張 巖，崔 迪，關 萍

（大連大學 遼寧省高校復雜結構體系災害預測與防治重點實驗室，遼寧 大連 116622）

1 引言

2010年的智利8.8級地震僅有700多人遇難，這與2008年的汶川8級和2009年的海地7.3級地震相比，智利大地震的實際傷亡人數(shù)遠遠低于我們的想象。究其原因，主要是由于許多建筑物在地震中搖而不倒，倒而不潰，極大延緩了倒塌時間，給了人們更多自救、互救的時間。另外據(jù)統(tǒng)計，世界 130次巨大地震中，90%～95%的傷亡是由建筑物倒塌造成的。因此，如何減少建筑物的倒塌，是能否把災害損失降到最低的關鍵。此外，對于鋼筋混凝土結構來說，即使沒有地震作用，它也存在抗裂性差的缺陷，因此，普通鋼筋混凝土結構經(jīng)常是帶縫工作。裂縫的存在會導致鋼筋銹蝕，影響結構的耐久性，造成脹裂破壞，甚至會釀成結構傾塌事故。因此，需要改善混凝土結構自身的力學性能，從而增強工程結構的耐久性，提高其抗震、抗倒塌性能。這不僅要改善混凝土材料的力學性能，而且要尋找一種新的配筋材料來代替鋼筋。

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，簡稱SMA）是一種具有奇特的形狀記憶效應和超彈性的新型智能材料。關于它的研究可以追溯到上世紀30年代，1932年美國學者Olander在研究AuCd合金時，發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應，但在當時并未引起學者們的足夠重視。直到 1963年發(fā)現(xiàn)等原子Ti—Ni合金絲在室溫變形后，稍加熱即可發(fā)生形狀恢復這一現(xiàn)象，人們才認識了形狀記憶效應，并由此引發(fā)了對SMA材料的廣泛研究[1]。迄今為止，SMA在機械電子、生物醫(yī)療、航空航天領域已得到了越來越多的應用。在 1972年美籍華裔學者姚冶平提出結構控制這一概念后，才真正開始了 SMA在土木工程方面的研究。早期的研究多是利用SMA材料制成各種耗能裝置，近年來，隨著智能材料結構的發(fā)展，以及材料加工技術和工業(yè)化生產(chǎn)能力的提高，研究人員用 SMA來代替鋼筋，制成了智能混凝土構件或結構，并對其性能進行了廣泛和深入的研究，目前已成為防災減災工程中的研究熱點。

本文首先介紹 SMA材料所具有的獨特的性能——形狀記憶效應和超彈性，接著從這兩方面出發(fā)，分別介紹利用兩種特性制成的 SMA智能混凝土構件或結構的的研究進展與應用現(xiàn)狀。

2 SMA的特性

2.1 形狀記憶效應

形狀記憶效應是 SMA的一個重要特性，即合金在馬氏體狀體下進行一定限度的變形，在外荷載消除后對材料進行加熱，當超過馬氏體相變溫度時，材料的變形會減小，恢復到初始的情況,（見圖1）[2]。

圖1 形狀記憶效應示意圖

形狀記憶效應分為單程形狀記憶效應、雙程形狀記憶效應和全方位形狀記憶效應。單程形狀記憶效應是指材料只會發(fā)生一種動作，在加熱恢復到高溫狀態(tài)后，再進行冷卻和加熱循環(huán)，不會影響其變形；雙程形狀記憶是指材料在加熱和冷卻循環(huán)中，能反復回復高溫狀態(tài)和低溫狀態(tài)；材料在加熱時能恢復到高溫狀態(tài)，當冷卻至更低溫度時出現(xiàn)與高溫時相反的形狀為全方位形狀記憶（見表1）。

表1 形狀記憶效應分類

2.2 超彈性

超彈性是 SMA的另一重要特性。所謂超彈性是指合金在高溫時，當加載應力超過彈性極限應力時，繼續(xù)加載會誘發(fā)馬氏體相變；當應力減小時，即使不加熱也會產(chǎn)生馬氏體逆相變，直至完全消失（見圖2）。

圖2 超彈性示意圖

3 利用SMA的形狀記憶效應制成智能混凝土結構

近年來很多學者利用 SMA的形狀記憶效應制成智能混凝土構件或結構，并對其進行了試驗研究和數(shù)值模擬。結果顯示，無論是改變鋼筋的配置類型、配筋率或者預應變等，均達到了很好的試驗效果。

鄧宗才和李慶斌[3]將 SMA絲偏心埋置于尺寸為50mm×50mm×465mm的混凝土梁中，研究合金預拉伸應變值、合金配置量、通電激勵模式、試件截面尺寸及養(yǎng)護方法、混凝土齡期、合金粗細等因素對梁撓曲變形的影響規(guī)律。結果表明合金在逆相變過程中能對混凝土梁產(chǎn)生驅動力，實現(xiàn)對梁撓度的控制。

Li等[4]研究 SMA混凝土簡支梁在加載后的變形及裂縫發(fā)展情況，及通電激勵 SMA絲后產(chǎn)生的變形情況。試驗研究發(fā)現(xiàn) SMA絲產(chǎn)生的回復力減小了梁跨中的變形，并對受拉區(qū)混凝土提供壓力。同素混凝土梁相比，其承載力顯著提高。

匡亞川和歐進萍[5]利用SMA的記憶效應，在混凝土梁易產(chǎn)生裂縫的部位，預埋NiTi SMA絲。當混凝土結構在外力作用下產(chǎn)生裂縫的寬度超過允許限值時，通電激勵記憶合金絲，使之產(chǎn)生形狀回復效應。試驗結果顯示，通電激勵后，梁跨裂縫逐漸減小甚至恢復閉合。說明 SMA絲所產(chǎn)生的回復力，可以抑制裂縫的發(fā)展，實現(xiàn)裂縫的主動控制。

狄生奎等[6]在混凝土梁中沿梁長度方向埋入NiTi合金絲制成智能混凝土模型。對其進行加載，測定 NiTi合金混凝土梁在變形過程中合金絲電阻的變化，發(fā)現(xiàn)合金電阻對裂縫較為敏感。卸載后激勵合金絲，使合金溫度升高，在相變的同時產(chǎn)生回復力，使梁的變形減小甚至恢復?？衫眠@個特性實現(xiàn)對結構變形的實時、在線監(jiān)測及控制。文獻[7]中，他們又考慮到SMA與混凝土的粘結滑移問題，并且通過理論計算進行驗證，發(fā)現(xiàn)該模型中合金絲與混凝土不會發(fā)生滑移。他們同時也研究了影響合金混凝土梁回復變形的因素，如合金絲預應變、合金絲截面積等。

閻石等[8]在混凝土連續(xù)梁中埋置預應變合金絲制成預應力連續(xù)梁，對梁的兩跨跨中施加集中荷載，當變形達到一定值時，卸載并通電激勵NiTi合金絲，發(fā)現(xiàn)梁的變形逐漸減小。他們同時還研究了合金絲的配筋率、拉筋配置、粘結力、合金絲布置等因素對變形性能的影響。

有些研究人員還對 SMA線材的形式進行改進。Cui等[9]采用SMA絞線的SMA混凝土梁在加載、卸載、通電激勵合金三個階段的變形及裂縫發(fā)展情況。試驗結果表明 SMA絞線產(chǎn)生的回復力也可減小梁跨中的變形，亦可應用于混凝土結構的加固。Shimamoto等[10]對NiTi纖維、聚碳酸酯復合材料進行開發(fā)，并對其性能進行研究。將試件置于動態(tài)疲勞試驗機上，監(jiān)測形狀記憶效應對裂縫擴展的控制效果。結果表明，試件能夠有效地抗疲勞；升高溫度激勵的形狀記憶效應能夠很好的控制疲勞裂縫的擴展。

另外，一些學者由 SMA的力學性能在混凝土梁研究領域所取得的進展，聯(lián)想到了將 SMA應用于混凝土柱。將 SMA作為主筋，或作為箍筋，結合普通鋼筋混凝土原理對 SMA智能混凝土柱的實驗研究進行了探索，開辟了 SMA混凝土研究的又一新天地。

楊明理[11]將SMA作為箍筋，在通電激勵條件下，利用形狀記憶效應研究其對混凝土環(huán)向驅動的原理。制作 18個試件，對比素混凝土柱，SMA智能混凝土柱在承載時的變形。并研究了預應變、合金直徑等對環(huán)向驅動力的影響，取得了良好的試驗結果。

Moochul Shin 和 Bassem Andrawes等[12-14]對于合金混凝土柱進行了大量的試驗研究。他們利用 SMA增強混凝土柱的抗震性能，研究了一種新型主動約束方式的混凝土柱在單軸受壓下的變形情況。將具有預應變的 SMA制作成螺旋箍筋，溫度變化觸發(fā)其相變，使其產(chǎn)生回復力，對混凝土柱提供外約束。試驗結果顯示，SMA螺旋箍筋在單調加載和循環(huán)加載過程中呈現(xiàn)出了穩(wěn)固的回復力；說明 SMA螺旋筋能夠有效地對混凝土施加圍壓力。后來他們利用 SMA螺旋箍筋的形狀記憶效應進行嚴重損傷的緊急修復，經(jīng)過試驗驗證了該技術的可行性，可以應用于橋墩震害修復。

Choi等也是SMA混凝土柱研究的突出學者，他們?yōu)?SMA混凝土柱的發(fā)展也起到了很大的推動作用。他們[15-16]也做了類似的研究，但他們應用了一種新的合金——NiTiNb，并將其與 NiTi合金對比。試驗發(fā)現(xiàn)：兩種合金的套箍作用均能改善混凝土柱的強度和延性，且不會對其抗彎強度產(chǎn)生太大影響，但 NiTiNb合金的應用效果更好些。后來又研究利用混凝土的水化熱，觸動SMA的形狀記憶效應。在單軸壓縮試驗下，SMA混凝土柱呈現(xiàn)出了良好的回復力和殘余應力；與素混凝土柱相比，具有較大的破壞應變和峰值強度[17]。利用水化熱法激勵SMA雖比電源激勵法簡單，但是如何控制混凝土的水化熱仍然是一個難題。

4 利用SMA的超彈性制成混凝土結構

總結上述研究情況可以發(fā)現(xiàn)，對于利用SMA的形狀記憶效應，必須要采取一定的措施對SMA進行加熱，因此，在實際應用過程勢必要增加一些外部的設備，從而占據(jù)結構的部分使用空間并增加成本。而對于利用 SMA的超彈性就不存在這樣的問題，因此，在眾多學者對 SMA的形狀記憶效應展開深入研究的同時，利用 SMA的超彈性的研究也日漸增多。一些學者致力于將SMA的超彈性應用于結構抗震領域，研制出了多種耗能減震裝置。同時，一些學者在探索超彈性SMA在混凝土結構領域的應用，推動了超彈性 SMA混凝土結構的飛速發(fā)展。

Ayoub[18]將直徑為9.525 mm和6.35 mm的超彈性NiTi SMA棒安裝到梁底跨中部位預埋的角鋼上，對梁的裂縫和撓度進行控制，制作了 11塊混凝土立方體試塊，比較有無 SMA時混凝土立方體試塊的側限能力，取得了較好的控制效果。Saiidi等[19]采用與Ayoub相近的方法，在混凝土梁中配置了直徑為9.53 mm和12.7 mm的超彈性NiTi合金棒，對梁的裂縫和撓度進行控制（見圖3）。他們制作了8個混凝土簡支梁試件，研究配筋類型及配筋率對變形的影響，也取得了較好的試驗效果。表明超彈性NiTi合金絲可以提高梁的變形能力，卸載后也可以使合金混凝土梁的變形恢復。

Sakai等[20]對埋有超彈性SMA棒的砂漿梁進行了3點彎曲試驗，并將所作試件與普通的鋼筋混凝土梁進行了比較。試驗結果表明，SMA砂漿梁的變形范圍是鋼筋混凝土梁的7倍多，且卸載后 SMA砂漿梁的變形幾乎全部恢復，說明用SMA作為主筋，可以增強梁的變形能力和修復能力。

崔迪等[21]與 Sakai等不同，她們用 SMA絞線代替普通鋼筋，對超彈性 SMA混凝土梁和普通混凝土梁采用跨中單點加載的方式，測試其力學性能。結果表明普通混凝土梁、超彈性 SMA混凝土梁、無粘結超彈性 SMA混凝土梁以及預應力無粘結超彈性 SMA混凝土梁的力學性能存在顯著差異；預應力無粘結超彈性 SMA混凝土梁的效果最好，能夠明顯的改善混凝土梁的力學性能，提高自修復的能力和承載能力。

匡亞川和歐進萍[22]利用SMA的超彈性效應，結合修復膠黏劑的填充、粘結特性制成不同于仿生學自修復智能混凝土梁的自修復智能混凝土梁（見圖4）。其具體原理是利用NiTi SMA的超彈性效應和受限回復產(chǎn)生較大驅動力的特性，控制并恢復結構構件的變形和撓度；利用修復膠黏劑對裂縫的填充、修復特性，恢復混凝土的強度，提高結構的耐久性。SMA使裂縫面閉合，膠黏劑將兩裂縫面粘結在一起，從而實現(xiàn)混凝土損失的自修復。試驗中梁修復后的變形趨勢與修復前基本一致，修復后試件的開裂荷載有一定的提高，并出現(xiàn)了新的裂縫，證明了這一方案的可行。但是這個方案中仍有一些問題有待于進一步的探討，比如修復劑的選擇、流量控制、纖維的選擇、斷后強度問題等。

圖3 Saiidi等所用試驗梁裝置

圖4 智能修復混凝土梁

Elbahy等[23]通過數(shù)據(jù)調查研究超彈性SMA-混凝土梁的荷載——撓度關系。鑒于截面高度、寬度、配筋率、配筋彈性模量及混凝土抗壓強度的影響，采用截面分析方法預測截面彎矩——曲率關系、撓度，將結果與現(xiàn)有實驗結果比較，提出了一種適用于分析超彈性 SMA混凝土梁撓度的模型。

Wierschem等[24]對于如何將超彈性 SMA應用于混凝土柱，也展開了大量的實驗探索?；贔RP的研究，Bassem Andrawes又提出了超彈性SMA-FRP材料，并對其的力學性能研究進行了大量的研究，并確定其本構關系。將超彈性SMA-FRP應用于混凝土柱中，以改善混凝土結構的延性和阻尼性能。Billah等[25]也做了與其相似的工作，他們考慮到FRP替代普通鋼筋雖可減輕結構腐蝕破壞，但是FRP為脆性材料，造成的破壞往往是致命性的，因此提出將超彈性 SMA與FRP混合配置在混凝土柱的塑性鉸區(qū)域。數(shù)據(jù)顯示該種混凝土柱在震動在有足夠的耗能能力，顯著減小殘余應力。

Alam等[26]研究了超彈性SMA混凝土框架結構的動力反應，后來 Moni[27]又考慮到結構承載強度、延性折減、效應傳遞等因素的影響，認為該種結構比普通框架結構具有更好地抗震性能。Khaloo等[28]用有限元軟件分析配置超彈性 SMA的懸臂梁在靜載作用下的變形情況，以及在不同配筋類型及配筋率時懸臂梁的力學性能。結果表明，埋置超彈性 SMA的混凝土懸臂梁具有良好的變形能力。

5 結論與展望

SMA混凝土具有良好的力學性能，研究前景很廣闊，其中在自診斷、自修復混凝土及加固方向取得了很大的進步。很多學者致力于自診斷、自修復智能混凝土結構的研究，有的研究纖維智能混凝土結構（如匡亞川等，M.Shahria Alam等，Bassem Andrawes等）；有的研究通電激勵形狀記憶效應的智能混凝土結構（如Li等，匡亞川等，狄生奎等，閻石等等）；有的研究利用環(huán)狀SMA對墩、柱等的加固……從而推動了智能混凝土結構的發(fā)展。經(jīng)過大量的試驗研究表明，材料、電子、土木工程等多種學科交叉，使 SMA能夠應用于混凝土結構中，并有效地改善了普通混凝土結構的力學性能。

對于 SMA智能混凝土領域，雖然受配筋類型、合金造價等多種因素的制約，但仍然取得一定的發(fā)展，也已成為防災減災工程的研究熱點。但在智能混凝土結構理論發(fā)展的同時，也顯現(xiàn)出了很多問題：對于如何保證混凝土與 SMA線材良好的共同工作這個問題，文獻[5]、[7]等中均有涉及，雖可通過設置普通鋼筋改觀，但卻對裂縫的修復起到不利影響；SMA絞線雖表現(xiàn)了良好的力學性能，但是其研究時間還較短，很多理論和方法還不夠成熟；另外，SMA價格昂貴，影響其廣泛的研究與應用等等。相信解決了這些問題，會為 SMA智能混凝土的工程應用取得實質性的進展。

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