的效率。作为一种新型多功能复合材料，水泥基压电机敏复合材料在改造传统水泥基材料拓展其应用领域并促使其成为结构功能一体化材料的同时，对于推进各类土木工程结构向智能化方向发展方面也具有广泛的工程应用意义。它可以有效提高建筑结构的可靠性和耐久性，降低结构的故障率和维修量。例如在大跨桥梁、核电站、大型水坝和超高电视塔等重要建筑的一些关键的结构部位用水泥基压电机敏复合材料浇筑，对这些部位内部应力和应变分布情况进行在线监测，并同时产生驱动力，中和有害应力和应变，可以有效防范地震和大风等灾害构成的威胁。4.2损伤自诊断混凝土混凝土材料本身并不具备自感应功能，但在混凝土基材中复合部分导电相可使混凝土具备本征自感应功能。目前常用的导电组分可分３类：聚合物类、碳类和金属类，其中最常用的是碳类和金属类。碳类导电组分包括：石墨、碳纤维及碳黑，金属类材料则有金属微粉末、金属纤维、金属片、金属网等。美国的D.D.L.Chung等在1989年首先发现将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入混凝土材料中，可以使材料具有自感知内部应力、应变和损伤程度的功能。通过对材料的宏观行为和微观结构变化进行观测，发现水泥基复合材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的，如电阻率的可逆变化对应于可逆的弹性变形，而电阻率的不可逆变化对应于非弹性变形和断裂。而且这种复合材料可以敏感有效地监测拉、弯、压等工况及静态和动态荷载作用下材料的内部情况。当在水泥净浆中掺加０.５%（体积）的碳纤维时，它作为应变传感器的灵敏度可达700,远远高于一般的电阻应变计的敏感度（约为2）。在疲劳试验中还发现，无论是在拉伸或是压缩状态下，碳纤维混凝土材料的体积电导率会随疲劳次数发生不可逆的降低。因此，可以应用这一现象对混凝土材料的疲劳损伤进行监测。4.3温度自监控混凝土含有碳纤维的混凝土还会产生热电效应（Seebeck效应）。碳纤维混凝土内部存在温度场时，会导致电场产生，且其冷端为负极，热端为正极。试验表明，在最高为70℃，最大温差为50℃的范围内，温差电动势E与温差ΔT之间具有良好稳定的线性关系。碳纤维混凝土的热电效应可以应用于监测结构体系的温度分布特征。在普通硅酸盐水泥中加入碳纤维，其温差电动势率可达18uv／℃，相当于铜／康铜热电偶温差电动势率的1／20，可对混凝土结构内部或构筑物环境的温度分布进行监控。4.4具有电热效应的混凝土北方寒冷地区公路路面、铁路站台、机场跑道为了防止结冰或除冰往往铺撒大量的盐，致使钢筋锈蚀加剧，造成了巨大的经济损失。在混凝土中掺加碳墨、碳纤维、钢纤维，钛丝网等具有导电功能的组分可使混凝土具有导电功能，通过热电效应，使除冰工作简便易行，因此可利用它建造公路路面、铁路站台、机场跑道。此外，采用导电混凝土还可对其中的钢筋实行阴极保护，避免钢筋锈蚀．导电混凝土又可用于设备接地，防静电等。导电混凝土可以通过添加石墨、碳黑等导电骨料来实现，但由于导电骨料的吸水率较高，为了保持混凝土的可施工性，必须增大混凝土的水灰比，因此传统导电混凝土的强度比较低，一般低于25Mpa。碳纤维混凝土也具有在电场作用下发热的特性，而添加碳纤维的混凝土不仅电导率较小，而且其力学性能也比较优良，因此以碳纤维为基础的导电混凝土具有良好的应用前景。研究表明，碳纤维混凝土在-18℃融化2mm的冰平均能耗仅为0.885kW.h／m2。4.5屏蔽电磁辐射功能随着电子信息时代的到来，各种电器电子设备（广播通信设备、家用电器、电子测量仪器、加热设备、医疗设备等）的数量迅速增长，导致电磁泄漏问题越来越严重，而且电磁泄漏场的频率分布极宽，从超低频(ELF)到毫米波，它可能干扰通信、导航，甚至危害人体健康。因此电磁污染也是一种灾害。此外，使馆、军事基地等保密机关及银行和商业部门的计算机数据有可能通过无线电波而泄漏出去。在混凝土中加入碳纤维、铁氧体等功能性组分可使混凝土具有屏蔽电磁辐射的功能。例如：厚度仅为几个毫米的碳纤维水泥石就具有非常优良的电磁屏蔽特性。由于碳纤维混凝土还具有自感知的功能，因此基于碳纤维混凝土的电磁屏蔽技术具有非常良好的应用前景。4.6屏蔽磁场功能地下电力传输线和电力设施如变压器、开关等产生磁场，足以影响人们的健康，已引起一些卫生组织的注意，要求路面和某些建筑物等具有屏蔽磁场的功能。在混凝土中掺加5％(体积分数)的钢质曲别针后，由于曲别针具有相互连接的倾向，足以形成屏蔽磁场所需要的由曲别针连接的网，可以使混凝土具有与钢丝网相媲美的屏蔽磁场的功能，同时它不会降低混凝土的抗压强度。4.7具有反射电磁波功能的混凝土在智能化交通系统中，汽车行驶由电脑控制。通过对高速公路上的标记识别，电脑系统可以确定汽车的行驶线路、速度等参数，例如，在车道两侧安装磁性标记，由汽车上的磁感传感器识别，控制汽车的行驶线路，但是这项技术非常昂贵，不易实现。如果在混凝土中加入直径为0.1um的碳纤维微丝，可使混凝土具有反射电磁波的性能。碳纤维掺量为0.5％(体积分数)的混凝土对1GHz电磁波的反射强度高于透射强度29dB，而普通混凝土的反射强度低于透射强度3—11dB。采用这种混凝土作为车道两侧的导航标记，可实现自动化高速公路的导航：由汽车上的电磁波发射器向车道两侧的导航标记发射电磁波，经过反射，再由汽车上的电磁波接收器接收，以判断并控制汽车的行驶线路。这项技术成本低，混凝土力学性能好，可靠性、准确性高，耐久性好。此外，通过标定这种自感应混凝土，研究人员能决定阻抗和载重之间的关系，由此可确定以自感应混凝土做的公路上车辆的方位、重量和速度等参数，为交通管理的智能化提供了材料基础。4.8调湿性混凝土在混凝土中加入调湿性组分——沸石(zeolite)可以制成调湿性混凝土。从经济上考虑，一般采用天然沸石作为调湿组分。天然沸石有40余种，在地球上存在着高品质的天然沸石矿。天然沸石矿物是具有结晶水的钙硅酸盐，其内部含有0.3—0.9nm的孔隙，这些孔隙对水分以及NOX。和SOX气体有选择性吸附的性质。采用天然沸石制成的调湿性混凝土的特点是：优先吸附水分；水蒸气压力低的地方，其吸湿容量大；吸放湿与温度相关，温度上升时放湿，温度下降时吸湿。调湿性混凝土比较适用于对湿度控制要求较高的美术馆之类的建筑物。如世界首例使用沸石板的工程是1991年日本月黑雅叙园美术馆内壁，此后还曾用于成天山书法美术馆、东京摄影美术馆等。4.9自愈合混凝土自修复混凝土是模仿动物的骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理,采用粘接材料和基材相复合的方法,对材料损伤破坏具有自行愈合和再生功能,恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。日本学者将内含粘接剂的空心胶囊掺入混凝土材料中,一旦混凝土材料在外力作用下发生开裂，空心胶囊就会破裂而释放粘结剂，粘结剂流向开裂处，使之重新粘结起来，起到愈伤的效果。美国伊利诺伊斯大学的CarolynDry在1994年采用类似的方法,所不同的是以玻璃空心纤维替代空心胶囊，其内注入缩醛高分子溶液作为粘接剂。在此基础上,CarolynDry还根据动物骨骼的结构和形成机理,尝试制备仿生混凝土材料。其基本原理是采用磷酸钙水泥(含有单聚物)为基体材料,其中加入多孔的编织纤维网,在水泥水化和硬化过程中，多孔纤维释放出聚合反应引发剂,与单聚物聚合成高聚物,聚合反应留下的水分参与水泥水化。因此,在纤维网的表面形成大量有机及无机物质,它们互相穿插粘结，最终形成的复合材料是与动物骨骼结构相似的无机有机相结合的复合材料，具有优异的强度及延性等性能。而且,在材料使用过程中,如果发生损伤,多孔有机纤维会释放高聚物，愈合损伤。4.10自调节混凝土混凝土结构除了正常负荷外，人们还希望它在受台风、地震等自然灾害期间，能够调整承载能力和减缓结构振动。混凝土本身是惰性材料，要达到自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料。90年代初,日本建设省建筑研究所曾与美国国家科学基金会合作研制了具有调整建筑结构承载能力的自调节混凝土材料。其基本方法是在混凝土中埋入形状记忆合金。利用形状记忆合金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载干扰下，通过记忆合金形状的变化，使混凝土内部应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能力。近年来，同济大学混凝土材料研究国家重点实验室也曾尝试在混凝土中复合电流变流(一种在外界电场作用下可产生粘性、塑性和弹性等流变性能双向变化的悬胶液)来研制自调节混凝土材料。利用电粘性流体的电—流变效应，在混凝土结构受地震或台风袭击时调整其内部的流变特性，改变结构的自振频率和阻尼特性以达到减振的目的。5智能材料—结构系统在土木工程中的应用目前智能材料—结构的主要应用对象是质量较轻和价格较贵的复合材料结构及汽车、航空航天飞行器等。那么，它在土木工程中的应用前景如何呢?考虑到土木工程结构体形大、结构材料粗糙(如混凝土)和结构荷载巨大，因此智能材料—结构系统在土木工程中的应用方式显然有别于一般的复合材料结构。目前智能材料—结构在土木工程中的应用途径主要有以下两个方面：具有自诊断和自适应功能的机敏混凝土结构；具有感觉和自我调节功能的智能减振结构。5.1具有自诊断和自适应功能的机敏混凝土结构将机敏材料融合到混凝土中，可使混凝土构件具有自诊断、自增强、自我调节和自愈合的功能。按机敏材料与结构混凝土结合的状况，机敏材料可分为本征和非本征两大类。当机敏材料与结构混凝土具有相同的物理特征时，即为本征机敏材料（如碳纤维混凝土），反之则为非本征机敏材料（如光纤、记忆合金、愈合管道等）。根据机敏混凝土结构自诊断、自适应功能目标的不同，它大概可分为：具有裂缝自诊断和主动控制功能的机敏混凝土结构；具有裂缝自愈合功能的机敏混凝土结构；具有应力状态自诊断功能的压敏混凝土结构；具有温度分布自诊断和自调节功能的温敏混凝土结构；具有结构变形自监测和自适应功能的机敏混凝土结构；具有钢索应力自监测功能的机敏钢索结构。5.1.1自诊断光纤机敏混凝土结构的工作原理用光纤材料制作机敏混凝土结构是将光纤直接埋人混凝土结构中。这样，当结构因受力和温度变化产生变形或裂缝时，就会引起埋置其中的光纤产生变形，从而导致通过光纤的光在强度、相位、波长及偏振等方面发生变化。由于光纤传感器就制作在光纤上或直接利用光纤本身，因此通过它就可获取的光的变化信息，从而可确定结构的应力、变形或裂缝，实现结构应力、变形和裂纹的自监测和自诊断。由于光纤感知可实现分布式监测，即在混凝土结构中布设光纤网络，就可以监测结构各部位的应力和变形。即使是结构上随机发生的裂缝，只要与光纤网络相交，就可通过光时域反射仪(OTDR)对光纤中后反射光的信息进行分析，从而对裂缝定位。这充分说明，光纤机敏混凝土结构是一种具有强大自监测和自诊断功能的智能结构。5.1.2自诊断光纤机敏混凝土结构的工程应用1)混凝土养护中温度及应力的自监测大体积混凝土养护过程中将有大量的热量释放，从而在混凝土中产生温度应力和温度裂缝。为防止温度裂缝的发生，可通过埋置于混凝土中的光纤温度感知器监测混凝土内部温度，为养护过程中控制冷却速率提供依据。这已在日本输水隧洞施工的混凝土养护中得到应用。2)混凝土结构裂缝的自监测和自诊断混凝土结构的裂缝可分为由应力引起的结构裂缝和由温度引起的温度裂缝。前者危及结构的安全，后者影响结构的使用。因此，及时发现和处理混凝土结构中的裂缝尤为重要。裂缝的发生可以用埋设在混凝土中光纤光强的变化监测，而裂缝的定位可用多模光纤在裂缝处光强的突然下降或OTDR诊断完成。图10—10为采用OTDR的混凝土裂缝光纤感知布置的示意图和衰减曲线。由图可见，通过衰减曲线上的裂缝损耗突变点，可以准确地确定裂缝的位置。目前通过光纤机敏混凝土实现对混凝土结构裂缝的监测已用于美国Schiessbergstrasse大桥的桥面监测。3)混凝土结构应力、应变和变形的自监测对于大型的混凝土结构，监测应力应变状态是重要的，因为这将有助于掌握大型结构中主要结构构件的工作状态及混凝土中温度和蠕变的影响。这已在Schiessbergstrasse桥上用埋入桥墩上部及桥面跨中受拉区的光纤感知器得到实现。此外，由于混凝土坝和堆石坝等大体积混凝土结构有着非常高的安全要求，因此对它的变形监测十分重要。目前人们已研究了多种光纤变形感知器，可实现重力坝横缝的三向位移监测，并已在德国的Schmalwaasser混凝土芯墙坝上应用。4)与混凝土结构配合的钢索应力和变形的自监测若将光纤预制在树脂或其他纤维内，形成杆状结构，然后再用钢索束绕在一起，那么此光纤就可实现对钢索应力和变形的自监测。它可用于预应力锚索承载力的自监测，以诊断锚索是否会失效或破坏。目前，它已应用在三峡工程之中。它还可应用于斜拉桥和悬索桥的应力和变形的自监测等。由于光纤优越的性能，可以附着或埋置于大体积素混凝土或钢筋混凝土构件中，因此是目前土木工程中最有应用前景的传感元件之一。最早提出将光纤传感器应用于混凝土结构监测的是Mendez等人(1989)随后美国、加拿大、日本和欧洲的几个研究小组相继做了一些将光纤传感器埋置或附着在混凝土中的试验，并且建成了一些埋置光纤传感器的试点建筑。特别是Fuhr等人(1994)领导的小组，将光纤传感器埋置在高速公路、普通及铁路桥梁、水坝和一栋5层建筑中；Hal：el和Hofmann(1994)将F-P型光纤传感器设置在柏林的一座已经有裂缝的桥梁中，用来监测由于车辆通过时引起的振动及变形状况；蔡得所(1998)完成了三峡工程古洞口混凝上面板堆石坝的面板裂缝监测和船闸裂缝监测的分布式斜交光纤传感技术现场实验；Fuhr和他的同事在一个新建的65000ft2的大学建筑内，埋置了约2．5英里的单模和双模光纤传感器，用来测试振动、风压，荷载、徐变以及裂缝扩展、温度等结构健康状态参数。由于光纤传感器测量的量是光的强度、相位滞后、波长或光的干涉条纹改变等，因此它对土木结构反应过于敏感，测量范围还应适当放宽；光纤传感器记录不同原因造成的结构状态变化的综合，但很难将某一种原因引起的变化分离出来；对于很大应力和应变的结构，光纤的使用还受到限制；埋置在混凝土中的光纤传感器的耐久性还需进一步研究。Feng等人(1994)在开发新型的适用于基础建筑结构的光纤传感器方面做了一些工作。5.1.3碳纤维混凝土的基本特性碳纤维混凝土（CarbonFiberReinforcedConcrete，简称CFRC）是在普通混凝土中分散均匀地加入碳纤维而构成的，具有压敏性和温敏性。在混凝土中掺入一定的碳纤维可以制成损伤自诊断混凝土。损伤自诊断混凝土本身就是传感器，无需外接传感器和布线，即可对混凝土内部在拉、压静荷载和动荷载等外因作用下的弹性变形和塑性变形以及开裂自行诊断。其可逆的电阻率变化对应弹性变形，不可逆的电阻率变化对应非弹性变形和断裂。这种混凝土可对建筑结构进行健康监测，如对保密室或金库的墙面混凝土结构破坏时的预警，以及对高层建筑水平地板在大风和地震产生摇动时的极大应力监测等。损伤自诊断混凝土的特点是：(1)可测量的应变范围大；(2)敏感度非常高。例如，通过对碳纤维作臭氧处理，掺量为0.5％(体积分数)的碳纤维水泥净浆作为传感器的敏感度最高可达700，远远高于一般的电阻应变计的敏感度(约为2)；(3)可以实时监控动态荷载和疲劳荷载对建筑物造成的损伤。由于碳纤维是导电的，因此由碳纤维和碳纤维之间未水化的水泥颗粒、水化产物、裂纹等阻隔所形成的势垒构成了具有一定电阻的导电网络。随着压应力的变化，碳纤维混凝土的电阻率也会变化，这就是碳纤维混凝土的压敏性。通过试验可以建立图10—11所示的碳纤维混凝土压应力和电阻率的关系曲线。从图中可见，此关系曲线基本可分为三段。当压应力较小时，AB段显示电阻率随压应力的增加而减小，这是由于混凝土内原有裂纹在压应力下闭合，纤维间势垒变窄所致。此时混凝土材料处在正常工作范围。在BC段，随着压应力的增大，一方面混凝土中开始产生损伤和新的裂纹，另一方面原有裂纹还在闭合之中，它们处于一种动态平衡。因此，此阶段电阻率基本没有变化，但混凝土材料巳开始出现损伤。而在CD段，随着压应力的增大，混凝土的损伤和新的裂纹加剧，碳纤维混凝土的电阻率迅速增大。碳纤维混凝土的另一个重要特性是温敏性。当碳纤维混凝土试块两端存在温差时，会在此两端产生电位差，其冷端为负极，热端为正极，即所谓的热电效应。当对碳纤维混凝土施加电场时，会在混凝土中产生热效应，引起所谓的电热效应。这两者都是由于碳纤维混凝土中空穴性电导的运动所致。利用这种物性就可以检测到混凝土结构中的损伤。5.1.4自诊断碳纤维压敏混凝土结构根据碳纤维混凝土压应力一电阻率的关系曲线可知，通过电阻率的变化可以测定碳纤维混凝土处于安全、损伤和破坏三个工作阶段的哪一段。通过测试碳纤维混凝土电阻率的变化并与计算机相联，可直接反映其所在结构部分混凝土所处的工作状态，实现结构工作状态的在线监测。当结构内的应力接近损伤区或破坏区时可自动报警。这就是具有自诊断功能的碳纤维压敏混凝土结构，可以应用于大坝、桥梁及重要的建筑结构。它已在长江三峡工地的围堰上应用，并取得较好的效果。5.1.5自诊断和自适应碳纤维温敏混凝土结构由于碳纤维混凝土具有热敏性，因此把它“植入”混凝土结构时，既可对混凝土结构进行温度分布自诊断，又可根据诊断结果实现混凝土结构的温度自适应。图10—12是碳纤维混凝土温度自诊断、自适应试验系统。当此系统启动时，碳纤维混凝土执行器的温度由输出的电压信号经A／D转换器输入到单片机进行信息处理，并判断是否达到控制温度。再由此自适应决定是启动还是关闭碳纤维混凝土执行器两端的电源，以使其温度保持定值。在国外，自诊断自适应碳纤维温敏混凝土已被应用于机场道路及桥梁路面的自适应融雪和融冰上，取得了很好的效果。而且除了自感应功能外，这种混凝土材料还可应用于工业防静电结构、公路路面、机场跑道等处化雪除冰、钢筋混凝土结构中钢筋的阴极保护、住宅及养殖场的电热结构等。此外，采用高铝水泥和石墨、碳纤维等耐高温导电组分可以制备出耐高温的混凝土材料，用作新型发热源。5.1.5自修复材料与损伤应急控制措施土木工程结构的损伤修复包括局部损伤的自修复与重大损伤的报警与应急控制，结构局部损伤的自修复功能主要是钢或钢筋混凝土构件、节点的裂缝修复。在钢结构关键构件和节点材料微孔内预埋裂缝扩展时能发生相变的物质或能促进氧化过程的物质。例如在钼钢中分散——些二氧化锆微粒，当材料内部裂缝扩展时，二氧化铅粒子发生相变，从而缓解裂缝尖端的应力集中，阻止损伤的发展，相当于对材料进行了补强修复。对于钢筋混凝土结构的关键构件和节点，可以埋置坡璃纤维和“自愈”聚丙烯纤维迂回穿插于混凝土中，当混凝土开裂时会撕扯这种“自愈”纤维，使其释放出能充填裂缝的混合物进行修复；或预埋能释放出缓蚀剂抑制钢筋的腐蚀。根据人体伤口由“破裂一流血一凝结一愈合”的过程可知，若在混凝土中沿受拉方向分层布置一些注入缩聚高分子溶液的玻璃纤维管(图10—13)，那么当混凝土受拉开裂时，这些玻璃纤维管道也会破裂，其中的溶液流至裂缝处硬结，从而实现混凝土裂缝的自愈合。粘结剂可分3种：（1）刚度较小的粘结剂，其作用是吸振，以减轻地震、大风对建筑物的破坏；（2）刚度大的粘结剂，用于恢复结构的刚度和强度；（3）固化时间合适的粘结剂，用于控制结构的变形。根据已做的试验可知，玻璃纤维管中的内压力对于混凝土结构裂缝自愈合的质量是十分重要的。当管内压力加大到0.23MPa时，纤维管便破裂，其中的修复剂就迅速流到裂缝破损处，使95％以上的裂缝都能得到粘合。结构的损伤也可以通过在结构中预埋感知元件和驱动装置控制损伤发展，恢复结构的使用功能。但是，土木工程结构的使用期通常长达几十年、甚至上百年，利用预埋的驱动装置长期控制损伤，保持结构的使用功能是需要研究的难题。对于结构的重大损伤，预埋感知元件发出警报并使驱动装置应急地控制损伤，然后施行永久性的修复，是一条可以实现的途径。由于电流变体可在通入很小的电流后几微秒时间内固化，因而它在要求自动回复或修补的自适应结构中有极其重要的作用。北卡罗林纳大学的Conrad等人正在研究用电流变体充注的智能板梁结构。当板梁振动时，用传感器探头探测振动信号，并输送给计算机，由计算机根据振动情况对梁施加电压，使液体固化，从而使板梁更加强韧。振动减弱后，电压消除，电流变体恢复液态，梁又变得很有柔性。可以设想，如将微型传感元件、微型计算机芯片、形状记忆合金、电流变体及压电材料等经设计后复合在结构体中，就有可能研制出带有感知及判断能力，可自动加固及防护的自适应性智能结构。这样结构的桥梁或一些重要建筑物的支撑体遭受到突然冲击(如地震)时，能防止灾难性事故。5.2具有感觉和自我调节功能的智能减振结构这类结构由可调参数智能结构构件和普通结构构件组合而成。它是以普通动力感知器作为结构振动状态的“感觉神经”，由智能材料调节器根据感觉神经测得的结构振动状态自我调节智能结构构件的参数来实现减小整个结构振动。因此，从根本上说，它与普通的半主动控制结构是一样的，只是在调节参数的手段上采用了智能材料。由于智能材料调节器是通过改变外加电场或磁场的强度调整材料状态从而调整结构参数的，因此它的变化速率要大大快于常规半主动控制中使用的电磁阀装置。这就使得智能减振结构几乎没有时滞，控制的品质大大优于常规的半主动控制结构，这也就是智能减振结构具有旺盛生命力的原因所在。应该看到，由于土木工程结构所具有的结构庞大、结构材料粗糙和承载巨大等特点及目前智能材料功能的不完善，因此要在土木工程结构中实现智能主动控制振动还是困难的。但是，利用某些智能材料的特殊功能是可以制作性能优良的被动控制装置的。5.2.1电／磁流变液(ER／MR)智能减振5.2.1.1电流变液智能半主动控制结构的工作原理根据电流变液的特性可知，它可用于工程结构风振和地震反应的减振控制。但是它不能做主动控制的驱动器，因为电流变液尽管可连续“变硬”和“变软”，且有很快的速率，但是“变硬”的程度十分有限。根据已有的试验结果可知，它可达到的最大屈服剪应力一般不会超过6kPa，因而无法减小土木工程结构振动的主动控制力。惟一可以做的是将它制作成可调整结构构件参数的智能调节器，通过调整结构构件参数实现对结构振动的半主动控制，减小结构的振动反应。ER智能调节器实际上是由电流变阀控制的可调阻尼器。按照电流变阀类型的不同，可将ER智能调节器分为两类，即运动电流变阀调节器和固定电流变阀调节器，详见图10—15所示。由图中可见，调节器中的活塞只有克服了阀中电流变液的屈服剪应力，使其产生塑性流动，才能在缸体中运动。因此，只要调整电流变阀中的电场强度，就可调整调节器中活塞运动阻尼力的大小，从而使调节器参数可调。根据电流变液剪应力和剪切速率的关系，可以导得ER智能调节器的阻尼力和活塞一缸体相对速度的关系。它也可近似用粘滞阻尼力和库仑阻尼力之和表示，其中粘滞系数Cd将不随电流变阀中电场强度的变化而变化，库仑阻尼力幅值Fa可通过调整电流变阀中电场强度来改变。ER智能可调参数结构构件一般是由ER智能调节器和结构构件组成（如框架结构所用的ER支撑就由ER调节器和支撑组成，桁架结构所用的ER杆件就由杆件串联ER调节器组成），因此根据ER智能可调参数结构构件在整个结构中所起的作用不同可将它分为两大类。第一类是仅作为减小结构振动反应的可调参数结构构件，它的力学模型见图10—16(a)。第二类是既作结构的受力构件，又作为减小结构振动反应的可调参数结构构件，它的力学模型见图10—16(b)。其中Cd＼Fd(t)为ER智能调节器的粘滞阻尼系数和可调库仑阻尼力，K1和K2分别是ER智能可调参数结构构件受力部分的刚度系数和调整参数部分与ER调节器串联的刚度系数。ER智能半主动控制结构由ER智能可调参数结构构件和普通结构构件组成。它根据结构的瞬时振动反应，依一定的控制策略去调整ER智能结构构件的瞬时参数，实现减小结构振动反应的目标。显然，控制策略是最关键的因素。根据已有的研究，这些策略可归结为：(1)使ER智能减振结构体系中任意瞬时都耗能，且能耗尽量大；(2)使ER智能减振结构体系中的耗能能力等效于具有较合适粘滞阻尼系数的结构体系；(3)使ER智能可调参数结构构件始终起到阻碍主体结构振动的作用；(4)使ER智能减振结构体系的减振效果始终向最优主动控制的效果靠拢。5.2.1.2电流变液智能半主动控制结构的应用实例为了了解ER智能半主动控制结构的减振效果，瞿伟廉等人对一个设置ER智能可调参数支撑的三层框架结构在最大加速度为4m/s2的EL—CENTRO水平地震干扰下的地震反应进行了分析。分析结果表明，ER智能半主动控制结构使原框架最大基底剪力减小了44.17％，减小量是ER耗能被动控制结构的1.7倍，效果十分显著。同时，还对一个设置ER智能构件跨度为12m的钢桁架结构进行了EL—CENTRO垂直地震干扰下的地震反应分析，其最大峰值加速度为1m／s2。结果表明，ER智能半主动控制结构主要受力杆件的最大地震轴力减小了22.4％，减小量是ER耗能被动控制结构的1.5倍，效果也十分显著。5.2.1.3磁流变液(MR)智能减振结构磁流变液也是一种可控流体。它是用不导电(或导电)的母液和均匀散布其中的磁性固体颗粒(多数用无机非金属材料)制成的悬浮液。在磁场的作用下，磁流变液中的固体磁性颗粒会形成一束束纤维状的链，横架于两个磁极之间。这样，对于平行于磁场的剪切力而言，在磁场作用下磁流变液能从流动性良好的具有一定粘滞度的牛顿流体转变为具有相当屈服剪应力的粘塑性体，即流体发生“固化”。这种特性就称为磁流变效应。据此可知，磁流变效应与电流变效应几乎是一样的，惟一的差别是，电流变效应是由电场引起，而磁流变效应是由磁场引起。MR优于ER的主要特性是最大屈服剪应力高和适用温度范围宽。而MR劣于ER流体的主要特性是逆向反应速度慢(由于磁滞现象所致)和稳定性差。由上可知，MR逆向(指磁场强度减小的方向)反应速率较慢，无法跟上工程结构地震和风振反应这种瞬息变化的过程，因此无法对结构实现半主动控制。但是，MR的最大屈服剪应力比ER高得多，因此可将其制成性能优良的智能耗能阻尼器。并且由于MR的适用温度范围几乎覆盖了一年四季地表的气温，因此它还可以在野外使用，为MR智能被动控制结构提供了更广阔的应用范围。MR的剪应力和剪切速率的关系也可用Bingham模型描述。因此，对于图10—17所示的MR耗能阻尼器，阻尼力与活塞一缸体相对速度的关系也具有与ER智能调节器相似的形式，只是在使用过程中库仑阻尼力的幅值是不变的。因此，当把MR阻尼器用于工程结构风振或地震反应的被动控制时，可用常规的被动控制的设计方法设计MR智能被动控制结构。在石墨-树脂空心悬臂梁内填人电流变液，加上电压时梁的阻尼增大，振动受到抑制，因此电流变液用于飞行器机翼和直升机转子等时可抑制振动。利用其粘度的变化，可调节结构的刚度，从而改变振动的固有频率，达到减振的目的。5.2.2形状记忆合金机敏混凝土结构和智能减振结构结构振动控制可以从两个方面利用形状记忆合金的特性。其一是利用其超弹性记忆效应——高应变循环下的滞回曲线，形状记忆合金丝本身就可以作为阻尼耗能元件。Aiken等人（1993）在这方面做了很好的试验，他们将形状记忆合金丝象拉素一样设置在三层钢框架模型的层间，研究了合金丝有无预应力情况下对结构地震反应的控制效果。其二是利用其温度形状记忆效应，将形状记忆合金制作为温度调节的主动控制驱动装置.刘群和何思龙(1998)在这方面对单层结构模型的振动控制作了初步探讨。形状记忆合金（SMA）机敏混凝土结构和智能被动控制结构形状记忆合金（SMA）是一种有特殊功能的金属材料。形状记忆合金与普通金属在力学性能上最大的区别是：在应力场中,它存在应力马氏体相变。当应变不超过一定的限值（一般为6%～8%）时，它是通过材料晶体结构的改变（相变）来改变材料的