陸楊 李強(qiáng)

摘 要：記憶合金以其超彈性效應(yīng)、形狀記憶效應(yīng)、抗疲勞性能、抗腐蝕能力及生物相容性等特性，越來(lái)越多地用于水泥混凝土結(jié)構(gòu)中。本文對(duì)記憶合金的原理和常見合金類型進(jìn)行了介紹，并對(duì)記憶合金在混凝土結(jié)構(gòu)中的研究應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，主要包括加固柱、梁以及振動(dòng)控制等應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu); 形狀記憶合金; 結(jié)構(gòu)加固; 抗震性能

中圖分類號(hào)：TU528? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-3315（2021）11-061-002

1.引言

形狀記憶合金（SMAs）是新一代智能材料，能夠在經(jīng)歷大應(yīng)變后恢復(fù)其預(yù)定形狀，是一種特殊金屬材料，具有驅(qū)動(dòng)和感知功能;以其獨(dú)特的超彈性效應(yīng)、形狀記憶效應(yīng)、良好的抗疲勞性能、抗腐蝕能力及生物相容性，被廣泛應(yīng)用于電子儀器、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械、工程控制和能源開發(fā)等領(lǐng)域。熱激勵(lì)預(yù)變形后的記憶合金能夠產(chǎn)生較大的回復(fù)應(yīng)力，停止加熱并恢復(fù)到環(huán)境溫度后，仍有400MPa左右的回復(fù)應(yīng)力作為永久應(yīng)力保存在該材料中^[1]。

形狀記憶合金具有獨(dú)特的熱機(jī)械性能。當(dāng)受到大的塑性應(yīng)變時(shí)，它可以通過(guò)加熱恢復(fù)其原始形狀，這被稱為形狀記憶效應(yīng)（SME）。通過(guò)內(nèi)部或外部加熱將溫度提高到相變溫度以上，并使形狀記憶合金恢復(fù)其初始形狀。形狀記憶合金的另一個(gè)重要特征是其超彈性，即在載荷以及應(yīng)力消除后，能夠從非線性應(yīng)變中立即恢復(fù)其原始形狀。

由于形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性，使形狀記憶合金成為土木工程應(yīng)用中被動(dòng)、半主動(dòng)和主動(dòng)控制系統(tǒng)的絕佳選擇。本文綜述了形狀記憶合金在民用基礎(chǔ)設(shè)施中應(yīng)用的最新進(jìn)展，包括鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)。本文揭示了形狀記憶合金在土木工程結(jié)構(gòu)中的重要性，特別是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能和外部受到激勵(lì)時(shí)的能量耗散，比如地震荷載，在沒有殘余變形的加載-卸載過(guò)程中，這種增強(qiáng)是顯著的。

2.形狀記憶原理

合金形狀記憶的原理是馬氏體相變，一種無(wú)擴(kuò)散的固態(tài)位移相變。原子在其中協(xié)同運(yùn)動(dòng);新相是由原子的小的、協(xié)調(diào)的位移構(gòu)成的;晶格是扭曲的，原子沒有重組。其中相鄰原子的位移小于它們?cè)瓉?lái)的原子間距離。本質(zhì)上，馬氏體相變是通過(guò)點(diǎn)陣變形發(fā)生的，變形機(jī)制不同于塑性變形時(shí)的晶體滑移，相鄰原子發(fā)生變化，晶格結(jié)構(gòu)保持完整^[2]。

每種以一定元素按一定重量比組成的形狀記憶合金都有一個(gè)轉(zhuǎn)變溫度。在這一溫度以上將該合金加工成一定的形狀，然后將其冷卻到轉(zhuǎn)變溫度以下，人為地改變其形狀后再加熱到轉(zhuǎn)變溫度以上，該合金便會(huì)自動(dòng)地恢復(fù)到原先在轉(zhuǎn)變溫度以上加工成的形狀。

對(duì)于在土木結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，記憶合金材料可以在低溫下預(yù)拉伸、在環(huán)境溫度下安全運(yùn)輸、在較高溫度下激活、并在環(huán)境溫度下保持較高的恢復(fù)應(yīng)力值;有時(shí)還可以通過(guò)通電來(lái)激活記憶合金。

3.常見形狀記憶合金

普通SMA主要包括Ni-Ti基、Cu基、Fe基、Ag基、Au基、Co基SMA等，其中Ni-Ti基SMA性能最好，應(yīng)用最廣;Ti-Ni基SMA因其優(yōu)異的性能在不同領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但其存在相變溫度較低、對(duì)成分敏感等不足，這一方面使其在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制，不過(guò)在土木工程結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用很有前景;另一方面在工業(yè)生產(chǎn)中準(zhǔn)確控制相變溫度較難，成本較高。因此，通過(guò)添加其他元素進(jìn)一步改善性能并降低成本是研究方向之一，目前已取得了很大進(jìn)展。

從20世紀(jì)90年代開始，人們又展開了對(duì)高溫SMA的研究，目前Ti-Pt-Ir合金的回復(fù)溫度可以達(dá)到1184℃。應(yīng)指出的是，大多數(shù)高溫SMA塑性和抗疲勞性能差，制造成本較高;磁性SMA（MSMA）又稱鐵磁SMA（FSMA），其驅(qū)動(dòng)靠磁場(chǎng)傳輸而不是靠相對(duì)緩慢的傳熱機(jī)理，故可用于制作高頻（達(dá)1kHz）驅(qū)動(dòng)器;MSMA適合填補(bǔ)形狀記憶合金和磁致伸縮材料之間的技術(shù)空缺，適用于低應(yīng)力大位移的馬達(dá)和閥門場(chǎng)合。應(yīng)指出的是，MSMA硬而脆，難成形，僅適用于低溫場(chǎng)合，不適合高溫度大應(yīng)力場(chǎng)合^[3]。

4.記憶合金在水泥混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

4.1混凝土柱加固

采用SMA螺旋絲加固柱，主要可分為三步。首先對(duì)SMA絲進(jìn)行預(yù)張拉，通過(guò)應(yīng)力誘發(fā)SMA發(fā)生馬氏體相變，卸載后能殘余一定的變形;再將預(yù)張拉好的SMA（工作溫度區(qū)間內(nèi)仍處于馬氏體狀態(tài)）纏繞并錨固在墩柱塑性鉸區(qū)，錨固方式可采用多個(gè)U型箍等錨具將SMA絲末端與上一圈搭接自鎖;然后通對(duì)SMA絲進(jìn)行熱激勵(lì)，利用SMA的SME特性，迫使SMA具有回復(fù)到初始張拉前形狀的趨勢(shì)。但由于其固定受限，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很大的回復(fù)應(yīng)力，回復(fù)力反作用在墩柱結(jié)構(gòu)上，即產(chǎn)生主動(dòng)約束應(yīng)力^[4]。

通過(guò)眾多學(xué)者對(duì)SMA加固水泥混凝土柱的實(shí)踐，得到了很多規(guī)律與經(jīng)驗(yàn)。首先預(yù)應(yīng)變?cè)酱蟮腟MA提供的圍壓越大，約束混凝土的軸向峰值應(yīng)力和應(yīng)變提升越大。其次SMA主動(dòng)約束加固后剛度、峰值強(qiáng)度以及延度提升都十分明顯，效果優(yōu)于被動(dòng)約束加固，并且有效減輕混凝土損傷;另一方面記憶合金加固后的混凝土柱的破壞形態(tài)、抗剪承載力、變形性能和耗能機(jī)制等抗震性能產(chǎn)生了較為明顯的變化，破壞形態(tài)均由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榱司哂幸欢ㄑ有缘膹澕羝茐幕驈澢茐?。即SMA材料可以有效的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)，提高結(jié)構(gòu)延性性能，減小結(jié)構(gòu)的殘余變形。學(xué)者們還發(fā)現(xiàn)合金纏繞間距對(duì)加固效果起著主要影響;最后SMA約束對(duì)強(qiáng)震作用下鋼筋混凝土柱的抗震性能有顯著的改善作用。

SMA主動(dòng)加固墩柱的方法相對(duì)于傳統(tǒng)增大截面、外包套夾等被動(dòng)加固法，具有以下優(yōu)勢(shì)：可以主動(dòng)施加預(yù)應(yīng)力調(diào)整墩柱結(jié)構(gòu)受力狀態(tài);減小或彌合原結(jié)構(gòu)的裂縫及損傷;提高結(jié)構(gòu)的承載能力和延性。

4.2混凝土梁加固

最常用的記憶合金加固梁的方式是將記憶合金絲預(yù)拉伸后纏繞在梁上，采用多個(gè)錨具將SMA絲末端與上一圈搭接自鎖，加熱激活后金屬絲試圖縮短，但由于受到限制，鋼絲以圍壓應(yīng)力的形式將由其轉(zhuǎn)變引起的應(yīng)力傳遞到梁上^[5]。

將記憶合金絲預(yù)拉伸后纏繞在梁上是傳統(tǒng)的外貼加固，近年來(lái)越來(lái)越多學(xué)者研究近表面貼裝（NSM）。NSM加固技術(shù)包括將FRP或SMA鋼筋（鋼筋或條帶）插入鋼筋混凝土梁表面的預(yù)切槽中，然后用環(huán)氧膠粘劑填充，可以更直接作用于被加固構(gòu)件，減少SMA回復(fù)應(yīng)力的耗散^[6]。

以直徑3mm的Ni-Ti-Nb鋼絲為例，在梁周圍外部安裝，形成一個(gè)偽螺旋，以主動(dòng)約束或橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件，可以大幅提高抗剪強(qiáng)度，延性剪切破壞更為明顯。低成本的鐵基SMA條主動(dòng)加固鋼筋混凝土梁也可以使剪切裂縫的出現(xiàn)明顯延遲，但加固效果不如鎳鈦記憶合金。當(dāng)?shù)土蔫F基合金與近表面貼裝（NSM）技術(shù)相結(jié)合時(shí)，由于Fe-SMA具有高應(yīng)變的獨(dú)特特性，F(xiàn)e-SMA加固梁在所有預(yù)應(yīng)力水平下的延性都有顯著提高。使用鐵基記憶合金加固的效果優(yōu)于傳統(tǒng)的碳纖維布加固，主要是體現(xiàn)在破壞時(shí)的延性。

形狀記憶合金加固混凝土梁相比于傳統(tǒng)加固方法，除了可以提高承載力、控制變形、減輕混凝土損傷，還兼具裂縫修復(fù)、擾度恢復(fù)、提高延性、抗震的優(yōu)點(diǎn)。

4.3記憶合金鋼筋混凝土

混凝土被廣泛用于建造現(xiàn)代民用基礎(chǔ)設(shè)施，如建筑物和橋梁。為了防止和控制混凝土損壞的發(fā)生，很多研究將形狀記憶合金制成的桿或鋼筋嵌入混凝土。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土相比，形狀記憶合金鋼筋混凝土能吸收大量的能量，減小殘余位移，恢復(fù)外加應(yīng)力。在預(yù)應(yīng)力混凝土中，可以用形狀記憶合金桿代替近表面安裝（NSM）纖維增強(qiáng)聚合物，這樣就不再需要機(jī)械千斤頂和錨頭等預(yù)應(yīng)力工具，這種方法減少了鋼筋中的裂紋擴(kuò)展和應(yīng)力，并提高了混凝土的抗疲勞性^[7]。

在很多剪力墻和梁柱節(jié)點(diǎn)加固的研究中，一些學(xué)者將傳統(tǒng)的鋼筋替換為記憶合金制成的鋼筋，以實(shí)現(xiàn)想要的效果。對(duì)于傳統(tǒng)的剪力連接件，其本身并不具備自動(dòng)調(diào)節(jié)和耗能的能力，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是提高自身的能力來(lái)抵抗荷載以及耗散振動(dòng)能量，主要是增加剪力連接件試件的剛度和強(qiáng)度。如增大連接件的截面尺寸或提高材料的強(qiáng)度等級(jí)等。這些方法成本較高。具體表現(xiàn)為SMA作為配筋材料可以改善剪力墻的地震反應(yīng)，有效增加可恢復(fù)變形能力。SMA梁柱節(jié)點(diǎn)相比普通梁柱節(jié)點(diǎn)具有更好的自恢復(fù)性能、節(jié)點(diǎn)抗彎能力^[8]。

4.4振動(dòng)控制裝置

當(dāng)結(jié)構(gòu)受到外部擾動(dòng)或載荷時(shí)，土木結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)高度依賴于結(jié)構(gòu)內(nèi)振動(dòng)控制單元的存在，形狀記憶合金（SMAs）是其中一類越來(lái)越受關(guān)注的材料。這些合金，特別是基于Ni-Ti的SMAs，已經(jīng)應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)控制裝置的設(shè)計(jì)。

土木工程中利用形狀記憶合金大應(yīng)變循環(huán)下的滯回耗能特性，目前研制開發(fā)的形狀記憶合金振動(dòng)控制裝置主要有利用形狀記憶效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器和利用超彈性滯回耗能特性的被動(dòng)阻尼器兩類，均可有效降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)的效果更明顯。還有一些研究發(fā)現(xiàn)記憶合金振動(dòng)控制裝置可以顯著改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，大大提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

從振動(dòng)控制的方式來(lái)分類，利用形狀記憶效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器屬于智能控制;而利用超彈性滯回耗能特性的被動(dòng)阻尼器屬于被動(dòng)控制，這一類控制器是利用形狀記憶合金的超彈性特性具有高阻尼且經(jīng)較大變形后能恢復(fù)的特點(diǎn)。在被動(dòng)控制阻尼器中，最典型的就是CT阻尼器。這種阻尼器提供了一個(gè)數(shù)值不變的庫(kù)侖抵抗力，且剛度始終接近于零。只要溫度處于記憶合金的超彈性工作階段，溫度的影響可以忽略，阻尼力大小也是不變的。這兩點(diǎn)使得記憶合金振動(dòng)控制器大大優(yōu)于常規(guī)的黏彈性阻尼器^[9]。

從國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用情況來(lái)看，利用SMA的特性制作的振動(dòng)控制器具有抗疲勞性好、抗腐蝕強(qiáng)、無(wú)液體滲漏、可恢復(fù)變形大及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但要真正使形狀記憶合金材料在土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域走向?qū)嵱没?，還需要為足尺形狀記憶合金阻尼器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)^[10]。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，記憶合金由于其特殊的形狀記憶特性和能量耗散能力，在水泥混凝土結(jié)構(gòu)中，它們已被用于橋梁變形限制器、梁柱連接加固、特殊支撐、鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼筋、減震裝置和基礎(chǔ)隔離系統(tǒng)等等，應(yīng)用前景廣泛。但是記憶合金價(jià)格昂貴，尤其是鎳鈦合金，這限制了其使用。鐵、銅基合金價(jià)格相對(duì)便宜，目前應(yīng)用和研究還比較少。最后形狀記憶合金加固工藝廣泛用于水泥混凝土結(jié)構(gòu)，與鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)的應(yīng)用還很少。

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作者簡(jiǎn)介：陸楊，1997年12月生，男，江蘇鹽城人，建筑與土木工程碩士研究生，研究方向：土木工程材料的分子動(dòng)力學(xué)研究。