浅谈智能土木结构

摘要随着世界经济的发展，大型土木工程结构和基础设施等重要工程结构不断涌现，其服役期一般都长达数十年甚至上百年。由于环境和材料自身老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累而引起抵抗力降低，甚至导致突发事故。提高重大工程结构的可靠性和安全性，减轻或避免灾难性事故的发生势在必行。因此，人们提出了智能材料系统。

关键词 智能土木结构 概念 应用

一 智能土木结构提出的背景

建筑最初的目的是为了满足人类生活的舒适要求和安全要求。随着社会的不断进步，人类对建筑的要求也日益复杂和多样化，结构作为建筑的核心骨架，人们也对其提出了更高水平的要求。现代大型建筑物如高层建筑、大跨桥梁、大型水坝、地下建筑等都要求其土木结构能提供更高的强度，以及更好的可靠性、耐久性及安全性。同时，在现代社会中，这些大型建筑物在整个国民经济中所发挥的作用已日益重要，这也尤其要求它们应具有更强的防止灾害的能力。 传统的结构大多通过提高建筑材料的物理力学性能、采用合理的结构形式、加强施工管理以及定期结构评估与维护等传统手段来达到并满足这些要求。然而，这些传统的手段均属一种消极的、被动的方式：一旦建筑物被建成并投入使用，人们便失去了对结构的全面控制，结构失效、结构灾害的发生便不以其设计者、建造者、使用者的意志为转移了，人们对它的预测及防范工作都将是一件十分困难的事情。另外，若单纯地依靠以往那种要求保证结构具有足够的刚度、强度及延性的传统结构工程设计理念，当结构所处环境因素超越某种程度以后，就会将既不经济，又达不到预期的效果。

二 智能土木结构的内涵

人类社会进入了信息时代，现代材料技术的逐渐被广泛的应用，信息材料的生产业已实现设计制造一体化。各种具有信息采集及传输功能的材料及元器件正逐渐地进入土木工程师的视野。人们开始尝试将传感器、驱动材料紧密地融合于结构中，同时将各种控制电路、逻辑电路、信号放大器、功率放大器以及现代计算机集成于结构大系统中。通过力、热、光、化学、电磁等激励和控制，使结构不仅有承受建筑荷载的能力，还具有自感知、自分析计算、自推理及自我控制的能力。具体说来，结构将能进行参数检测及检测数据的传输，具有一定的数据实时计算处理能力，包括人工智能诊断推理，以及初步改变结构应力分布、强度、刚度、形状位置等能力，简言之，即使结构具有自诊断、自学习、自适应、自修复的能力。这就是智能土木结构概念的形成过程。 文献将智能结构定义为：“将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件（结构）具有人们期望的智能功能，这种结构称之为智能材料结构”。可见，智能结构是传统结构的功能的升华。智能结构在土木结构中的应用便称之为智能土木结构。

三智能土木结构的分类

1 按其材料智能土木结构可分为两种类型，分述如下：

（1）嵌入式智能土木结构：在基体材料如钢结构、钢筋混凝土结构中嵌入具有传感、动作和控制处理功能的材料或仪器，并集成进现代计算机硬件软件技术，由传感元件采集和 检测结构内部信息，由计算机对这些信息进行加工处理，并将处理结果通知控制处理器，由控制处理器指挥、激励驱动元件执行相应动作。

（2）基体、智能材料耦合结构：

某些结构材料本身就具有智能功能，它们能够随着自身力学、物理状态的改变而改变自身的一些其它性能。如碳纤维混凝土材料能随自身受力情况而改变其导电性能，只要探 测到这一改变，便可以间接获得结构的内部力学信息。

2 按照结构智能化目的的不同，可以分为以下几类：

（1）具有裂缝自诊断和自愈合功能的智能混凝土结构；

（2）具有应力应变状态自诊断功能的智能混凝土结构；

（3）具有变形、损伤自诊断功能的智能混凝土结构；

四 智能系统在土木工程结构中的应用

(1) 光导纤维的应用

光导纤维是利用光在两种介质面上的全反射原理制成的光导元件。光纤径细质轻、韧性好、埋人性佳、能耗低、频带宽、传输速率高、反应灵敏、抗电磁干扰能力强、耐高温、抗腐蚀，加之兼具信息感知与信息传输的双重功能，便于实现分布式和准分布式检测等特点，一直被认为是智能结构系统中的首选传感材料，并已经开始应用于土木工程结构中的“神经元”。在土木工程结构中(或在其表面)埋入(或粘贴)光纤传感器，通过分析光的传输特性，如光强、相位和波长等，即可获得光纤周围材料的应力、压强、电场、磁场、密度、温度、分和X射线等参数的变化，从而实现对土木工程结构的健康状态和安全可靠性进行实时、在线、动态监测与控制。

(2) 形状记忆合金的应用

是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能，同时具有“感知”与“驱动”的功能材料。其特点是:将已在高温下定型的形状记忆合金，置于低温或常温下使其产生塑性变形，当环境温度升高到临界温度(相变温度)时，合金变形消失并可恢复到定型时的原始状

态。在此过程中，合金能产生与温度呈函数关系的位移或力(或二者兼有)。合金的这种升温后变形消失、形状复原的现象称为形状记忆效应阎。

(3) 电致伸缩材料的应用

从某种意义上说主要是指压电材料。压电材料强调的是利用正压电效应，电致伸缩材料强调的是利用逆压电效应。事实上，压电材料是一种同时兼具正逆电机械藕合特性的功能材料，若对其施加作用力，则在它的两个电极上将感应产生等量异号电荷;反之，当它受到外加电压的作用时，便会产生机械变形，因此压电材料在智能结构中被广泛地用作传感器和驱动器。这类传感器和驱动器比其他类型的传感器和驱动器具有更为优良的频率特性和可集成特性。若将它们与其他组元有效地组合起来，则可构成一个对结构控制极为有效的智能材料系统。这个系统几乎可以完全根据设计者的意图调整结构的阻尼与自振频率等动力学特性，同时还可对结构的位移、应变、应力、加速度和破坏情况进行自动监测。

(4) 磁致伸缩材料的应用

是一种同时兼具正逆磁机械祸合特性的功能材料。当它受到外加磁场作用时，便会产生弹性变形;若对其施加作用力，则其形成的磁场将会发生相应的变化。故磁致伸缩材料在智能系统或结构中，常被用作传感器和驱动器。

(5) 功能凝胶的应用

功能凝胶又称愈合材料，是一种状态可随环境条件(如温度、压力等)而变化，并能及时向结构供给能量与物质的强力粘合的高分子材料。若将它装在脆性管道中埋人结构内部，当结构严重超载或由地震、强台风等原因造成应力过大出现局部裂纹时，则脆性管道就自行断开，呈液态的“愈合剂”便会自动渗透到裂缝的各个部位并迅速凝固，将裂缝牢牢粘合，从而达到结构自修复与环境自适应的目的[3]。目前可供采用的功能凝胶有聚酸乙烯乳液、氯丁一酚醛、聚乙烯醇缩醛等。功能凝胶主要用于各类重要结构的新建、改建、维修与加固，尤其是国家重大工程结构。

总之，智能材料系统在土木工程结构中的应用已经展现出其独特的优越性能，智能材料是21世纪的新材料，已成为当今各国普遍关注的热点和焦点。在土木工程中广泛使用智能材料，不仅增强土木工程的抵抗力，还能够有效的降低突发事故和灾难性事故的发生。

参考文献

[1]肖纪美.智能材料的来龙去脉[[J].世界科技研究与发展，1996,9(3):120-125

[2] 杨大智.智能材料和智能系统[M].天津:天津大学出版社，2000,7-410

[3]黄尚廉.智能材料系统与结构[[J].世界科技研究与发展，1996,9(3):61-63

[4]周智，欧进萍.用于土木工程的智能监测传感材料性能及比较研究[J].建筑技术，2002,33(4):270-272