智能材料與結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用

智能材料與結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用1、前言智能材料與結(jié)構(gòu)是應(yīng)對軍事和航空航天領(lǐng)域的需求而發(fā)展起來的。在20世紀70—80年代，人們開始對大型空間結(jié)構(gòu)、飛機機翼和艦艇等結(jié)構(gòu)的振動和形狀主動控制進行研究，監(jiān)測結(jié)構(gòu)的即時狀態(tài)，逐漸發(fā)展出一門多學(xué)科交叉的新興學(xué)科。近年來，智能材料與結(jié)構(gòu)漸漸滲入土木工程領(lǐng)域中。80年代中期，航空航天需求驅(qū)動了智能材料與結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展。1988年4月28日波音737客機在美國出現(xiàn)災(zāi)難性斷裂事故，使美國國會意識到，為避免服役中的飛機發(fā)生類似事故，飛機應(yīng)有自我診斷和及時預(yù)報系統(tǒng)，并通過議案，要求3年內(nèi)完成Smart飛機的概念設(shè)計。近年來，高速、重載飛行器的發(fā)展要求以及大型工程機構(gòu)的安全和質(zhì)量問題引起了各國政府、工程技術(shù)界的廣泛關(guān)注。概括起來，關(guān)注的主要領(lǐng)域有：飛行器機翼的疲勞斷裂監(jiān)測及形狀自適應(yīng)控制，湍流控制的智能蒙皮；大型柔性空間機構(gòu)的阻尼振動控制；橋梁、建筑等振動的主動控制以及風(fēng)災(zāi)和地震時的自適應(yīng)控制；機構(gòu)健康監(jiān)測、土建施工中的質(zhì)量檢測；火警探測及控制；管道系統(tǒng)的腐蝕和沖蝕探測，高寂靜產(chǎn)品的噪聲控制，空氣質(zhì)量、溫度控制及減振降噪，能量的最佳利用，在用系統(tǒng)性能的評估和殘留壽命的預(yù)測，機器人的人工四肢等。1.1、大型土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施“健康”監(jiān)測與控制的需要土木工程領(lǐng)域的眾多大型土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施，如大跨橋梁、高聳建筑、大跨空間結(jié)構(gòu)、大型水壩、核建筑和海洋采油平臺以及輸油、供水、供氣等管網(wǎng)系統(tǒng)等，規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它們的使用期都長達幾十年、甚至上百年．在其服役過程中，由于環(huán)境載荷作用，疲勞效應(yīng)，腐蝕效應(yīng)和材料老化等不利因素的影響，結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生損傷積累、抗力衰減，甚至導(dǎo)致突發(fā)事故。一旦失效，后果是災(zāi)難性的。對它們的安全性和耐久性的要求遠高于一般性建筑結(jié)構(gòu)。因此，采用智能材料與結(jié)構(gòu)，對重大土木工程建筑實施在線健康監(jiān)測，實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的裂縫、損傷、疲勞、缺陷、腐蝕等狀態(tài)；并自動調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的分布和結(jié)構(gòu)的外形和位置、改變結(jié)構(gòu)的特性（結(jié)構(gòu)阻尼、固有頻率等，對其振動、損傷和形狀進行主動控制，即使材料和結(jié)構(gòu)具有自感知、自判斷．自適應(yīng)、自恢復(fù)等智能行為具有重要意義。目前已建成使用的許多結(jié)構(gòu)和設(shè)施急需采用有效的手段監(jiān)測和評定其安全狀況，修復(fù)和控制損傷；新建的結(jié)構(gòu)和設(shè)施總結(jié)以往的經(jīng)驗和教訓(xùn)，也已開始增設(shè)長期的“健康”監(jiān)測系統(tǒng)及振動與損傷控制系統(tǒng)。1.2、驗證設(shè)計假定建筑結(jié)構(gòu)形式越來越多樣化、復(fù)雜化。結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論一般是根據(jù)一定的假設(shè)提出的簡化模型做出的。這些實際理論是否符合實際情況，需要進行驗證。美國80年代中后期開始在多座橋梁上布設(shè)監(jiān)測傳感器，用以驗證設(shè)計假定，監(jiān)視施工質(zhì)量和服役安全狀態(tài)，例如，佛羅里達州的SunshineSkywayBridge橋上安裝了500多個傳感器；英國80年代后期開始研制和安裝大型橋梁的監(jiān)測儀器和設(shè)備，并調(diào)查和比較了多種長期監(jiān)測系統(tǒng)的方案；我國香港的LnntauFixedCrossing大橋，青馬大橋以及內(nèi)陸的虎門橋和江陰長江大橋也都在施工期間裝設(shè)了傳感裝置，用以監(jiān)測建成后的服役安全狀態(tài)；渤海石油公司為了確保海洋采油平臺的服役安全，對海冰條件和平臺狀態(tài)進行了長達10余年的監(jiān)測；采用分布式斜交光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)完成了三峽工程古洞口混凝上面板堆石壩的面板裂縫和臨時船閘的大體積混凝土裂縫的現(xiàn)場實驗。土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施體積大，跨度長，分布面積大、使用期限長，傳統(tǒng)的傳感設(shè)備組成的長期監(jiān)測系統(tǒng)性能穩(wěn)定性和耐久性都不能很好地滿足工程實際的需要。近年來發(fā)展起來的高性能、大規(guī)模分布式智能傳感元件為土木工程智能監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。1.3、振動控制建筑結(jié)構(gòu)可能遭受地震、臺風(fēng)等動荷載的破壞作用，為了保證建筑的安全荷使用舒適，需要采取振動控制措施。土木工程結(jié)構(gòu)的振動控制研究和應(yīng)用已有近30年的歷史，大體上可以分為三個方面：隔震、耗能(阻尼)減振和主動控制。隔震橋梁和建筑已在國內(nèi)外建成了數(shù)百棟，是結(jié)構(gòu)抗地震作用的一種有效途徑，已經(jīng)受地震的考驗。耗能減振是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼耗能元件和吸振系統(tǒng)，耗散結(jié)構(gòu)振動的能量，從而減輕結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)，抗地震作用的有效途徑。例如，美國紐約的世界貿(mào)易大樓設(shè)置了10000個粘彈性耗能元件，有效地控制了結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)；我國近期完成的沈陽市政府大樓，北京飯店和北京火車站的抗震力口固分別設(shè)置了摩擦型和粘滯型阻尼元件，有效地提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力。直接將能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂屏Φ闹鲃涌刂圃谕聊竟こ讨械膽?yīng)用遇到了很大的困難——需要很大的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂屏?，人們不得不轉(zhuǎn)向AMD、變剛度和變阻尼等機械調(diào)節(jié)式半主動控制裝置。智能驅(qū)動材料的發(fā)展為土木工程結(jié)構(gòu)的振動控制開辟了新的天地。例如，美國Lord公司已經(jīng)研制出能耗22W、最大出力達20t的磁流變減振驅(qū)動器，這種裝置固定磁場強度可以用作阻尼減振裝置，調(diào)節(jié)磁場強度可以用作主動控制的驅(qū)動裝置。2、智能材料與結(jié)構(gòu)概述20世紀50年代，人們提出了智能結(jié)構(gòu)，當時把它稱為自適應(yīng)系統(tǒng)(adaptivesystem)。在智能結(jié)構(gòu)發(fā)展過程中，人們越來越認識到智能結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)離不開智能材料的研究和開發(fā)。20世紀80年代中期，人們提出了智能材料的概念。智能材料要求材料體系集感知、驅(qū)動和信息處理于一體，形成類似生物材料那樣的具有智能屬性的材料，具備自感知、自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等功能。2.1智能材料的內(nèi)涵近年來，隨著信息、材料及工程科技的發(fā)展，對于如何建立智能材料與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，科學(xué)家和工程師從自然界和生物體進化的學(xué)習(xí)和思考中受到啟發(fā)，可以用圖1—2來對比生物體和智能系統(tǒng)。感知器(神經(jīng)元)，即俗稱的傳感器，可以用感知材料制得。它能對外界或內(nèi)部的刺激強度(如應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、化學(xué)和輻射等)具有感知功能。執(zhí)行器(肌肉)，用執(zhí)行材料制得。它能在外界環(huán)境條件或內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化時作出響應(yīng)。信息處理(大腦)，可以用信息材料通過微電子技術(shù)制得。人們力圖借鑒生物體的功能特征從根本上解決工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全監(jiān)控問題，從而提出了智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)(IntelligentMaterialSystemsandStructure，簡稱IMSS)的概念。正如生物體是通過各種生物材料構(gòu)成一樣，智能系統(tǒng)是通過材料間的有機復(fù)合或集成而得以實現(xiàn)。如果能把感知、執(zhí)行和信息等三種功能材料有機地復(fù)合或集成于一體就可能實現(xiàn)材料的智能化，如圖1—3所示。智能材料來自于功能材料。功能材料有兩類。一類是對外界（或內(nèi)部）的刺激強度（如應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、化學(xué)和輻射等）具有感知的材料，通稱感知材料，用它可做成各種傳感器；另一類是對外界環(huán)境條件（或內(nèi)部狀態(tài)）發(fā)生變化作出響應(yīng)或驅(qū)動的材料，這種材料可以做成各種驅(qū)動（或執(zhí)行）器。它并非一定是能對外作功的器件。廣義說，它包括能對外界作出各種物理或化學(xué)響應(yīng)，如能改變顏色、顯示數(shù)字、起開關(guān)作用、改變頻率和報警等功能的器件均可稱為驅(qū)動器。智能材料是利用上述材料做成傳感器和驅(qū)動器，借助現(xiàn)代信息技術(shù)對感知的信息進行處理并把指令反饋給驅(qū)動器，從而作出靈敏、恰當?shù)姆磻?yīng)，當外部刺激消除后又能迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。這種集傳感器、驅(qū)動器和控制系統(tǒng)于一體的智能材料，體現(xiàn)了生物的特有屬性。具有上述結(jié)構(gòu)形式的材料系統(tǒng)，就有可能體現(xiàn)或部分體現(xiàn)下列智能特性：①具有感知功能，可探測并識別外界（或內(nèi)部）的刺激強度，如應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、化學(xué)和輻射等；②具有信息傳輸功能，以設(shè)定的優(yōu)化方式選擇和控制響應(yīng)；③具有對環(huán)境變化作出響應(yīng)及執(zhí)行的功能；④反應(yīng)靈敏、恰當；⑤外部刺激條件消除后能迅速回復(fù)到原始狀態(tài)。表1—1列出常見的感知材料和執(zhí)行材料。表中有些材料兼具感知和執(zhí)行功能，如磁致伸縮材料、壓電材料和形狀記憶材料等。這種材料通稱為機敏材料(smartmater閉s)，它們能對環(huán)境變化作出適應(yīng)性反應(yīng)。圖1—4為機敏材料的雙重功能對環(huán)境變化作出的反應(yīng)示意圖。機敏或智能材料的設(shè)計和建造思想、模型和方法是通過對生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究和考察，借鑒而來。從仿生學(xué)的觀點出發(fā)，智能材料內(nèi)部應(yīng)具有或部分具有以下生物功能。(1)有反饋功能，能通過傳感神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對系統(tǒng)的輸入和輸出信息進行比較，并將結(jié)果提供給控制系統(tǒng)，從而獲得理想的功能。(2)有信息積累和識別功能，能積累信息，能識別和區(qū)分傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各種信息，并進行分析和解釋。(3)有學(xué)習(xí)能力和預(yù)見性功能，能通過對過去經(jīng)驗的收集，對外部刺激作出適當反應(yīng)，并可預(yù)見未來并采取適當?shù)男袆印?4)有響應(yīng)性功能，能根據(jù)環(huán)境變化適時地動態(tài)調(diào)節(jié)自身并作出反應(yīng)。(5)有自修復(fù)功能，能通過自生長或原位復(fù)合等再生機制，來修補某些局部破損。(6)有自診斷功能，能對現(xiàn)在情況和過去情況作比較，從而能對諸如故障及判斷失誤等問題進行自診斷和校正。(7)有自動動態(tài)平衡及自適應(yīng)功能，能根據(jù)動態(tài)的外部環(huán)境條件不斷自動調(diào)整自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而改變自己的行為，以一種優(yōu)化的方式對環(huán)境變化作出響應(yīng)。當然，這里指的是高級智能材料，雖然目前尚難做到，但卻是未來實現(xiàn)的目標。2.2智能材料的定義本世紀70年代，美國弗吉尼亞理工學(xué)院及州立大學(xué)的Claus等人將光纖埋人碳纖維增強復(fù)合材料中，使材料具有感知應(yīng)力和斷裂損傷的能力。這是智能材料的首次實驗，當時稱這種材料系統(tǒng)為adaptivematerial(自適應(yīng)材料)。從1985年開始，在Rogers和Claus等人的努力下，智能材料系統(tǒng)逐漸受到美國各部門和世界各國研究者重視，先后提出了機敏材料、機敏材料與結(jié)構(gòu)(smartmaterialsandstructures)、自適應(yīng)材料與結(jié)構(gòu)(adaptivematerialsandstructures)、智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)(intelligentmaterialssystemsandstructures)等等名稱。從表面上看，各自的名稱有所不同，但研究的內(nèi)容大體相同，都含有“智能”特性。Rogers在《智能材料系統(tǒng)——新材料時代的曙光》一文中認為，生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)難于區(qū)分材料與結(jié)構(gòu)，智能材料與結(jié)構(gòu)只是尺度上的差別，即材料的智能與生命特性存在于材料微結(jié)構(gòu)中，而結(jié)構(gòu)是在制造過程中集成的。因此，Rogers認為智能材料系統(tǒng)(IntelligentMaterialSystems，簡稱IMS)的定義可歸結(jié)為兩種。第一種定義是基于技術(shù)觀點：“在材料和結(jié)構(gòu)中集成有執(zhí)行器、傳感器和控制器”。這個定義敘述了智能材料系統(tǒng)的組成，但沒有說明這個系統(tǒng)的目標，也沒有給出制造這種系統(tǒng)的指導(dǎo)思想。另一種定義是基于科學(xué)理念觀點：“在材料系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)中集成智能與生命特征，達到減小質(zhì)量、降低能耗并產(chǎn)生自適應(yīng)功能目的”。該定義給出了智能材料系統(tǒng)設(shè)計的指導(dǎo)性哲學(xué)思想，抓住材料仿生的本質(zhì)，著重強調(diào)材料系統(tǒng)的目標，但沒有定義使用材料的類型，也沒有敘述其具有傳感、執(zhí)行與控制功能。第三種定義是把兩者結(jié)合在一起，形成的一個完整、科學(xué)的定義：“智能材料是模仿生命系統(tǒng)，能感知環(huán)境變化，并能實時地改變自身的一種或多種性能參數(shù)，作出所期望的、能與變化后的環(huán)境相適應(yīng)的復(fù)合材料或材料的復(fù)合”。單一的人工材料無法同時具備這些功能。只有將各種材料制成的感知器、執(zhí)行器和控制器等集成或組裝在一起，通過在這些功能之間建立起動態(tài)的相互聯(lián)系，使之相互作用、相互依存，才有可能實現(xiàn)材料智能化。機敏或智能材料并非一定是專門研制的一種新型材料，大多是根據(jù)需要選擇兩種或多種不同的材料按照一定的比例以某種特定的方式復(fù)合起來(materialcomposition)，或是材料集成(materialintegration)，即在所使用材料構(gòu)件中埋人某種功能材料或器件，使這種新組合材料具有某種或多種機敏特性甚至智能化。這樣，它已不再是傳統(tǒng)的單一均質(zhì)材料，而是一種復(fù)雜的材料體系，故在材料后加上“系統(tǒng)”二字，稱為智能材料系統(tǒng)，通常簡稱為智能材料。智能材料與智能結(jié)構(gòu)在尺度上是有區(qū)別的。若把智能材料埋入工程結(jié)構(gòu)中，就能使工程結(jié)構(gòu)感知和處理信息，并執(zhí)行處理結(jié)果，對環(huán)境的刺激作出自適應(yīng)響應(yīng)，使離線、靜態(tài)、被動的監(jiān)測變?yōu)樵诰€、動態(tài)、實時、主動監(jiān)測與控制，實現(xiàn)增強結(jié)構(gòu)安全、減輕質(zhì)量、降低能耗、提高結(jié)構(gòu)性能等目標。這種工程結(jié)構(gòu)稱為智能結(jié)構(gòu)(intelligentstructure)。2.3耗散結(jié)構(gòu)與材料的智能特性智能材料模仿了生命系統(tǒng)的感知和驅(qū)動功能。該研究領(lǐng)域的出現(xiàn)使人們把越來越多的目光投向天然生物材料。天然生物材料的基本組成單元很平常，但是往往具有適應(yīng)環(huán)境及功能需要的復(fù)雜超結(jié)構(gòu)組裝，它表現(xiàn)出的優(yōu)異強韌性、功能適應(yīng)性及損傷愈合能力，是傳統(tǒng)人工合成材料無法比擬的。長期以來，科學(xué)家們注意到：在生命系統(tǒng)和非生命系統(tǒng)之間表現(xiàn)出似乎不同的規(guī)律。非生命系統(tǒng)通常服從熱力學(xué)第二定律，系統(tǒng)總自發(fā)地趨于平衡和無序，熵值達到極大。系統(tǒng)可以自發(fā)地從有序到無序，但決不會自發(fā)地轉(zhuǎn)變到有序，這就是系統(tǒng)的不可逆性和平衡態(tài)的穩(wěn)定性。生命系統(tǒng)與此不同，生物進化總是由簡單到復(fù)雜，由低級到高級，越來越有序，能自發(fā)地形成有序的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這兩類系統(tǒng)的矛盾現(xiàn)象，長期得不到解決。直到60年代出現(xiàn)了耗散結(jié)構(gòu)理論和協(xié)同學(xué)理論，才為這個問題的解決奠定了科學(xué)框架。諾貝爾獎獲得者Prigogine于1970年在國際理論物理和生物學(xué)會議上正式提出“耗散結(jié)構(gòu)(dissipativestructure)理論”。耗散結(jié)構(gòu)是指：從環(huán)境輸入能量或(和)物質(zhì)，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦偷挠行蛐螒B(tài)，即這種形態(tài)依靠不斷地耗散能量或（和）物質(zhì)來維持。一個生物體作為一個整體來接受連續(xù)的能量流或（和）物質(zhì)流，然后轉(zhuǎn)換為各種廢物排泄到環(huán)境中去。生命的機體就是這樣一個保持動態(tài)穩(wěn)定的系統(tǒng)，這種動態(tài)穩(wěn)定能夠抗拒環(huán)境對機體的瓦解性侵蝕。生命品種的存在，取決于它們動態(tài)調(diào)節(jié)的能力。也就是說，生命系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng)，系統(tǒng)和環(huán)境進行著物質(zhì)和能量的交換，從而系統(tǒng)就有可能從原來的無序狀態(tài)產(chǎn)生一種新的穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)。Prigogine稱之為耗散結(jié)構(gòu)。生物材料之所以具有活性，是因為它們在“服役”過程中不斷與外界環(huán)境進行能量和(或)物質(zhì)的交換。例如，動物要靠攝取食物生存，通過糖分解和呼吸等生機勃勃的生物反應(yīng)和運輸作用來維持生命。植物是利用光合作用，從太陽光獲得能量，從土壤和水分中吸取所需養(yǎng)分。所以，維持生物體生命和生存活動的自保護、自修復(fù)、自調(diào)節(jié)、自適應(yīng)、自繁殖等都要求從外界吸取能量或(和)進行物質(zhì)交換。生物體中的分子與構(gòu)成無生命物質(zhì)的分子沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但生物體卻具有比無生命物質(zhì)復(fù)雜得多的優(yōu)異性能，說明生物體的功能并不是組成生物體的各種組織功能的簡單線性疊加。非生命系統(tǒng)（無生命的材料）是一個孤立系統(tǒng)，即它們與環(huán)境沒有能量和物質(zhì)的交換，通?？梢杂孟铝泻瘮?shù)關(guān)系來表達：P=f(C，S，M)(1—1)式中：P為材料的服役性能；C為材料的成分；S為材料的結(jié)構(gòu)；M為材料的形貌。因此，它們的系統(tǒng)內(nèi)部就不可能呈現(xiàn)生命的活性。倘若通過眾多的通道，例如化學(xué)的、物理的以及生物的手段為材料提供物質(zhì)和能量的輸運，就可以用下列函數(shù)關(guān)系來表達材料的仿生設(shè)計P=g(C，S，M，q)(1—2)式中，q為環(huán)境變量，它意味著環(huán)境向材料提供能量和物質(zhì)就可使“死”的材料變成“活”的材料。例如：根據(jù)這種啟發(fā)，現(xiàn)在就有人提出金屬材料疲勞及性能恢復(fù)的仿生設(shè)計，模仿生物的機能恢復(fù)和創(chuàng)傷愈合，向服役的材料施加高密度電流脈沖，使其疲勞壽命等顯著提高。3智能材料的幾種基本組元依據(jù)智能(或機敏)材料定義中所確定的內(nèi)涵，組成智能材料的組元材料可分為傳感材料、信息材料、執(zhí)行材料以及兩類支撐材料（能源材料和結(jié)構(gòu)材料）。能源材料用作維持系統(tǒng)工作所需的動力，結(jié)構(gòu)材料是支撐功能材料的基體材料或構(gòu)件。3.1感知材料與傳感元件：籠統(tǒng)地說，傳統(tǒng)上用于制作傳感器的材料大多數(shù)都可稱為感知材料。從這個意義上講，近年來研究開發(fā)的具有感知特性的智能材料可以稱為高性能感知材料，主要有：光導(dǎo)纖維、電阻應(yīng)變絲、疲勞壽命絲(箔)、壓電材料、碳纖維、半導(dǎo)體材料等。用高性能感知材料可以制作性能更好的傳感元件，特別是制作大規(guī)模表面附著式或埋人式傳感分布陣列，從而使結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件或整體具有感知特性，以便實現(xiàn)其自修復(fù)，自調(diào)節(jié)和自控制的功能。3.1.1光導(dǎo)纖維光纖的主要材料是SiO2，它由內(nèi)、外兩層介質(zhì)構(gòu)成。內(nèi)層是一個透明的圓柱形介質(zhì)，它位于光纖的中心，稱為纖芯。外層是軸對稱并與纖芯共軸的圓環(huán)形透明介質(zhì)，稱為包層。由于纖芯材料的折射率ｎ1大于包層的折射率ｎ2，因此根據(jù)Smell原理和全內(nèi)反射法則，當光在具有高折射率的纖芯向低折射率的包層傳播時將被全部反射回纖芯。這樣，光在光纖中傳播將很少損失能量，從而可以傳播至很遠的地方。光纖作為傳感元件主要利用當光纖發(fā)生局部的變形時，通過光纖中光的傳播也相應(yīng)發(fā)生變化的特性。通過分析光的傳輸特性(光強、位相等)可獲得光纖周圍的力、溫度、位移、壓強、密度、磁場、成分和X射線等參數(shù)的變化，因而廣泛用作傳感元件或智能材料中的“神經(jīng)元”，具有反應(yīng)靈敏、抗干擾能力強和耗能低等特點。早在1979年，Claus就曾在復(fù)合材料中嵌入光纖，用于測量低溫下的應(yīng)變。從那時起，光纖被廣泛用作復(fù)合材料固化狀態(tài)的評估、工程結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測、材料的非破壞性評定、內(nèi)部損傷的探測和評估等。光纖波導(dǎo)管可埋于復(fù)合材料內(nèi)，通過測定光的折射和對折射信號的處理，確定二維動態(tài)應(yīng)變，其電吸附效應(yīng)還可用于感知磁場的變化。光的干涉效應(yīng)可用于測量變形和振動，光纖和光傳感器還用于極端惡劣條件下的推進系統(tǒng)。光導(dǎo)纖維很細，可傳輸數(shù)據(jù)，反應(yīng)靈敏；對埋置材料性能影響小，對電磁干擾不敏感，熔點高，耐腐蝕，適用于高、低溫及有害環(huán)境，可沿單線多路復(fù)用，能實現(xiàn)點測量、線測量和網(wǎng)測量。3.1.2壓電材料當壓電材料受到外部影響而產(chǎn)生機械變形時，有產(chǎn)生電勢的能力。當對壓電材料施加外力產(chǎn)生變形時，就會引起材料內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對移動而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致元件兩個表面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，而且電荷密度與外力成比例，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。利用這一點，可將壓電材料制成傳感元件。即通過檢測壓電元件上電荷的變化來確定壓電元件埋入處結(jié)構(gòu)的變形量。此外，當對它施加電壓時，有變形的能力。如果在壓電元件兩表面通以電壓，通過電場的作用，造成壓電元件內(nèi)部正負電荷中心產(chǎn)生相對位移，導(dǎo)致壓電元件的變形，這稱為逆壓電效應(yīng)。利用這一點，可將壓電材料制成驅(qū)動元件。如將其埋入結(jié)構(gòu)，可使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形或改變應(yīng)力狀態(tài)。由于壓電材料改變狀態(tài)的變化速率極快，因此上述效應(yīng)適用于結(jié)構(gòu)振動的控制。常用的壓電材料有壓電晶體，壓電陶瓷以及最近研制的壓電聚合物。壓電陶瓷與壓電單晶體相比，具有容易制備、可制成任意形狀和極化方向的產(chǎn)品，耐熱、耐濕等許多優(yōu)點，因此應(yīng)用更加廣泛。壓電聚合物與壓電陶瓷相比，柔韌、耐沖擊性好，能制成大面積薄膜傳感材料，因此也是一種非常具有應(yīng)用前景的壓電材料。但目前在所有的壓電材料中壓電陶瓷是應(yīng)用最廣、研究最為活躍的一種。高分子壓電材料，稱為PVDF或PF2（PolyvinyldeneFluoride），可制成非常薄的膜，附著于幾乎任意形狀的表面上，其機械強度和對應(yīng)力變化的敏感性優(yōu)于許多其他傳感器。美國弗羅里達大學(xué)的Nevill等研制了一種壓電觸覺傳感器，幾乎能夠100％準確地辨識物體，如它能識別盲文字母及砂紙的粒度。比薩大學(xué)的研究者們利用壓電材料研制出類似于皮膚的傳感器，能模仿人類皮膚對溫度和應(yīng)力的感知能力，還能探知邊緣、角等不同幾何特征。Nakamura等研制了一種超薄(200gm～300gm)膜傳感器，輔之以數(shù)學(xué)分析和數(shù)字模擬，用于機器人。它還具有熱電效應(yīng)，能對溫度變化作出響應(yīng)。壓電材料有單軸極化膜和雙軸極化膜。前者只對一個方向的應(yīng)力作出響應(yīng)，而后者可以感知兩個方向的應(yīng)力。壓電高分子產(chǎn)生較少的熱量，能儲存能量，可用于精確定位，例如用作打印機的打印頭。3.1.3電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片是結(jié)構(gòu)表面局部應(yīng)變測量最常用的傳感元件，性能受基底和膠層的影響，使用壽命短。電阻應(yīng)變絲可埋置入結(jié)構(gòu)中，與基底材料膠合，性能較穩(wěn)定，而且可組成各種形狀和面積的陣列，防電磁干擾，電阻應(yīng)變絲直徑很小，僅3—10μm不影響埋置材料的性能。3.1.4疲勞壽命絲(箔)疲勞壽命絲(箔)外形上與電阻應(yīng)變絲(片)相同，但合金成分與熱處理方式不同。疲勞壽命絲(箔)的電阻值隨交變應(yīng)變幅值和循環(huán)次數(shù)單調(diào)增加，荷載卸除后，增加的電阻值保持不變。因此，疲勞壽命絲(箔)可以用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點的剩余疲勞壽命預(yù)報。3.1.5碳纖維在一定條件下將聚合纖維燃燒，可以得到接近于完整分子結(jié)構(gòu)的碳長鏈，也就是碳纖維。碳纖維通常合成為7—30tan一股，具有導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫及高強度和高彈性模量．由于高強度和高彈模量，碳纖維的接觸電阻會隨著壓力的變化而變化，利用這一特性可以用碳纖維制作壓力和應(yīng)變傳感器。3.1.6半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料可用于制作與基體材料融合的模塊或薄片式傳感元件，是智能傳感元件發(fā)展的一個主要方向。目前已有的氣壓硅傳感器體積小、價格便宜，可以用于測量結(jié)構(gòu)物表面的風(fēng)壓分布。3.2驅(qū)動材料與控制裝置土木工程結(jié)構(gòu)的控制裝置總體上可以分為三類：改變結(jié)構(gòu)頻率的隔震裝置、耗散結(jié)構(gòu)振動能量的阻尼裝置、給結(jié)構(gòu)施加控制力的驅(qū)動裝置。近年來研究開發(fā)的可用于制作控制裝置的驅(qū)動材料主要有：電／磁流變液體（也稱可控流體）、形狀記憶材料（含合金和聚合物）、壓電材料（含電致伸縮材料）、磁致伸縮材料、可收縮膨脹聚合膠體等。采用智能驅(qū)動材料可以制作電（磁）或溫度等調(diào)節(jié)的被動阻尼減振裝置和主動控制的驅(qū)動裝置，且出力大、能耗小、反應(yīng)迅速，將成為結(jié)構(gòu)振動控制新一代的減振驅(qū)動裝置。3.2.1電(磁)流變液在智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的作動器材料中，電流變體(electrorheologicalfluid，簡稱ERF)和磁流變體(magnetorheologicalfluid，簡稱MRF)是使用性能較為突出的材料。尤其是電流變體材料響應(yīng)速度快、工作能耗低、致動力變化范圍大、埋放工藝簡單、成本較低，是作動器的首選材料之一。電流變體和磁流變體均是懸浮體系，在外加電場或磁場的作用下，它們的黏性、塑性、彈性等流變性能會發(fā)生顯著的可逆變化。且當外加場強超過一臨界值后，電流變體(或磁流變體)會在幾個毫秒內(nèi)從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。在顯微鏡下可以觀察到，在電場(或磁場)的作用下，電流變體(或磁流變體)的分散相顆粒結(jié)成了沿電場(或磁場)方向的鏈狀結(jié)構(gòu)，如圖2.32所示。由于電流變體具有可以在介于液體和固體的屬性之間進行可控(由外加電場直接控制流體的流變特性)、快速(響應(yīng)時間只有幾個毫秒)和可逆的轉(zhuǎn)變的獨特性質(zhì)，而且對流體的特性實施控制時所需的能量又較低，變化動態(tài)范圍大，易于大面積鋪放、成本低，電流變體成為智能結(jié)構(gòu)主動控制中作動器件的主要材料。磁流變體(MRF)與電流變體(ERF)的主要差別是磁流變體的屈服應(yīng)力更大，通常在外加磁場作用下可以達到50—100kPa，而ERF的屈服應(yīng)力通常只有5—10kPa。MRF的主要缺點是存在滯遲現(xiàn)象，對于需要實時主動控制的應(yīng)用領(lǐng)域有一定的限制。3.2.2形狀記憶材料形狀記憶材料包括形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloy）、記憶陶瓷以及聚氨基甲酸乙酯等形狀記憶聚合物。形狀記憶效應(yīng)是指材料在高溫下定形后冷卻至低溫（或室溫）并施加變形使其存在殘余變形，然后加熱到一定溫度時仍然恢復(fù)到變形前原始形狀的能力。形狀記憶效應(yīng)的簡單過程可以由圖21—1表示。材料加載過程中，應(yīng)變隨應(yīng)力而增加，其中OA為表示彈性變形的線形段，AB為非線性段，當由B點卸載時，材料的殘余應(yīng)變由OC表示，將此材料在一定溫度加熱，則其殘余應(yīng)變可以降為零，即圖上用虛線表示的過程，材料全部恢復(fù)原始形狀。而普通金屬材料受到外力作用時，當應(yīng)力超過屈服強度后，則產(chǎn)生塑性變形，在應(yīng)力消除后，材料的塑性變形將永久地保留下來，不可能通過加熱方式來消除。這種只能記住高溫或低溫狀態(tài)形狀的效應(yīng)稱為單程形狀記憶。某些記憶材料例如TiNi合金及Cu基記憶合金經(jīng)過一定的特殊處理后，材料可以“記憶”住高溫時的形態(tài)，又可“記憶”低溫時的形狀。當溫度在高溫和低溫之間往返變化時，材料自行在兩種形狀之間變換，這種現(xiàn)象稱為雙向記憶效應(yīng)(TwoWayMemoryEffect，簡寫為TWME)。此外，另有一種特異的現(xiàn)象，它不僅具有雙向形狀記憶效應(yīng)，而且在反復(fù)變溫過程中，總是遵循相同的形狀變化規(guī)律，即記憶了中間過程，如圖21—2所示。這是由四條互成45O夾角的薄條帶在其中心位置捆扎在一起的試件，經(jīng)約束時效處理后，在100OC開水中呈現(xiàn)結(jié)扎點在上的圓球形a，將試件從開水中緩慢提起來時，自行變成圖b的形狀。在室溫時變成近似直線c。接著將其浸泡在冰水中，則直線向相反方向彎曲d。將試樣在干冰—酒精液中冷卻到-40℃時，形狀變成與a相似的圓球形，但此時結(jié)扎點在圓球內(nèi)部下方e，即a與e是完全倒置的形態(tài)。若將此試料立即放入l00℃水中，則又恢復(fù)成a形狀。只要在a一e之間進行加熱—冷卻循環(huán)，就可重復(fù)前述的可逆形狀變化。這種在溫度循環(huán)過程中出現(xiàn)的自發(fā)形狀變化，其形狀變化大于所有可逆形狀記憶效應(yīng)，而且高溫形狀和低溫形狀是完全可以倒置的，這種記憶效應(yīng)稱為全方位形狀記憶效應(yīng)(All-RoundShapeMemoryEffect，縮寫為ARSME)[5]。上面講的是熱—一機作用下的形狀記憶效應(yīng)，這種效應(yīng)需在特征溫度反復(fù)冷、熱才能引發(fā)出來。記憶合金還有另一種形狀記憶，它不取決于溫度而且取決于外加應(yīng)力，稱為偽彈性或超彈性。當材料處于Ms～Md溫度范圍時發(fā)生變形，就會產(chǎn)生偽彈性，類似橡膠。Md是應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的終了溫度。圖4—6表示超彈性的應(yīng)力一應(yīng)變曲線。它們的可恢復(fù)應(yīng)變量達到10％以上。偽彈性也可稱之為機械形狀記憶效應(yīng)。圖4—7表示NiTi記憶合金彈簧和鋼琴絲的偽彈性曲線。比較兩者的特點可以看出，在達到相同應(yīng)變量時，形狀記憶合金可以完全恢復(fù)，而鋼琴絲只能部分恢復(fù)，而有殘余永久變形。圖4—14是NiTi記憶合金偽彈性應(yīng)力一應(yīng)變曲線。由圖可見，在NiTi合金加、卸載過程中，儲能Gse=Soabch=abc,輸出功W=Soadch=adc耗能Ga。：Gde=Gse—W=abc—adc記憶合金最早的典型應(yīng)用之一是1970年美國將TiNi記憶合金絲制作成宇宙飛船的天線。宇宙飛船發(fā)射之前，在室溫條件下（<Ms），將經(jīng)過形狀記憶處理的定形的TiNi拋物凸狀天線折成直徑小于5cm的球狀放入飛船。飛船進入太空后，通過加熱或利用太陽能使合金絲升溫，當溫度高達77℃（>Af）后，被折疊成球狀的合金絲團就自動完全打開，成為原先定形的拋物凸狀天線。形狀記憶合金變形量大，加熱時能產(chǎn)生很大的回復(fù)應(yīng)力，可以實現(xiàn)多種變形形式，易于和基體材料融合，因此可埋置于結(jié)構(gòu)中。迄今為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶效應(yīng)的合金有數(shù)十種，其中性能好，有實用價值的是N-Ti和Cu—Zn—Al兩大類合金。NiTi形狀記憶合金的電阻率高，因此可用電能(通電)使其產(chǎn)生機械運動，與其他執(zhí)行材料相比，NiTi記憶合金的輸出應(yīng)變很大，達8％左右，同時在約束條件下，也可輸出較大的恢復(fù)力。它們是典型的執(zhí)行器材料。由于其冷熱循環(huán)周期長，響應(yīng)速度慢，只能在低頻狀態(tài)使用。形狀記憶聚合物具有粘彈性，應(yīng)變可達400％，加熱可以復(fù)原。從聚合物玻璃狀態(tài)到橡膠狀態(tài)，彈性模量可變化500倍，但是同樣變形下形狀記憶聚合物的應(yīng)力相當于形狀記憶合金的120分之一。形狀記憶材料作為溫度調(diào)節(jié)的驅(qū)動材料，目前主要利用材料本身電阻加熱，因此調(diào)節(jié)能耗大、反應(yīng)速度慢。為了改變這一特性，國外已在研究采用激光加熱的形狀記憶合金，但還未能達到實用的階段。3.2.3磁致伸縮材料磁致伸縮材料是將磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的材料。磁致伸縮材料受到磁場作用時，磁疇發(fā)生旋轉(zhuǎn)，最終與磁場排列一致，導(dǎo)致材料產(chǎn)生變形。這種因磁化狀態(tài)的改變而引起的磁性體產(chǎn)生應(yīng)變的現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象。磁致伸縮現(xiàn)象在稀土以及稀土一鐵化合物中廣泛存在，但它們在常溫下的磁致伸縮量很小，應(yīng)用的價值不是很大。直到大磁致伸縮材料Teffenol—D研制成功，才開始磁致伸縮材料的應(yīng)用研究。智能材料中的磁致伸縮材料指的就是大磁致伸縮材料Terfenol-D，它是由美國海軍軍械研究室發(fā)明的。與壓電陶瓷性能相比，Terfenol-D具有許多優(yōu)點：Terfenol-D在強磁場的作用下變形能夠達到1500到2000ppm，這一數(shù)值是普通的壓電陶瓷變形能力的10到50倍；另外，用Teffenol—D制作的驅(qū)動器所需的電壓比較低，因此較壓電陶瓷器件更加安全；Terfenol-D貯彈性模量也很大，最大可以達到100GPa。由于它的變形大，彈性模量高，因此儲能也較相同體積的壓電陶瓷大，再加上其頻響性好，因此是制作大能量驅(qū)動器的良好材料。對于長度為20cm、直徑為1cm的圓柱體可產(chǎn)生幾千牛的力。磁致伸縮材料已應(yīng)用于低頻高功率聲納傳感器、強力直線型電機、大轉(zhuǎn)矩低速旋轉(zhuǎn)電機和液壓機執(zhí)行器，目前正在研究采用磁致伸縮材料主動控制智能結(jié)構(gòu)中的振動。目前的磁致伸縮材料僅用于小型機構(gòu)的控制，而研究制作適合于大型土木結(jié)構(gòu)的大位移、大驅(qū)動力的驅(qū)動元件是非常重要的。3.2.4智能高分子材料（可收縮膨脹聚合膠體）智能高分子材料是指三維高分子網(wǎng)絡(luò)與溶劑組成的體系。其網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)結(jié)構(gòu)使它不溶解而保持一定的形狀；因凝膠結(jié)構(gòu)中含有親溶劑性基團，使它可被溶劑溶脹而達一平衡體積。這類高分子凝膠溶脹的推動力與大分子鏈和溶劑分子間的相互作用、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大分子鏈的相互作用以及凝膠內(nèi)和外界介質(zhì)間離子濃度差所產(chǎn)生的滲透壓相關(guān)。據(jù)此，這類高分子凝膠可感知外界環(huán)境細微變化與刺激，如溫度、pH值或電場等刺激而發(fā)生膨脹和收縮，對外作功。這種膠體在物理或化學(xué)等因素的激勵下，產(chǎn)生體積形變、長度變化和作用力的變化。目前主要應(yīng)用化學(xué)激勵，由化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能；而由電激勵方法，由電能轉(zhuǎn)化為機械能的效率低，還很不成熟。采用改性的聚丙烯腈纖維，經(jīng)220℃加熱后在濃縮NaOH溶液中水解，可以得到具有兩種特征的纖維。這種纖維從堿性到酸性的pH值激勵，在無載荷下可以有70％量級的收縮比，時間常數(shù)為2s；直徑30μm纖維的等軸力集度可以達到IMPa。這種膠體用于制作土木結(jié)構(gòu)控制的驅(qū)動器還有待研究。3.2.5壓電材料；如前所述，壓電材料既可用作傳感元件，又可用作驅(qū)動元件。壓電陶瓷在沿材料極化方向的1MV／m的電場作用下，可產(chǎn)生0.1％的應(yīng)變，在此應(yīng)變下的彈性模量為70GPa左右，因此壓電材料具有很大的儲能能力，可以產(chǎn)生很大的外力。由于壓電陶瓷應(yīng)變小，通常采用多層疊加的方式制作壓電陶瓷驅(qū)動器。雖然壓電陶瓷已經(jīng)在很多的領(lǐng)域應(yīng)用，但它的小應(yīng)變始終在一定程度上限制其作為驅(qū)動器件的應(yīng)用，最近研制的大應(yīng)變壓電材料Rainbow(ReducedAndInternallyBiasedOxideWafer)在一定程度上解決了這一難題。它的變形能力要較壓電陶瓷大得多，其最大位移可以達到自身長度的35％一50％，彈性模量約為1X105MPa。Rainbow的應(yīng)用方式與應(yīng)用領(lǐng)域基本和壓電陶瓷類似，也可以疊加起來做成壓電驅(qū)動器(Haertling,1997；Hooker，1997)．3、智能混凝土智能混凝土是智能化時代的產(chǎn)物,隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)和材料科學(xué)的迅猛發(fā)展,促使社會及其各個組成部分,如交通系統(tǒng)、辦公場所、居住社區(qū)等等向智能化方向發(fā)展。混凝土材料作為各項建筑的基礎(chǔ),其智能化的研究和開發(fā)自然成為人們關(guān)注的熱點。它在對重大土木基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)變的實量監(jiān)測、損傷的無損評估、及時修復(fù)以及減輕臺風(fēng)、地震的沖擊等諸多方面有很大的潛力，對確保建筑物的安全和長期的耐久性都極具重要性。而且在現(xiàn)代建筑向智能化發(fā)展的背景下，對傳統(tǒng)的建筑材料研究、制造、缺陷預(yù)防和修復(fù)等都提出了強烈的挑戰(zhàn)。智能混凝土材料作為建筑材料領(lǐng)域的高新技術(shù)，為傳統(tǒng)建材的未來發(fā)展注入了新的內(nèi)容和活力，也提供了全新的機遇。通過對其基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用技術(shù)深入研究將使傳統(tǒng)的混凝土材料發(fā)展步入科技創(chuàng)新軌道，使傳統(tǒng)混凝土工業(yè)獲得新的、突破性的飛躍。智能混凝土是在混凝土原有的組分基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分,使混凝土材料具有自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)特性的多功能材料。按機敏材料與結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)合的狀況，機敏材料可分為本征和非本征兩大類。當機敏材料與結(jié)構(gòu)混凝土具有相同的物理特征時，即為本征機敏材料(如碳纖維混凝土)，反之則為非本征機敏材料(如光纖、記憶合金、愈合管道等)。智能混凝土是智能材料的一個研究分支，其起源可追溯到本世紀60年代，當時蘇聯(lián)學(xué)者首先采用碳黑為導(dǎo)電組分嘗試制備了水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料。80年代末，日本土木工程界的研究人員設(shè)想并著手開發(fā)構(gòu)筑高智能結(jié)構(gòu)的所謂“對環(huán)境變化具有感知和控制功能”的智能建筑材料。1993年在國家自然科學(xué)基金資助下，美國開辦了與土木建筑有關(guān)的智能材料與智能結(jié)構(gòu)的工廠。然而，以目前的科技水平，制備完善的智能混凝土材料是相當困難的。國內(nèi)外在機敏混凝土材料的研究方面作了一些有益的探討,并取得了一些有價值的成果。智能結(jié)構(gòu)體系最初起源于航空航天、機械和軍工等領(lǐng)域，近年來，逐步滲入土木工程領(lǐng)域。在智能結(jié)構(gòu)中，傳感器和驅(qū)動器是系統(tǒng)實現(xiàn)感知和驅(qū)動功能的重要組元。而用于傳感器和驅(qū)動器的材料被稱作機敏材料。典型的機敏材料有壓電材料、記憶合金、電流變體、磁流變體和光纖等。由于土木工程領(lǐng)域中的智能結(jié)構(gòu)研究起步較晚，所使用的機敏材料一般是沿用其它領(lǐng)域已比較成熟的材料。由于土木工程領(lǐng)域中最主要的結(jié)構(gòu)材料——混凝土材料與其它領(lǐng)域中常用的結(jié)構(gòu)材料，如金屬、塑料等的性能迥異，在變形特性、剛度和聲阻抗等方面有本質(zhì)差別。導(dǎo)致在其它領(lǐng)域適用的機敏材料在混凝土材料中卻未必適用，可能存在非常明顯的相容性問題，如聲阻抗匹配問題、溫致濕致變形協(xié)調(diào)性問題、界面粘結(jié)性問題等。在智能結(jié)構(gòu)中，機敏材料與母體材料之間的相容性是一個關(guān)鍵問題，相容性好壞對機敏材料傳感功能或驅(qū)動功能的發(fā)揮有決定性的作用。相容性不好，機敏材料的傳感精度會大幅度降低，驅(qū)動力度會受到顯著的削弱。例如，混凝土材料在各種內(nèi)外因的作用下更易于變形，在環(huán)境溫度和濕度發(fā)生變化時，混凝土?xí)霈F(xiàn)收縮和膨脹現(xiàn)象。因此當體積相對穩(wěn)定的壓電陶瓷機敏材料被埋入混凝土結(jié)構(gòu)中時，如果發(fā)生溫度或濕度的變化，將導(dǎo)致混凝土與機敏材料變形的不協(xié)調(diào)，從而使機敏材料產(chǎn)生虛假信號，影響傳感精度，甚至?xí)l(fā)生錯誤的監(jiān)測情形。因此在發(fā)展土木工程領(lǐng)域的智能結(jié)構(gòu)時，需要注意研發(fā)與土木工程領(lǐng)域主體結(jié)構(gòu)材料——混凝土相容的機敏材料。采用水泥基材料作為機敏復(fù)合材料的基體，使復(fù)合材料的主體材料與混凝土母體材料具有最大程度的相似性，可以有效解決機敏材料與母體材料的相容性問題。4.1水泥基壓敏材料如果采用水泥基材料作為壓電機敏復(fù)合材料基體，可以使得機敏復(fù)合材料與混凝土結(jié)構(gòu)材料之間具有良好的相容性。目前，水泥基壓電復(fù)合機敏材料的研究剛剛起步。香港科技大學(xué)和同濟大學(xué)混凝土材料研究國家重點實驗室都在進行這方面的研究工作，并已取得一些具有積極意義的研究成果。如Li等人，采用壓電陶瓷顆粒與硬化水泥砂漿復(fù)合，并采用常規(guī)的成型技術(shù)和極化方法成功制備了0-3型水泥基壓電復(fù)合材料。研究證實，通過調(diào)節(jié)復(fù)合材料組分的比例，水泥基壓電復(fù)合材料與混凝土之間可以具有優(yōu)良的阻抗匹配關(guān)系。水泥基壓電復(fù)合材料中PZT壓電陶瓷含量可以低至30％（體積分數(shù)），仍具有明顯的壓電效應(yīng)。因此，在復(fù)合材料中，水泥基體石英砂、纖維、硅粉和超塑化劑等組分可分配到70％的空間，通過調(diào)節(jié)多組分的比例，使水泥基壓電復(fù)合材料與混凝土材料具有一致的變形行為。同理，水泥基壓電復(fù)合材料與混凝土結(jié)構(gòu)材料之間的界面粘結(jié)效果也會優(yōu)于其它機敏材料。其極化電壓遠遠小于聚合物基0-3壓電復(fù)合材料，而壓電性能卻高于后者，并滿足實用條件。Zhang等人制備了2-2連通方式的水泥基壓電機敏復(fù)合材料，該材料的研究目的是用于混凝土結(jié)構(gòu)中的自感知驅(qū)動器(selfsensingactuator)。雖然水泥基材料與壓電陶瓷材料密度相差懸殊，通過調(diào)整水泥基材料的組分和比例，采用多種外加劑，可以準備出結(jié)構(gòu)均勻致密的2-2型水泥基壓電復(fù)合材料。其壓電性能與聚合物基壓電復(fù)合材料相類似，同時具有高的感知精度和強的驅(qū)動輸出。研制2-2型的水泥基壓電復(fù)合材料的價值在于為土木工程中的智能結(jié)構(gòu)提供自感知驅(qū)動器。自感知驅(qū)動器的優(yōu)點是可以降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、提高結(jié)構(gòu)的可靠性、降低結(jié)構(gòu)的故障率。同時在自感知驅(qū)動器里可以實現(xiàn)感知功能和驅(qū)動功能的完美搭配，提高智能結(jié)構(gòu)的效率。作為一種新型多功能復(fù)合材料，水泥基壓電機敏復(fù)合材料在改造傳統(tǒng)水泥基材料拓展其應(yīng)用領(lǐng)域并促使其成為結(jié)構(gòu)功能一體化材料的同時，對于推進各類土木工程結(jié)構(gòu)向智能化方向發(fā)展方面也具有廣泛的工程應(yīng)用意義。它可以有效提高建筑結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性，降低結(jié)構(gòu)的故障率和維修量。例如在大跨橋梁、核電站、大型水壩和超高電視塔等重要建筑的一些關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部位用水泥基壓電機敏復(fù)合材料澆筑，對這些部位內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變分布情況進行在線監(jiān)測，并同時產(chǎn)生驅(qū)動力，中和有害應(yīng)力和應(yīng)變，可以有效防范地震和大風(fēng)等災(zāi)害構(gòu)成的威脅。4.2損傷自診斷混凝土混凝土材料本身并不具備自感應(yīng)功能，但在混凝土基材中復(fù)合部分導(dǎo)電相可使混凝土具備本征自感應(yīng)功能。目前常用的導(dǎo)電組分可分３類：聚合物類、碳類和金屬類，其中最常用的是碳類和金屬類。碳類導(dǎo)電組分包括：石墨、碳纖維及碳黑，金屬類材料則有金屬微粉末、金屬纖維、金屬片、金屬網(wǎng)等。美國的D.D.L.Chung等在1989年首先發(fā)現(xiàn)將一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入混凝土材料中，可以使材料具有自感知內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和損傷程度的功能。通過對材料的宏觀行為和微觀結(jié)構(gòu)變化進行觀測，發(fā)現(xiàn)水泥基復(fù)合材料的電阻變化與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化是相對應(yīng)的，如電阻率的可逆變化對應(yīng)于可逆的彈性變形，而電阻率的不可逆變化對應(yīng)于非彈性變形和斷裂。而且這種復(fù)合材料可以敏感有效地監(jiān)測拉、彎、壓等工況及靜態(tài)和動態(tài)荷載作用下材料的內(nèi)部情況。當在水泥凈漿中摻加０.５%（體積）的碳纖維時，它作為應(yīng)變傳感器的靈敏度可達700,遠遠高于一般的電阻應(yīng)變計的敏感度（約為2）。在疲勞試驗中還發(fā)現(xiàn)，無論是在拉伸或是壓縮狀態(tài)下，碳纖維混凝土材料的體積電導(dǎo)率會隨疲勞次數(shù)發(fā)生不可逆的降低。因此，可以應(yīng)用這一現(xiàn)象對混凝土材料的疲勞損傷進行監(jiān)測。4.3溫度自監(jiān)控混凝土含有碳纖維的混凝土還會產(chǎn)生熱電效應(yīng)（Seebeck效應(yīng)）。碳纖維混凝土內(nèi)部存在溫度場時，會導(dǎo)致電場產(chǎn)生，且其冷端為負極，熱端為正極。試驗表明，在最高為70℃，最大溫差為50℃的范圍內(nèi)，溫差電動勢E與溫差ΔT之間具有良好穩(wěn)定的線性關(guān)系。碳纖維混凝土的熱電效應(yīng)可以應(yīng)用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)體系的溫度分布特征。在普通硅酸鹽水泥中加入碳纖維，其溫差電動勢率可達18uv／℃，相當于銅／康銅熱電偶溫差電動勢率的1／20，可對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部或構(gòu)筑物環(huán)境的溫度分布進行監(jiān)控。4.4具有電熱效應(yīng)的混凝土北方寒冷地區(qū)公路路面、鐵路站臺、機場跑道為了防止結(jié)冰或除冰往往鋪撒大量的鹽，致使鋼筋銹蝕加劇，造成了巨大的經(jīng)濟損失。在混凝土中摻加碳墨、碳纖維、鋼纖維，鈦絲網(wǎng)等具有導(dǎo)電功能的組分可使混凝土具有導(dǎo)電功能，通過熱電效應(yīng)，使除冰工作簡便易行，因此可利用它建造公路路面、鐵路站臺、機場跑道。此外，采用導(dǎo)電混凝土還可對其中的鋼筋實行陰極保護，避免鋼筋銹蝕．導(dǎo)電混凝土又可用于設(shè)備接地，防靜電等。導(dǎo)電混凝土可以通過添加石墨、碳黑等導(dǎo)電骨料來實現(xiàn)，但由于導(dǎo)電骨料的吸水率較高，為了保持混凝土的可施工性，必須增大混凝土的水灰比，因此傳統(tǒng)導(dǎo)電混凝土的強度比較低，一般低于25Mpa。碳纖維混凝土也具有在電場作用下發(fā)熱的特性，而添加碳纖維的混凝土不僅電導(dǎo)率較小，而且其力學(xué)性能也比較優(yōu)良，因此以碳纖維為基礎(chǔ)的導(dǎo)電混凝土具有良好的應(yīng)用前景。研究表明，碳纖維混凝土在-18℃融化2mm的冰平均能耗僅為0.885kW.h／m2。4.5屏蔽電磁輻射功能隨著電子信息時代的到來，各種電器電子設(shè)備（廣播通信設(shè)備、家用電器、電子測量儀器、加熱設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等）的數(shù)量迅速增長，導(dǎo)致電磁泄漏問題越來越嚴重，而且電磁泄漏場的頻率分布極寬，從超低頻(ELF)到毫米波，它可能干擾通信、導(dǎo)航，甚至危害人體健康。因此電磁污染也是一種災(zāi)害。此外，使館、軍事基地等保密機關(guān)及銀行和商業(yè)部門的計算機數(shù)據(jù)有可能通過無線電波而泄漏出去。在混凝土中加入碳纖維、鐵氧體等功能性組分可使混凝土具有屏蔽電磁輻射的功能。例如：厚度僅為幾個毫米的碳纖維水泥石就具有非常優(yōu)良的電磁屏蔽特性。由于碳纖維混凝土還具有自感知的功能，因此基于碳纖維混凝土的電磁屏蔽技術(shù)具有非常良好的應(yīng)用前景。4.6屏蔽磁場功能地下電力傳輸線和電力設(shè)施如變壓器、開關(guān)等產(chǎn)生磁場，足以影響人們的健康，已引起一些衛(wèi)生組織的注意，要求路面和某些建筑物等具有屏蔽磁場的功能。在混凝土中摻加5％(體積分數(shù))的鋼質(zhì)曲別針后，由于曲別針具有相互連接的傾向，足以形成屏蔽磁場所需要的由曲別針連接的網(wǎng)，可以使混凝土具有與鋼絲網(wǎng)相媲美的屏蔽磁場的功能，同時它不會降低混凝土的抗壓強度。4.7具有反射電磁波功能的混凝土在智能化交通系統(tǒng)中，汽車行駛由電腦控制。通過對高速公路上的標記識別，電腦系統(tǒng)可以確定汽車的行駛線路、速度等參數(shù)，例如，在車道兩側(cè)安裝磁性標記，由汽車上的磁感傳感器識別，控制汽車的行駛線路，但是這項技術(shù)非常昂貴，不易實現(xiàn)。如果在混凝土中加入直徑為0.1um的碳纖維微絲，可使混凝土具有反射電磁波的性能。碳纖維摻量為0.5％(體積分數(shù))的混凝土對1GHz電磁波的反射強度高于透射強度29dB，而普通混凝土的反射強度低于透射強度3—11dB。采用這種混凝土作為車道兩側(cè)的導(dǎo)航標記，可實現(xiàn)自動化高速公路的導(dǎo)航：由汽車上的電磁波發(fā)射器向車道兩側(cè)的導(dǎo)航標記發(fā)射電磁波，經(jīng)過反射，再由汽車上的電磁波接收器接收，以判斷并控制汽車的行駛線路。這項技術(shù)成本低，混凝土力學(xué)性能好，可靠性、準確性高，耐久性好。此外，通過標定這種自感應(yīng)混凝土，研究人員能決定阻抗和載重之間的關(guān)系，由此可確定以自感應(yīng)混凝土做的公路上車輛的方位、重量和速度等參數(shù)，為交通管理的智能化提供了材料基礎(chǔ)。4.8調(diào)濕性混凝土在混凝土中加入調(diào)濕性組分——沸石(zeolite)可以制成調(diào)濕性混凝土。從經(jīng)濟上考慮，一般采用天然沸石作為調(diào)濕組分。天然沸石有40余種，在地球上存在著高品質(zhì)的天然沸石礦。天然沸石礦物是具有結(jié)晶水的鈣硅酸鹽，其內(nèi)部含有0.3—0.9nm的孔隙，這些孔隙對水分以及NOX。和SOX氣體有選擇性吸附的性質(zhì)。采用天然沸石制成的調(diào)濕性混凝土的特點是：優(yōu)先吸附水分；水蒸氣壓力低的地方，其吸濕容量大；吸放濕與溫度相關(guān)，溫度上升時放濕，溫度下降時吸濕。調(diào)濕性混凝土比較適用于對濕度控制要求較高的美術(shù)館之類的建筑物。如世界首例使用沸石板的工程是1991年日本月黑雅敘園美術(shù)館內(nèi)壁，此后還曾用于成天山書法美術(shù)館、東京攝影美術(shù)館等。4.9自愈合混凝土自修復(fù)混凝土是模仿動物的骨組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機理,采用粘接材料和基材相復(fù)合的方法,對材料損傷破壞具有自行愈合和再生功能,恢復(fù)甚至提高材料性能的新型復(fù)合材料。日本學(xué)者將內(nèi)含粘接劑的空心膠囊摻入混凝土材料中,一旦混凝土材料在外力作用下發(fā)生開裂，空心膠囊就會破裂而釋放粘結(jié)劑，粘結(jié)劑流向開裂處，使之重新粘結(jié)起來，起到愈傷的效果。美國伊利諾伊斯大學(xué)的CarolynDry在1994年采用類似的方法,所不同的是以玻璃空心纖維替代空心膠囊，其內(nèi)注入縮醛高分子溶液作為粘接劑。在此基礎(chǔ)上,CarolynDry還根據(jù)動物骨骼的結(jié)構(gòu)和形成機理,嘗試制備仿生混凝土材料。其基本原理是采用磷酸鈣水泥(含有單聚物)為基體材料,其中加入多孔的編織纖維網(wǎng),在水泥水化和硬化過程中，多孔纖維釋放出聚合反應(yīng)引發(fā)劑,與單聚物聚合成高聚物,聚合反應(yīng)留下的水分參與水泥水化。因此,在纖維網(wǎng)的表面形成大量有機及無機物質(zhì),它們互相穿插粘結(jié)，最終形成的復(fù)合材料是與動物骨骼結(jié)構(gòu)相似的無機有機相結(jié)合的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的強度及延性等性能。而且,在材料使用過程中,如果發(fā)生損傷,多孔有機纖維會釋放高聚物，愈合損傷。4.10自調(diào)節(jié)混凝土混凝土結(jié)構(gòu)除了正常負荷外，人們還希望它在受臺風(fēng)、地震等自然災(zāi)害期間，能夠調(diào)整承載能力和減緩結(jié)構(gòu)振動?；炷帘旧硎嵌栊圆牧?，要達到自調(diào)節(jié)的目的，必須復(fù)合具有驅(qū)動功能的組件材料。90年代初,日本建設(shè)省建筑研究所曾與美國國家科學(xué)基金會合作研制了具有調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)承載能力的自調(diào)節(jié)混凝土材料。其基本方法是在混凝土中埋入形狀記憶合金。利用形狀記憶合金對溫度的敏感性和不同溫度下恢復(fù)相應(yīng)形狀的功能，在混凝土結(jié)構(gòu)受到異常荷載干擾下，通過記憶合金形狀的變化，使混凝土內(nèi)部應(yīng)力重分布并產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力。近年來，同濟大學(xué)混凝土材料研究國家重點實驗室也曾嘗試在混凝土中復(fù)合電流變流(一種在外界電場作用下可產(chǎn)生粘性、塑性和彈性等流變性能雙向變化的懸膠液)來研制自調(diào)節(jié)混凝土材料。利用電粘性流體的電—流變效應(yīng)，在混凝土結(jié)構(gòu)受地震或臺風(fēng)襲擊時調(diào)整其內(nèi)部的流變特性，改變結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼特性以達到減振的目的。5智能材料—結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在土木工程中的應(yīng)用目前智能材料—結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用對象是質(zhì)量較輕和價格較貴的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及汽車、航空航天飛行器等。那么，它在土木工程中的應(yīng)用前景如何呢?考慮到土木工程結(jié)構(gòu)體形大、結(jié)構(gòu)材料粗糙(如混凝土)和結(jié)構(gòu)荷載巨大，因此智能材料—結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在土木工程中的應(yīng)用方式顯然有別于一般的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。目前智能材料—結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用途徑主要有以下兩個方面：具有自診斷和自適應(yīng)功能的機敏混凝土結(jié)構(gòu)；具有感覺和自我調(diào)節(jié)功能的智能減振結(jié)構(gòu)。5.1具有自診斷和自適應(yīng)功能的機敏混凝土結(jié)構(gòu)將機敏材料融合到混凝土中，可使混凝土構(gòu)件具有自診斷、自增強、自我調(diào)節(jié)和自愈合的功能。按機敏材料與結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)合的狀況，機敏材料可分為本征和非本征兩大類。當機敏材料與結(jié)構(gòu)混凝土具有相同的物理特征時，即為本征機敏材料（如碳纖維混凝土），反之則為非本征機敏材料（如光纖、記憶合金、愈合管道等）。根據(jù)機敏混凝土結(jié)構(gòu)自診斷、自適應(yīng)功能目標的不同，它大概可分為：具有裂縫自診斷和主動控制功能的機敏混凝土結(jié)構(gòu)；具有裂縫自愈合功能的機敏混凝土結(jié)構(gòu)；具有應(yīng)力狀態(tài)自診斷功能的壓敏混凝土結(jié)構(gòu)；具有溫度分布自診斷和自調(diào)節(jié)功能的溫敏混凝土結(jié)構(gòu)；具有結(jié)構(gòu)變形自監(jiān)測和自適應(yīng)功能的機敏混凝土結(jié)構(gòu)；具有鋼索應(yīng)力自監(jiān)測功能的機敏鋼索結(jié)構(gòu)。5.1.1自診斷光纖機敏混凝土結(jié)構(gòu)的工作原理用光纖材料制作機敏混凝土結(jié)構(gòu)是將光纖直接埋人混凝土結(jié)構(gòu)中。這樣，當結(jié)構(gòu)因受力和溫度變化產(chǎn)生變形或裂縫時，就會引起埋置其中的光纖產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致通過光纖的光在強度、相位、波長及偏振等方面發(fā)生變化。由于光纖傳感器就制作在光纖上或直接利用光纖本身，因此通過它就可獲取的光的變化信息，從而可確定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形或裂縫，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形和裂紋的自監(jiān)測和自診斷。由于光纖感知可實現(xiàn)分布式監(jiān)測，即在混凝土結(jié)構(gòu)中布設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)，就可以監(jiān)測結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力和變形。即使是結(jié)構(gòu)上隨機發(fā)生的裂縫，只要與光纖網(wǎng)絡(luò)相交，就可通過光時域反射儀(OTDR)對光纖中后反射光的信息進行分析，從而對裂縫定位。這充分說明，光纖機敏混凝土結(jié)構(gòu)是一種具有強大自監(jiān)測和自診斷功能的智能結(jié)構(gòu)。5.1.2自診斷光纖機敏混凝土結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用1)混凝土養(yǎng)護中溫度及應(yīng)力的自監(jiān)測大體積混凝土養(yǎng)護過程中將有大量的熱量釋放，從而在混凝土中產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度裂縫。為防止溫度裂縫的發(fā)生，可通過埋置于混凝土中的光纖溫度感知器監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫度，為養(yǎng)護過程中控制冷卻速率提供依據(jù)。這已在日本輸水隧洞施工的混凝土養(yǎng)護中得到應(yīng)用。2)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的自監(jiān)測和自診斷混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫可分為由應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)裂縫和由溫度引起的溫度裂縫。前者危及結(jié)構(gòu)的安全，后者影響結(jié)構(gòu)的使用。因此，及時發(fā)現(xiàn)和處理混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫尤為重要。裂縫的發(fā)生可以用埋設(shè)在混凝土中光纖光強的變化監(jiān)測，而裂縫的定位可用多模光纖在裂縫處光強的突然下降或OTDR診斷完成。圖10—10為采用OTDR的混凝土裂縫光纖感知布置的示意圖和衰減曲線。由圖可見，通過衰減曲線上的裂縫損耗突變點，可以準確地確定裂縫的位置。目前通過光纖機敏混凝土實現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的監(jiān)測已用于美國Schiessbergstrasse大橋的橋面監(jiān)測。3)混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變和變形的自監(jiān)測對于大型的混凝土結(jié)構(gòu)，監(jiān)測應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)是重要的，因為這將有助于掌握大型結(jié)構(gòu)中主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工作狀態(tài)及混凝土中溫度和蠕變的影響。這已在Schiessbergstrasse橋上用埋入橋墩上部及橋面跨中受拉區(qū)的光纖感知器得到實現(xiàn)。此外，由于混凝土壩和堆石壩等大體積混凝土結(jié)構(gòu)有著非常高的安全要求，因此對它的變形監(jiān)測十分重要。目前人們已研究了多種光纖變形感知器，可實現(xiàn)重力壩橫縫的三向位移監(jiān)測，并已在德國的Schmalwaasser混凝土芯墻壩上應(yīng)用。4)與混凝土結(jié)構(gòu)配合的鋼索應(yīng)力和變形的自監(jiān)測若將光纖預(yù)制在樹脂或其他纖維內(nèi)，形成桿狀結(jié)構(gòu)，然后再用鋼索束繞在一起，那么此光纖就可實現(xiàn)對鋼索應(yīng)力和變形的自監(jiān)測。它可用于預(yù)應(yīng)力錨索承載力的自監(jiān)測，以診斷錨索是否會失效或破壞。目前，它已應(yīng)用在三峽工程之中。它還可應(yīng)用于斜拉橋和懸索橋的應(yīng)力和變形的自監(jiān)測等。由于光纖優(yōu)越的性能，可以附著或埋置于大體積素混凝土或鋼筋混凝土構(gòu)件中，因此是目前土木工程中最有應(yīng)用前景的傳感元件之一。最早提出將光纖傳感器應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測的是Mendez等人(1989)隨后美國、加拿大、日本和歐洲的幾個研究小組相繼做了一些將光纖傳感器埋置或附著在混凝土中的試驗，并且建成了一些埋置光纖傳感器的試點建筑。特別是Fuhr等人(1994)領(lǐng)導(dǎo)的小組，將光纖傳感器埋置在高速公路、普通及鐵路橋梁、水壩和一棟5層建筑中；Hal：el和Hofmann(1994)將F-P型光纖傳感器設(shè)置在柏林的一座已經(jīng)有裂縫的橋梁中，用來監(jiān)測由于車輛通過時引起的振動及變形狀況；蔡得所(1998)完成了三峽工程古洞口混凝上面板堆石壩的面板裂縫監(jiān)測和船閘裂縫監(jiān)測的分布式斜交光纖傳感技術(shù)現(xiàn)場實驗；Fuhr和他的同事在一個新建的65000ft2的大學(xué)建筑內(nèi)，埋置了約2．5英里的單模和雙模光纖傳感器，用來測試振動、風(fēng)壓，荷載、徐變以及裂縫擴展、溫度等結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)參數(shù)。由于光纖傳感器測量的量是光的強度、相位滯后、波長或光的干涉條紋改變等，因此它對土木結(jié)構(gòu)反應(yīng)過于敏感，測量范圍還應(yīng)適當放寬；光纖傳感器記錄不同原因造成的結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的綜合，但很難將某一種原因引起的變化分離出來；對于很大應(yīng)力和應(yīng)變的結(jié)構(gòu)，光纖的使用還受到限制；埋置在混凝土中的光纖傳感器的耐久性還需進一步研究。Feng等人(1994)在開發(fā)新型的適用于基礎(chǔ)建筑結(jié)構(gòu)的光纖傳感器方面做了一些工作。5.1.3碳纖維混凝土的基本特性碳纖維混凝土（CarbonFiberReinforcedConcrete，簡稱CFRC）是在普通混凝土中分散均勻地加入碳纖維而構(gòu)成的，具有壓敏性和溫敏性。在混凝土中摻入一定的碳纖維可以制成損傷自診斷混凝土。損傷自診斷混凝土本身就是傳感器，無需外接傳感器和布線，即可對混凝土內(nèi)部在拉、壓靜荷載和動荷載等外因作用下的彈性變形和塑性變形以及開裂自行診斷。其可逆的電阻率變化對應(yīng)彈性變形，不可逆的電阻率變化對應(yīng)非彈性變形和斷裂。這種混凝土可對建筑結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測，如對保密室或金庫的墻面混凝土結(jié)構(gòu)破壞時的預(yù)警，以及對高層建筑水平地板在大風(fēng)和地震產(chǎn)生搖動時的極大應(yīng)力監(jiān)測等。損傷自診斷混凝土的特點是：(1)可測量的應(yīng)變范圍大；(2)敏感度非常高。例如，通過對碳纖維作臭氧處理，摻量為0.5％(體積分數(shù))的碳纖維水泥凈漿作為傳感器的敏感度最高可達700，遠遠高于一般的電阻應(yīng)變計的敏感度(約為2)；(3)可以實時監(jiān)控動態(tài)荷載和疲勞荷載對建筑物造成的損傷。由于碳纖維是導(dǎo)電的，因此由碳纖維和碳纖維之間未水化的水泥顆粒、水化產(chǎn)物、裂紋等阻隔所形成的勢壘構(gòu)成了具有一定電阻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。隨著壓應(yīng)力的變化，碳纖維混凝土的電阻率也會變化，這就是碳纖維混凝土的壓敏性。通過試驗可以建立圖10—11所示的碳纖維混凝土壓應(yīng)力和電阻率的關(guān)系曲線。從圖中可見，此關(guān)系曲線基本可分為三段。當壓應(yīng)力較小時，AB段顯示電阻率隨壓應(yīng)力的增加而減小，這是由于混凝土內(nèi)原有裂紋在壓應(yīng)力下閉合，纖維間勢壘變窄所致。此時混凝土材料處在正常工作范圍。在BC段，隨著壓應(yīng)力的增大，一方面混凝土中開始產(chǎn)生損傷和新的裂紋，另一方面原有裂紋還在閉合之中，它們處于一種動態(tài)平衡。因此，此階段電阻率基本沒有變化，但混凝土材料巳開始出現(xiàn)損傷。而在CD段，隨著壓應(yīng)力的增大，混凝土的損傷和新的裂紋加劇，碳纖維混凝土的電阻率迅速增大。碳纖維混凝土的另一個重要特性是溫敏性。當碳纖維混凝土試塊兩端存在溫差時，會在此兩端產(chǎn)生電位差，其冷端為負極，熱端為正極，即所謂的熱電效應(yīng)。當對碳纖維混凝土施加電場時，會在混凝土中產(chǎn)生熱效應(yīng)，引起所謂的電熱效應(yīng)。這兩者都是由于碳纖維混凝土中空穴性電導(dǎo)的運動所致。利用這種物性就可以檢測到混凝土結(jié)構(gòu)中的損傷。5.1.4自診斷碳纖維壓敏混凝土結(jié)構(gòu)根據(jù)碳纖維混凝土壓應(yīng)力一電阻率的關(guān)系曲線可知，通過電阻率的變化可以測定碳纖維混凝土處于安全、損傷和破壞三個工作階段的哪一段。通過測試碳纖維混凝土電阻率的變化并與計算機相聯(lián)，可直接反映其所在結(jié)構(gòu)部分混凝土所處的工作狀態(tài)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的在線監(jiān)測。當結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力接近損傷區(qū)或破壞區(qū)時可自動報警。這就是具有自診斷功能的碳纖維壓敏混凝土結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用于大壩、橋梁及重要的建筑結(jié)構(gòu)。它已在長江三峽工地的圍堰上應(yīng)用，并取得較好的效果。5.1.5自診斷和自適應(yīng)碳纖維溫敏混凝土結(jié)構(gòu)由于碳纖維混凝土具有熱敏性，因此把它“植入”混凝土結(jié)構(gòu)時，既可對混凝土結(jié)構(gòu)進行溫度分布自診斷，又可根據(jù)診斷結(jié)果實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度自適應(yīng)。圖10—12是碳纖維混凝土溫度自診斷、自適應(yīng)試驗系統(tǒng)。當此系統(tǒng)啟動時，碳纖維混凝土執(zhí)行器的溫度由輸出的電壓信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器輸入到單片機進行信息處理，并判斷是否達到控制溫度。再由此自適應(yīng)決定是啟動還是關(guān)閉碳纖維混凝土執(zhí)行器兩端的電源，以使其溫度保持定值。在國外，自診斷自適應(yīng)碳纖維溫敏混凝土已被應(yīng)用于機場道路及橋梁路面的自適應(yīng)融雪和融冰上，取得了很好的效果。而且除了自感應(yīng)功能外，這種混凝土材料還可應(yīng)用于工業(yè)防靜電結(jié)構(gòu)、公路路面、機場跑道等處化雪除冰、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的陰極保護、住宅及養(yǎng)殖場的電熱結(jié)構(gòu)等。此外，采用高鋁水泥和石墨、碳纖維等耐高溫導(dǎo)電組分可以制備出耐高溫的混凝土材料，用作新型發(fā)熱源。5.1.5自修復(fù)材料與損傷應(yīng)急控制措施土木工程結(jié)構(gòu)的損傷修復(fù)包括局部損傷的自修復(fù)與重大損傷的報警與應(yīng)急控制，結(jié)構(gòu)局部損傷的自修復(fù)功能主要是鋼或鋼筋混凝土構(gòu)件、節(jié)點的裂縫修復(fù)。在鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件和節(jié)點材料微孔內(nèi)預(yù)埋裂縫擴展時能發(fā)生相變的物質(zhì)或能促進氧化過程的物質(zhì)。例如在鉬鋼中分散——些二氧化鋯微粒，當材料內(nèi)部裂縫擴展時，二氧化鉛粒子發(fā)生相變，從而緩解裂縫尖端的應(yīng)力集中，阻止損傷的發(fā)展，相當于對材料進行了補強修復(fù)。對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件和節(jié)點，可以埋置坡璃纖維和“自愈”聚丙烯纖維迂回穿插于混凝土中，當混凝土開裂時會撕扯這種“自愈”纖維，使其釋放出能充填裂縫的混合物進行修復(fù)；或預(yù)埋能釋放出緩蝕劑抑制鋼筋的腐蝕。根據(jù)人體傷口由“破裂一流血一凝結(jié)一愈合”的過程可知，若在混凝土中沿受拉方向分層布置一些注入縮聚高分子溶液的玻璃纖維管(圖10—13)，那么當混凝土受拉開裂時，這些玻璃纖維管道也會破裂，其中的溶液流至裂縫處硬結(jié)，從而實現(xiàn)混凝土裂縫的自愈合。粘結(jié)劑可分3種：（1）剛度較小的粘結(jié)劑，其作用是吸振，以減輕地震、大風(fēng)對建筑物的破壞；（2）剛度大的粘結(jié)劑，用于恢復(fù)結(jié)構(gòu)的剛度和強度；（3）固化時間合適的粘結(jié)劑，用于控制結(jié)構(gòu)的變形。根據(jù)已做的試驗可知，玻璃纖維管中的內(nèi)壓力對于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫自愈合的質(zhì)量是十分重要的。當管內(nèi)壓力加大到0.23MPa時，纖維管便破裂，其中的修復(fù)劑就迅速流到裂縫破損處，使95％以上的裂縫都能得到粘合。結(jié)構(gòu)的損傷也可以通過在結(jié)構(gòu)中預(yù)埋感知元件和驅(qū)動裝置控制損傷發(fā)展，恢復(fù)結(jié)構(gòu)的使用功能。但是，土木工程結(jié)構(gòu)的使用期通常長達幾十年、甚至上百年，利用預(yù)埋的驅(qū)動裝置長期控制損傷，保持結(jié)構(gòu)的使用功能是需要研究的難題。對于結(jié)構(gòu)的重大損傷，預(yù)埋感知元件發(fā)出警報并使驅(qū)動裝置應(yīng)急地控制損傷，然后施行永久性的修復(fù)，是一條可以實現(xiàn)的途徑。由于電流變體可在通入很小的電流后幾微秒時間內(nèi)固化，因而它在要求自動回復(fù)或修補的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)中有極其重要的作用。北卡羅林納大學(xué)的Conrad等人正在研究用電流變體充注的智能板梁結(jié)構(gòu)。當板梁振動時，用傳感器探頭探測振動信號，并輸送給計算機，由計算機根據(jù)振動情況對梁施加電壓，使液體固化，從而使板梁更加強韌。振動減弱后，電壓消除，電流變體恢復(fù)液態(tài)，梁又變得很有柔性?？梢栽O(shè)想，如將微型傳感元件、微型計算機芯片、形狀記憶合金、電流變體及壓電材料等經(jīng)設(shè)計后復(fù)合在結(jié)構(gòu)體中，就有可能研制出帶有感知及判斷能力，可自動加固及防護的自適應(yīng)性智能結(jié)構(gòu)。這樣結(jié)構(gòu)的橋梁或一些重要建筑物的支撐體遭受到突然沖擊(如地震)時，能防止災(zāi)難性事故。5.2具有感覺和自我調(diào)節(jié)功能的智能減振結(jié)構(gòu)這類結(jié)構(gòu)由可調(diào)參數(shù)智能結(jié)構(gòu)構(gòu)件和普通結(jié)構(gòu)構(gòu)件組合而成。它是以普通動力感知器作為結(jié)構(gòu)振動狀態(tài)的“感覺神經(jīng)”，由智能材料調(diào)節(jié)器根據(jù)感覺神經(jīng)測得的結(jié)構(gòu)振動狀態(tài)自我調(diào)節(jié)智能結(jié)構(gòu)構(gòu)件的參數(shù)來實現(xiàn)減小整個結(jié)構(gòu)振動。因此，從根本上說，它與普通的半主動控制結(jié)構(gòu)是一樣的，只是在調(diào)節(jié)參數(shù)的手段上采用了智能材料。由于智能材料調(diào)節(jié)器是通過改變外加電場或磁場的強度調(diào)整材料狀態(tài)從而調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)的，因此它的變化速率要大大快于常規(guī)半主動控制中使用的電磁閥裝置。這就使得智能減振結(jié)構(gòu)幾乎沒有時滯，控制的品質(zhì)大大優(yōu)于常規(guī)的半主動控制結(jié)構(gòu)，這也就是智能減振結(jié)構(gòu)具有旺盛生命力的原因所在。應(yīng)該看到，由于土木工程結(jié)構(gòu)所具有的結(jié)構(gòu)龐大、結(jié)構(gòu)材料粗糙和承載巨大等特點及目前智能材料功能的不完善，因此要在土木工程結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)智能主動控制振動還是困難的。但是，利用某些智能材料的特殊功能是可以制作性能優(yōu)良的被動控制裝置的。5.2.1電／磁流變液(ER／MR)智能減振5.2.1.1電流變液智能半主動控制結(jié)構(gòu)的工作原理根據(jù)電流變液的特性可知，它可用于工程結(jié)構(gòu)風(fēng)振和地震反應(yīng)的減振控制。但是它不能做主動控制的驅(qū)動器，因為電流變液盡管可連續(xù)“變硬”和“變軟”，且有很快的速率，但是“變硬”的程度十分有限。根據(jù)已有的試驗結(jié)果可知，它可達到的最大屈服剪應(yīng)力一般不會超過6kPa，因而無法減小土木工程結(jié)構(gòu)振動的主動控制力。惟一可以做的是將它制作成可調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)的智能調(diào)節(jié)器，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)振動的半主動控制，減小結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)。ER智能調(diào)節(jié)器實際上是由電流變閥控制的可調(diào)阻尼器。按照電流變閥類型的不同，可將ER智能調(diào)節(jié)器分為兩類，即運動電流變閥調(diào)節(jié)器和固定電流變閥調(diào)節(jié)器，詳見圖10—15所示。由圖中可見，調(diào)節(jié)器中的活塞只有克服了閥中電流變液的屈服剪應(yīng)力，使其產(chǎn)生塑性流動，才能在缸體中運動。因此，只要調(diào)整電流變閥中的電場強度，就可調(diào)整調(diào)節(jié)器中活塞運動阻尼力的大小，從而使調(diào)節(jié)器參數(shù)可調(diào)。根據(jù)電流變液剪應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系，可以導(dǎo)得ER智能調(diào)節(jié)器的阻尼力和活塞一缸體相對速度的關(guān)系。它也可近似用粘滯阻尼力和庫侖阻尼力之和表示，其中粘滯系數(shù)Cd將不隨電流變閥中電場強度的變化而變化，庫侖阻尼力幅值Fa可通過調(diào)整電流變閥中電場強度來改變。ER智能可調(diào)參數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般是由ER智能調(diào)節(jié)器和結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成（如框架結(jié)構(gòu)所用的ER支撐就由ER調(diào)節(jié)器和支撐組成，桁架結(jié)構(gòu)所用的ER桿件就由桿件串聯(lián)ER調(diào)節(jié)器組成），因此根據(jù)ER智能可調(diào)參數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件在整個結(jié)構(gòu)中所起的作用不同可將它分為兩大類。第一類是僅作為減小結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)的可調(diào)參數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，它的力學(xué)模型見圖10—16(a)。第二類是既作結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件，又作為減小結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)的可調(diào)參數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，它的力學(xué)模型見圖10—16(b)。其中Cd＼Fd(t)為ER智能調(diào)節(jié)器的粘滯阻尼系數(shù)和可調(diào)庫侖阻尼力，K1和K2分別是ER智能可調(diào)參數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力部分的剛度系數(shù)和調(diào)整參數(shù)部分與ER調(diào)節(jié)器串聯(lián)的剛度系數(shù)。ER智能半主動控制結(jié)構(gòu)由ER智能可調(diào)參數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和普通結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成。它根據(jù)結(jié)構(gòu)的瞬時振動反應(yīng)，依一定的控制策略去調(diào)整ER智能結(jié)構(gòu)構(gòu)件的瞬時參數(shù)，實現(xiàn)減小結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)的目標。顯然，控制策略是最關(guān)鍵的因素。根據(jù)已有的研究，這些策略可歸結(jié)為：(1)使ER智能減振結(jié)構(gòu)體系中任意瞬時都耗能，且能耗盡量大；(2)使ER智能減振結(jié)構(gòu)體系中的耗能能力等效于具有較合適粘滯阻尼系數(shù)的結(jié)構(gòu)體系；(3)使ER智能可調(diào)參數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件始終起到阻礙主體結(jié)構(gòu)振動的作用；(4)使ER智能減振結(jié)構(gòu)體系的減振效果始終向最優(yōu)主動控制的效果靠攏。5.2.1.2電流變液智能半主動控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實例為了了解ER智能半主動控制結(jié)構(gòu)的減振效果，瞿偉廉等人對一個設(shè)置ER智能可調(diào)參數(shù)支撐的三層框架結(jié)構(gòu)在最大加速度為4m/s2的EL—CENTRO水平地震干擾下的地震反應(yīng)進行了分析。分析結(jié)果表明，ER智能半主動控制結(jié)構(gòu)使原框架最大基底剪力減小了44.17％，減小量是ER耗能被動控制結(jié)構(gòu)的1.7倍，效果十分顯著。同時，還對一個設(shè)置ER智能構(gòu)件跨度為12m的鋼桁架結(jié)構(gòu)進行了EL—CENTRO垂直地震干擾下的地震反應(yīng)分析，其最大峰值加速度為1m／s2。結(jié)果表明，ER智能半主動控制結(jié)構(gòu)主要受力桿件的最大地震軸力減小了22.4％，減小量是ER耗能被動控制結(jié)構(gòu)的1.5倍，效果也十分顯著。5.2.1.3磁流變液(MR)智能減振結(jié)構(gòu)磁流變液也是一種可控流體。它是用不導(dǎo)電(或?qū)щ?的母液和均勻散布其中的磁性固體顆粒(多數(shù)用無機非金屬材料)制成的懸浮液。在磁場的作用下，磁流變液中的固體磁性顆粒會形成一束束纖維狀的鏈，橫架于兩個磁極之間。這樣，對于平行于磁場的剪切力而言，在磁場作用下磁流變液能從流動性良好的具有一定粘滯度的牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂邢喈斍魬?yīng)力的粘塑性體，即流體發(fā)生“固化”。這種特性就稱為磁流變效應(yīng)。據(jù)此可知，磁流變效應(yīng)與電流變效應(yīng)幾乎是一樣的，惟一的差別是，電流變效應(yīng)是由電場引起，而磁流變效應(yīng)是由磁場引起。MR優(yōu)于ER的主要特性是最大屈服剪應(yīng)力高和適用溫度范圍寬。而MR劣于ER流體的主要特性是逆向反應(yīng)速度慢(由于磁滯現(xiàn)象所致)和穩(wěn)定性差。由上可知，MR逆向(指磁場強度減小的方向)反應(yīng)速率較慢，無法跟上工程結(jié)構(gòu)地震和風(fēng)振反應(yīng)這種瞬息變化的過程，因此無法對結(jié)構(gòu)實現(xiàn)半主動控制。但是，MR的最大屈服剪應(yīng)力比ER高得多，因此可將其制成性能優(yōu)良的智能耗能阻尼器。并且由于MR的適用溫度范圍幾乎覆蓋了一年四季地表的氣溫，因此它還可以在野外使用，為MR智能被動控制結(jié)構(gòu)提供了更廣闊的應(yīng)用范圍。MR的剪應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系也可用Bingham模型描述。因此，對于圖10—17所示的MR耗能阻尼器，阻尼力與活塞一缸體相對速度的關(guān)系也具有與ER智能調(diào)節(jié)器相似的形式，只是在使用過程中庫侖阻尼力的幅值是不變的。因此，當把MR阻尼器用于工程結(jié)構(gòu)風(fēng)振或地震反應(yīng)的被動控制時，可用常規(guī)的被動控制的設(shè)計方法設(shè)計MR智能被動控制結(jié)構(gòu)。在石墨-樹脂空心懸臂梁內(nèi)填人電流變液，加上電壓時梁的阻尼增大，振動受到抑制，因此電流變液用于飛行器機翼和直升機轉(zhuǎn)子等時可抑制振動。利用其粘度的變化，可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的剛度，從而改變振動的固有頻率，達到減振的目的。5.2.2形狀記憶合金機敏混凝土結(jié)構(gòu)和智能減振結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)振動控制可以從兩個方面利用形狀記憶合金的特性。其一是利用其超彈性記憶效應(yīng)——高應(yīng)變循環(huán)下的滯回曲線，形狀記憶合金絲本身就可以作為阻尼耗能元件。Aiken等人（1993）在這方面做了很好的試驗，他們將形狀記憶合金絲象拉素一樣設(shè)置在三層鋼框架模型的層間，研究了合金絲有無預(yù)應(yīng)力情況下對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的控制效果。其二是利用其溫度形狀記憶效應(yīng)，將形狀記憶合金制作為溫度調(diào)節(jié)的主動控制驅(qū)動裝置.劉群和何思龍(1998)在這方面對單層結(jié)構(gòu)模型的振動控制作了初步探討。形狀記憶合金（SMA）機敏混凝土結(jié)構(gòu)和智能被動控制結(jié)構(gòu)形狀記憶合金（SMA）是一種有特殊功能的金屬材料。形狀記憶合金與普通金屬在力學(xué)性能上最大的區(qū)別是：在應(yīng)力場中,它存在應(yīng)力馬氏體相變。當應(yīng)變不超過一定的限值（一般為6%～8%）時，它是通過材料晶體結(jié)構(gòu)的改變（相變）來改變材料的