智能材料在建筑工程结构振动控制中的应用

摘要：介绍了几种智能材料：电流变流体、磁流变流体、压电陶瓷、磁致伸缩材料、形状记忆合金、磁致形状记忆合金等，在土木工程中常用的智能材料的性能、基本工作原理及其工程应用，指出了在研究与应用过程中存在的一些问题，展望了今后的发展方向。

关键词：智能材料；结构振动控制；建筑工程；应用

中图分类号： TU198文献标识码： A

所谓结构振动控制（简称为结构控制），指通过采取一定的控制措施以减轻或抑制结构由于动力荷载所引起的反应。结构振动控制技术根据所采取的控制措施是否需要外部能源可分为：被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制和智能控制。[]

智能材料的出现和发展为结构振动控制提供了一条崭新的实现途径，应用智能材料的结构控制己成为振动控制研究的前沿领域。由智能材料制成的控制器具有构造简单、调节驱动容易、能耗小、反应迅速、无时滞等优点，在结构振动控制中具有广阔的应用前景。

1 结构振动控制

1.1 被动控制

被动控制是一种不需要外部能源的结构控制技术，一般是指在结构的某个部位附加一个子系统，或对结构自身的某些构件做构造上的处理以改变结构体系的动力特性。被动控制因其构造简单、造价低、易于维护且无需外部能源支持等优点从而引起了广泛的关注。

1.2 主动控制

主动控制是一种需要外部能源的结构控制技术，它是通过施加与振动方向相反的控制力来实现结构控制的，其工作原理如下：传感器监测结构的动力响应和外部激励，将监测的信息送入计算机内，计算机根据给定的算法给出应施加的力的大小，最后，由外部能源驱动，控制系统产生所需的力。

1.3 半主动控制

半主动控制是利用控制机构来主动调节结构内部的参数，使结构参数处于最优状态，所需的外部能量比主动控制小得多。比起主动控制，半主动控制更容易实施而且也更为经济，而控制效果又与前者相近，因此半主动控制目前具有更大的研究和应用价值。

1.4 混合控制

混合控制是主动控制和被动控制的联合应用，使其协调起来共同工作。这种控制系统充分利用了被动控制与主动控制各自的优点，它既可以通过被动控制系统大量耗散振动能量，又可以利用主动控制系统来保证控制效果，比单纯的主动控制能节省大量的能量，因此有着良好的工程应用价值。

1.5 智能控制

在科技不断发展以及人们对结构振动控制要求提高的背景下，发展出了基于智能材料的智能结构以及智能振动控制。智能结构通常分为传感器和智能作动器两部分，其主要特点是利用智能材料提供给结构的自适应、自感知、自诊断等智能功能与生命特征，达到增强结构安全、减轻质量、降低能耗、提高性能的目标，同时利用智能控制算法实现精确的结构控制。

2 驱动材料

2.1 电/磁流变体

电流变体(ER)和磁流变体(MR)都为可控流体，分别是用不导电或不导磁的母液和均匀散布其中的固体电解质颗粒或磁性颗粒制成的悬浮液，在电场或磁场作用下，悬浮液中的固体颗粒会形成密集的纤维状链，横架于电磁场的两极之间。这样，悬浮液就从原先流动性良好的粘滞流体变为具有一定屈服剪应力的粘塑性体，这种特性称为电/磁流变效应。

电/磁流变体利用上述特性，可用于制作可调阻尼器和半主动控制器［1］～［3］，它们具有响应快、阻尼力大、功耗低等优点。以磁流变液制成的装置相比电流变液有更多的优点[4]：① 在相同的耗电功率下，磁流变液可达到的剪切屈服应力比电流变液大一个数量级，这可使在产生较大控制力和取得较好减振效果的前提下，用磁流变液制作的减振驱动器的体积小得多；② 采用磁流变液制成的控制装置所需要的能源很低（小于50 W），且其工作电压只需2~25 V，从而避免了点流变液的工作电压高达几千伏而带来的危险和不便；③ 采用磁流变液制成的控制装置具有构造简单和输出力可以随外部荷载的变化而迅速自动调节的优点；④ 能在-40~150℃的环境下工作，抗干扰能力也较强，适合于建筑工程结构。

2.2 压电材料

压电材料是具有压电效应的材料，压电效应分为正压电效应与逆压电效应。正压电效应是指对压电元件施加压力时，引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生电极化，从而导致元件表面形成电势差。利用这一现象可将压电材料制成传感元件，测量结构的变形或受力。逆压电效应指对压电元件加上电压、压电元件的内部正负电荷中心产生相对位移，导致压电元件变形。利用这一特性可将压电元件制作成驱动元件，改变结构的变形或受力。目前，压电材料利用其特性一般用于建筑结构振动的主动控制［5］、［6］，兼作传感和驱动元件。

2.3 磁致伸缩材料

因磁化状态的改变而导致磁性体产生应变的现象称为磁致伸缩现象。与压电陶瓷相比，磁致伸缩材料具有如变形大、驱动电压低、弹性模量高、频响性好等特点，是制作大能量驱动器的良好材料。磁致伸缩材料的驱动形式主要有电磁式和组合式两种。近年来许多学者利用超磁致伸缩材料制作了主动控制器，并对其进行了试验与分析，取得较好的控制效果[7]。

2.4 形状记忆合金

形状记忆合金（简称SMA）是一类对形状有记忆功能的材料，这种材料本身具有自感知、自诊断和自适应的功能。SMA由于具有可恢复变形大、在受限回复时能产生很大的驱动力、电阻对应变敏感、高阻尼性能、抗疲劳性能好，并且可以实现多种变形形式，易于同混凝土、钢等材料相结合等特点而日益受到重视。SMA不仅可以作为驱动器，而且可以作为传感器使用，尤其在结构振动控制与健康监测与诊断方面利用SMA的成果显著［5］、［8］。

2.5 磁致形状记忆合金（MSMA）

磁致形状记忆合金与传统的形状记忆合金相比，其相变的发生既可以由热诱发。也可以由磁诱发。由于磁诱发相变是在瞬间产生的，因此磁致形状记忆合金在保留了形状记忆合金大变形、大驱动力和感知功能优点的同时，还具有反应迅速、响应频率高的优点。

3 展望

随着智能材料研究的不断深入，结构振动控制的智能驱动器也必将有着广阔的应用前景。目前磁流变阻尼器的研制与应用得到了较为广泛的关注，是一种具有良好应用前景的智能控制装置。对于压电材料、磁致伸缩材料以及记忆形状记忆合金材料、磁致形状记忆合金材料等智能材料在建筑工程结构振动控制中的应用研究还有待于进一步深化。今后研究的一个重点方向应是将几种智能材料有机组合起来，做到取长补短、优势互补。对于智能材料本身的力学性能和控制的响应速度、实现方法、控制精度等问题还需要进一步的深入研究。

参考文献:

[1] 欧进萍，关新春． 磁流变耗能器及其性能［J］． 地震工程与工程振动，1998，18( 3) : 74－79.

[2] 隋莉莉，欧进萍． 半主动磁流变减振驱动器的工作原理及应用［J］． 哈尔滨建筑大学学报，2002， 35( 3) : 9－13.

[3] 胡旭林，杨光，韩秀清． 电流变阻尼器用于抑制系统的振动［J］． 吉林工学院学报，2000，21( 4) : 46－48.

[4] Aldawod M, Samali B, Naghdy F, et al. Active control of along wind response of all building using a fuzzy controller [J]. Engineering Structures,2001, 23(11): 1512-1522.

[5] 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，2006，26( 5) : 213－217.

[6] 李宏男，李军，宋钢兵． 采用压电智能材料的土木工程结构控制研究进展［J］． 建筑结构学报，2005，26( 3) : 1－9.

[7] 夏春林，丁凡，陈大军，等．超磁致伸缩材料在流体控制元件中应用研究展望［J］．液压气动与密封，1997，（2）.

[8] 瞿伟廉，李卓球，姜德生，等． 智能材料－结构系统在土木工程中的应用［J］． 地震工程与工程振动，1999，19( 3) : 87－95.

作者简介：邢博，毕业于沈阳建筑大学，获结构工程专业工学硕士学位，现从事建筑结构设计工作