土木工程中的智能材料 —— 形状记忆合金（SMA）

SMA的概念

何谓形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA），顾名思义，即材料具有形状记忆能力。当材料的形状被改变后，其内在的形状记忆效应（Shape Memory Effect，简称SME）温度变化下可被激发出来，进而魔术般的自动产生恢复应力与应变，驱使材料恢复原状。

如下图所示的回形针，由记忆合金材料制作，致其变形后，将其置于沸水中，仅需3秒钟，便恢复了原状。

SMA回形针放入热水

形状记忆合金最早是被广泛地运用于精密尖端领域，如航空航天的宇宙天线、工业用的管接头以及医学上的心脑血管支架等。随着生产力的提高，逐渐被越来越多的应用在了土木工程行业中，并发挥着重要作用。

SMA在航空航天中的应用

SMA在医疗领域中的应用

SMA的特性

SMA材料具有形状记忆效应，只要你手速够快，双手迅速搓动产生高温，SMA就可以由弯变得挺直，回到其本来的状态。

SMA的形状记忆效应

另一个特质就是超弹性，超弹性的本质是应力诱发马氏体的相变，就是在马氏体相变开始温度以上，由于被施加应力而发生马氏体相变。“旗帜”形的应力-应变曲线说明SMA可以作为自复位结构体系的理想材料。同时，工作温度与相变温度的差值决定了材料的力学性能。

SMA超弹性示意图

最后一个就是SMA的阻尼性能，指的是材料内部在受到震动过程中发生变形损耗的振动能量的能力，也被称为是内耗。SMA所具有的相变超弹性引起超弹性滞回环的产生，使得结构具有极高的抗疲劳性能及耗能能力，以至提高结构的抗震性能。

形状记忆合金的举重表演

SMA材料在土木工程中的应用

利用SMA的形状记忆效应、电阻率大、对应变敏感等特点，把SMA丝植入混凝土，可以制成SMA机敏混凝土，实现对混凝土裂缝的自监测。即随着混凝土中裂纹的不断扩展，位于构件裂纹处的SMA的变形也不断扩大，相应的电阻值不断增高，通过电阻值的变化量和变化规律，便可判断出裂纹的具体位置和大小。同时可以通过其形状记忆及回复效应进行自调整，防止构件裂纹和损伤的进一步发展，有效地延长混凝土结构的使用寿命。

阿拉斯加路高架桥在替换桥北侧的匝道桥的桥墩时使用了形状记忆合金和纤维混凝土[3]。匝道桥桥墩高度为5 m和5.8 m，截面尺寸为1.5 m×1.5 m。中间的2个桥墩上使用了形状记忆合金钢筋，墩柱的塑性铰区域采用高延性纤维混凝土浇筑。形状记忆合金的作用是减小桥墩的残余位移，高延性纤维混凝土的作用是避免地震荷载引起的破坏。

通过结合记忆合金金属杆和可弯曲的混凝土复合材料，西雅图与里诺交接的一个新建的高速路斜坡出口成为了世界上第一个在遇到强震摇摆后，仍能恢复到原始结构形状的桥梁。在地震实验室测试中，使用记忆合金镍/钛棒和可弯曲的混凝土复合材料建造的桥梁柱在强度达到7.5级的地震后仍能恢复到其原始形状。

记忆合金镍/钛棒和可弯曲的混凝土复合材料建造的桥梁柱抗震试验

利用SMA记忆合金丝还被用来制作各种型式的阻尼器，用于结构控制包括主动控制、半主动控制及被动控制。形状记忆合金丝其自身相变引起的超弹性滞回环的产生，使得材料具有极高的抗疲劳性。最有价值的是CT阻尼器，提供了一个刚度几乎接近于零的纯库伦阻尼器。

SMA自复位阻尼器构造示意图

Han等[4]提出了一种由两根钢丝和一根Ni-Ti SMA丝组成的耗能阻尼器，通过在两层钢框架算例中安装8个该SMA阻尼器进行结构响应分析,结果表明，使用该阻尼器以后，可有效降低结构在自由振动下的动态响应，并提升结构加速度时程的衰减速率。

SMA耗能阻尼器

安装有SMA耗能阻尼器的二层钢框架

SMA耗能器的主要作用是安装在结构层间，使SMA丝随结构振动产生拉伸弹塑性变形，消耗结构在地震作用下的振动能量，从而减小结构的振动相应。SMA耗能器主要有拉伸性和剪刀型两种。

拉伸型SMA耗能器的工作原理：T型钢板左右两端有两块垂直放置的可动挡板，NiTi丝纵向穿过T型钢板及两端的可动挡板并在板的另一侧用夹具锚固，这样，可动挡板通过NiTi丝的连接紧紧鼎在T型钢板的左右两端。T型钢板通过斜撑与本层框架顶部相连，当结构在地震作用下发生振动时，T型钢板随结构斜撑一起水平移动并与结构层间变形相等。

拉伸型SMA耗能器

剪刀型SMA耗能器的工作原理类似于一把“剪刀”，两块可动挡板通过固定转轴联结，组成两个“剪刀臂”，两个“剪刀臂”由一根NiTi丝联结。活动挡板通过斜撑与本层框架顶部相连，当结构在地震作用下发生振动时，活动钢板随结构斜撑一起水平移动并与结构层间变形相等。

剪刀型SMA耗能器

总而言之，智能材料的引入应用，使土木工程这个传统的专业又焕发出更多的生机和活力。

参考文献

【1】刘严.形状记忆合金在土木工程中的研究与应用发展[J]. 中外企业家, 2018, 621(31):116.

【2】黄浩宇,张纹韶. 不同种类形状记忆合金在结构振动控制中的研究现状. 振动与冲击[J]. 2019,38(18):154-164.

【3】张妮.形状记忆合金在美国阿拉斯加路高架桥替换桥上的应用[J].世界桥梁, 2018(5).

【4】HAN Y L, LI Q S, LI A Q,et al. Structural vibration control by shape memory alloy damper[J]. Earthquake Engineering &Structural Dynamics, 2003,32(3):483-494.

【5】未注明图片来自网络

东合南是装配式钢结构基坑支护技术专家，

该技术适用于三层以内地下室开挖（15米挖深），

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造价低（节省造价10%以上）、循环使用等优势。