智能材料与结构在土木工程中的应用.doc

智能材料与结构在土木工程中的应用 1、 前言 智能材料与结构是应对军事和航空航天领域的需求而发展起来的。在20世纪70—80年代，人们开始对大型空间结构、飞机机翼和舰艇等结构的振动和形状主动控制进行研究，监测结构的即时状态，逐渐发展出一门多学科交叉的新兴学科。近年来，智能材料与结构渐渐渗入土木工程领域中。 80年代中期，航空航天需求驱动了智能材料与结构的研究与发展。1988年4月28日波音737客机在美国出现灾难性断裂事故，使美国国会意识到，为避免服役中的飞机发生类似事故，飞机应有自我诊断和及时预报系统，并通过议案，要求3年内完成Smart飞机的概念设计。 近年来，高速、重载飞行器的发展要求以及大型工程机构的安全和质量问题引起了各国政府、工程技术界的广泛关注。概括起来，关注的主要领域有：飞行器机翼的疲劳断裂监测及形状自适应控制，湍流控制的智能蒙皮；大型柔性空间机构的阻尼振动控制；桥梁、建筑等振动的主动控制以及风灾和地震时的自适应控制；机构健康监测、土建施工中的质量检测；火警探测及控制；管道系统的腐蚀和冲蚀探测，高寂静产品的噪声控制，空气质量、温度控制及减振降噪，能量的最佳利用，在用系统性能的评估和残留寿命的预测，机器人的人工四肢等。 1.1、大型土木工程结构和基础设施“健康”监测与控制的需要 土木工程领域的众多大型土木工程结构和基础设施，如大跨桥梁、高耸建筑、大跨空间结构、大型水坝、核建筑和海洋采油平台以及输油、供水、供气等管网系统等，规模庞大、结构复杂，它们的使用期都长达几十年、甚至上百年．在其服役过程中，由于环境载荷作用，疲劳效应，腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故。一旦失效，后果是灾难性的。对它们的安全性和耐久性的要求远高于一般性建筑结构。 因此，采用智能材料与结构，对重大土木工程建筑实施在线健康监测，实时监测结构的裂缝、损伤、疲劳、缺陷、腐蚀等状态；并自动调整结构内部应力应变的分布和结构的外形和位置、改变结构的特性（结构阻尼、固有频率等，对其振动、损伤和形状进行主动控制，即使材料和结构具有自感知、自判断．自适应、自恢复等智能行为具有重要意义。 目前已建成使用的许多结构和设施急需采用有效的手段监测和评定其安全状况，修复和控制损伤；新建的结构和设施总结以往的经验和教训，也已开始增设长期的“健康”监测系统及振动与损伤控制系统。 1.2、验证设计假定 建筑结构形式越来越多样化、复杂化。结构的设计理论一般是根据一定的假设提出的简化模型做出的。这些实际理论是否符合实际情况，需要进行验证。 美国80年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器，用以验证设计假定，监视施工质量和服役安全状态，例如，佛罗里达州的Sunshine Skyway Bridge桥上安装了500多个传感器；英国80年代后期开始研制和安装大型桥梁的监测仪器和设备，并调查和比较了多种长期监测系统的方案；我国香港的Lnntau Fixed Crossing大桥，青马大桥以及内陆的虎门桥和江阴长江大桥也都在施工期间装设了传感装置，用以监测建成后的服役安全状态；渤海石油公司为了确保海洋采油平台的服役安全，对海冰条件和平台状态进行了长达10余年的监测；采用分布式斜交光纤传感监测系统完成了三峡工程古洞口混凝上面板堆石坝的面板裂缝和临时船闸的大体积混凝土裂缝的现场实验。土木工程结构和基础设施体积大，跨度长，分布面积大、使用期限长，传统的传感设备组成的长期监测系统性能稳定性和耐久性都不能很好地满足工程实际的需要。近年来发展起来的高性能、大规模分布式智能传感元件为土木工程智能监测系统的发展提供了基础。 1.3、振动控制 建筑结构可能遭受地震、台风等动荷载的破坏作用，为了保证建筑的安全荷使用舒适，需要采取振动控制措施。 土木工程结构的振动控制研究和应用已有近30年的历史，大体上可以分为三个方面：隔震、耗能(阻尼)减振和主动控制。 隔震桥梁和建筑已在国内外建成了数百栋，是结构抗地震作用的一种有效途径，已经受地震的考验。耗能减振是在结构中设置阻尼耗能元件和吸振系统，耗散结构振动的能量，从而减轻结构的动力反应，是结构抗风，抗地震作用的有效途径。例如，美国纽约的世界贸易大楼设置了10000个粘弹性耗能元件，有效地控制了结构的风振反应；我国近期完成的沈阳市政府大楼，北京饭店和北京火车站的抗震力口固分别设置了摩擦型和粘滞型阻尼元件，有效地提高了结构的抗震能力。直接将能量转变为控制力的主动控制在土木工程中的应用遇到了很大的困难——需要很大的能量转变为控制力，人们不得不转向AMD、变刚度和变阻尼等机械调节式半主动控制装置。智能驱动材料的发展为土木工程结构的振动控制开辟了新的天地。例如，美国Lord公司已经研制出能耗22W、最大出力达20t的磁