形狀記憶合金在土木工程的應用論文
摘要：本文主要對形狀記憶合金（SMA）的主要性能進行分析，并且探討它在土木工程中的使用狀況，分析現在形狀記憶合金在土木工程范圍中存在的主要問題和將來的發展趨勢。
關鍵詞：形狀記憶合金；土木工程；使用價值
最近幾年，怎樣有效的提升土木工程構造的安全性、持久性是現在人們普遍關注的問題之一。通過各國學者的不斷努力和研究，針對該情況也提出了相關的解決措施，來進一步的加強結構中的安全性和穩固性。其中，因為智能材料所融合而成的智能材料結構系統在土木工程的使用過程中，不但具有強大的吸引力，還具有鮮明的革命性。現在，土木工程范圍中使用最為普遍的就是只能材料有形狀記憶合金、壓電材料、光柵光纖和磁流變體等。在豐富多樣的智能材料中，形狀記憶合金，英文名為ShapeMemoryAlloy，簡稱SMA，該材料對形狀具有一定的記憶性，該材料自身具有感知性、判斷性和自我適應性等特征。SMA因為其恢復變形大、因為受限回復時可能產生大量的驅動力、電阻對應比較敏感、高阻尼性能、抗疲勞性能好，而且還可以完成多樣化的變形模式，容易和混凝土、鋼等材料融合起來，并且受到了人們的廣泛關注，國內外很多學者對SMA在土木工程中的使用進行了相關的理論探索和實驗研究。
1SMA的主要價值
1.1形狀記憶效用（SMA）。相撞記憶效用主要表現在一些具有熱彈性或是引發馬氏體相變的材料存在于馬氏體狀態中，并且通過一定程度的變形，經過加熱并超越了馬氏體相，等到溫度消失之后，材料的形狀可以恢復到之前的模樣和體積。因為材料記憶效用各不相同，主要劃分為單程、雙程和全方位SMA，單程SMA是指材料只能進行一次動作，也就是加熱之后保持高溫時的狀態，并且一直維持；雙程SMA主要是指材料反復加熱和遇冷之后，能夠反復在高、低溫之間進行變化；全方位SMA主要是指材料在保持雙程記憶的時候，如果冷卻到特別低的溫度，就會呈現出和高溫完全不一樣的形狀。
1.2超彈性(PE)。超彈性就是指當SMA溫度超越奧式體變相完成溫度Af之后，加載應力達到了彈性極限，也就出現了非彈性應變，持續加載將會出現馬氏體相變，但是馬氏體也會因為應力的喪失而消失，雖然不加熱也會出現馬氏體逆相變，并且恢復到原來的材料狀體，也就是奧式體相，應力效用中的整體變形也會因為逆相變的出現而完全消失。
2形狀記憶合金在土木工程范圍中的使用狀況
2.1對結構振動的把控。SMA在結構振動方面的把控，能夠有效的減輕該構造在地震載荷中所出現的位移狀況，所以結構振動把控是SMA在土木工程范圍中的主要研究目標。現在，SMA主要是進行結構方面的把控，其研究內容主要集中在SMA在提升作動器使用頻率方面的效用；在被控制方面主要研究使用SMA材料構建阻尼元件和振動隔離器。只有構建完整的作動元件和智能阻尼元件，才能有效的把控結構的振動狀況。怎樣合理的使用SMA的特征來把控結構振動，尤其是把控建筑構造在震動效用中對SMA材料特征和效能的轉變，研究新穎的大應變、強大的驅動力、提升響應效率、使用穩定性的SMA材料，這些都是國外熱切關注的研究課題。
2.2對結構裂紋和損傷進行有效的監控。在現在的工程結構中最為主要的問題就是裂紋和損傷的積極探索和有效的把控，也是現在急需要處理的問題之一。在一些大型構造中，其中的關鍵受力部件對裂紋和損傷的影響十分巨大，如果出現重要的事故問題，使用傳統的技術和模式不能有效的挖掘構建中的裂紋和應力部位，這時就可以運用SMA對應變敏感、電阻率和加熱后能夠產生大回復力的特征，再融合微處理器，把傳感驅動有效的結合起來，使得自動化探索裂紋或損傷以及主動把控裂紋拓展的控制體系得以構建。把SMA制作成絲或是薄膜粘連在容易出現裂紋或應力比較聚集的范圍，如果構件出現裂紋或是損害，處在裂紋部位的SMA就會因為裂紋部位的伸展而出現位移，產生局部的變形狀況，影響材料電阻值的轉變。
隨著裂紋不斷的拓展和外部載荷的不斷增加，其中張開位移的地方也在增加，其中構建裂紋部位的SMA處的變形也會加劇，而且電阻值也會提升，其中電阻值的轉變和規律狀況，都可以通過微處理器來檢測出裂紋的狀況和位置。如果構件的裂紋或損傷上升到需要把控的范圍，SMA的轉變信號可以經過微機體系進行分析研究，從而發出自動化的控制信號，把SMA進行通電加熱，其中的溫度超過SMA相轉變點時，它內部就會出現回復效果，SMA產生動作，進行回縮。因為裂紋外部受到外載效用的影響，阻礙了其恢復的進程，所以SMA就會出現大范圍的回復力，該回復力因為裂尖展開位移的延展，也開始增大。該回復力使得裂尖受力的情況發生了轉變，驅動裂紋融合起來，相應的裂紋張開位移也開始縮小，需要對裂紋進行有效的把控。在實際操作的過程中，要精簡構造，也可以運用SMA自身的特征和偽彈性的特點來完成裂紋的有效把控。
3形狀記憶合金在土木工程中應用的不足
雖然形狀記憶合金自身的性能比較獨特，但是在結構減震控制的過程中，對它的使用也表現出了它的獨特性和發展趨勢，但是整體上來講，針對架構減震中的形狀記憶合金特性的研究還不夠詳細，發展形狀記憶合金驅動器的過程中還存在很多的不足。
3.1SMA是驅動器，在進行合金的時候需要能量的耗損，并且對SMA進行加熱或是制冷的時候，所產生的驅動力都有時間的限制，所以在控制頻率上也受到了制約。如果直接利用通電的方式進行刺激，以材料自身的電阻進行加熱，因為合金的電阻不大，刺激它需要使用大電流、較粗的導線，所以對一些智能材料實用性不強。所以在減震的SMA中，該減震合金的衰減率比較小，并且衰減率和溫度與振幅密切相關，而且該功能不強、代價較大等因素都是制約SMA在減震中使用頻率的重要因素。所以對SMA的性能進行深入探索，提升SMA驅動器的響應速度，尤其是針對結構減震有關的性能進行探索具有十分重要的作用。
3.2SMA功能材料的挖掘，轉變了過去的傳統金屬觀念，胡克定律已經不適用于該材料。所以，為了使用該材料制造主、被動控制器，需要對SMA的整體力學特性進行深入探索，構建適用于工程過程中的簡化本構模式才是處理實際問題的重要方式。
3.3使用SMA的超彈性功能和高阻尼特征來構建阻尼器從而有效的減輕構造的地震反應，并且實驗也證明了SMA在減震和抗震方面的作用，所以需要深入探究和研究新穎的形狀記憶合金主、被動控制器，而且運用SMA控制器的制作準則。還有，針對裝有SMA控制器構造的減震控制效能進行探索，SMA控制器在結構工程中的實用性和實際工程設計探索的方法研究，SMA控制器的準確性、持久性等內容都要進行深入探索。
4結束語
本文主要對SMA的主要性能和土木工程的使用前景進行了分析。雖然形狀記憶合金的理論還需要不斷的加強，它在土木工程中的使用還處于探索階段，但是人們對SMA性能的研究正在不斷的深入，相信在未來的土木工程范圍中的使用價值還是十分巨大的。
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