黃浩宇， 張紋韶

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124； 2. 謝菲爾德大學(xué) 建筑學(xué)院，謝菲爾德S10 2TN)

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy, SMA)自20世紀60年代以來在醫(yī)療器械、機械制造、航空航天、汽車工業(yè)和土木工程領(lǐng)域得到了廣泛研究，在土木工程應(yīng)用研究中，SMA主要在消能減振、致動器控制和結(jié)構(gòu)修復(fù)等方面關(guān)注度較高[1]。SMA擁有超彈性效應(yīng)(Superelasticity Effects, SE)與形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect, SME)兩大優(yōu)良效應(yīng)，超彈性SMA具有自復(fù)位性能和高耗能特性，研究發(fā)現(xiàn)超彈性SMA有助于抑制地震作用和風(fēng)作用引起的結(jié)構(gòu)振動，并能夠降低結(jié)構(gòu)的殘余變形；SME具有通過加熱對已發(fā)生塑性變形的SMA提供恢復(fù)功能，在結(jié)構(gòu)的主動控制中和結(jié)構(gòu)修復(fù)中起到了關(guān)鍵性作用。除此之外，由于SMA具有獨特的熱力學(xué)性能和材料相變性能，可通過改變工作溫度對其剛度和阻尼特性進行調(diào)節(jié)，在結(jié)構(gòu)半主動控制中可起到重要作用。

近些年來，SMA材料的種類在不斷革新，除鎳鈦基形狀記憶合金(Ni-Ti SMA)外，銅基形狀記憶合金(Cu SMA)和鐵基形狀記憶合金(Fe SMA)的研發(fā)工作也逐漸起步。Cu SMA具有優(yōu)良的超彈性效應(yīng)，擁有較大的可恢復(fù)應(yīng)變，且成本價格估算僅為Ni-Ti SMA的十分之一左右，價格優(yōu)勢為其帶來了巨大的應(yīng)用潛力，有望在土木工程領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。SMA的種類革新為其在結(jié)構(gòu)振動控制中應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，但不同種類的SMA在相變溫度、材料力學(xué)特性、晶體結(jié)構(gòu)等方面仍存在較大差異性，對結(jié)構(gòu)振動控制的適用性也各不相同。基于近些年國內(nèi)外研究進展，本文在材料層面上歸納梳理了幾種常見SMA的發(fā)展現(xiàn)狀，并在結(jié)構(gòu)層面上總結(jié)了當(dāng)前SMA在結(jié)構(gòu)振動控制中的研究進展，分析了各類SMA的應(yīng)用前景與亟待解決的關(guān)鍵問題。

1 形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性

SMA具有獨特的相變特性，As，Af，Ms和Mf被稱為SMA的相變溫度，As和Af分別為SMA奧氏體相變的起始和結(jié)束溫度，Ms和Mf分別為SMA馬氏體相變的起始和結(jié)束溫度。當(dāng)工作溫度升高并高于SMA的相變溫度Af時，SMA發(fā)生相變至奧氏體并表現(xiàn)超彈性；當(dāng)溫度降低至低于SMA的相變溫度Mf時，SMA發(fā)生相變至馬氏體并表現(xiàn)SME，相變過程的晶體結(jié)構(gòu)變化如圖1(a)所示。如圖1(c)所示，SME的初始相位為馬氏體，塑性加載后SMA出現(xiàn)殘余變形，但通過加熱SMA至奧氏體可以使其恢復(fù)至變形前的形狀；圖1(b)表示SMA的超彈性，通過觀察應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，SMA的可恢復(fù)應(yīng)變較大，而且SMA在塑性變形后可不通過加熱即自復(fù)位至初始形狀。正因為SMA超彈性所提供的自復(fù)位速度快而且剛度較高，使其成為了結(jié)構(gòu)振動控制研究中的熱點。工作溫度與相變溫度的差值決定著材料的力學(xué)性能，有著關(guān)鍵影響力。

圖1 形狀記憶合金材料特性Fig.1 Material characteristics of shape memory alloy

2 不同種類形狀記憶合金的研究和發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀40年代SMA的特性被提出以來，SMA得到了快速發(fā)展，不同種類SMA的性能也在不斷革新?；诮Y(jié)構(gòu)振動控制的應(yīng)用背景，下文將從SMA力學(xué)性能、溫度影響、價格、安全性等方面對現(xiàn)有的幾種SMA進行研究概況綜述。

2.1 幾種SMA的力學(xué)性能

自1963年Buehler等[3]揭示了鎳鈦合金的“形狀記憶效應(yīng)”以來，Ni-TiSMA發(fā)展快速，在航空航天、機器人、自動化、生物器械和建筑中得到了商業(yè)化應(yīng)用，成為了研究和應(yīng)用中最重要的SMA材料。Ni-TiSMA受關(guān)注度程度較高，其材料特性被不斷改進，其中超彈性Ni-TiSMA的可恢復(fù)應(yīng)變可達9%[4]。在材料形態(tài)上，Ni-TiSMA已突破原有的絲材形式，實現(xiàn)了棒材、管材和板材的制造。至今，在眾多SMA種類中，Ni-TiSMA擁有著最長且最成熟的發(fā)展歷史。

之后發(fā)展的Cu SMA和Fe SMA也得到了越來越多的關(guān)注，Cu SMA可基本分為Cu-Al系SMA和Cu-Zn系SMA[5]，如Cu-Zn-Al，Cu-Al-Ni和Cu-Al-Be均是常見的研究對象。近些年來，一種新型的Cu-Al-Mn SMA被發(fā)現(xiàn)擁有與Ni-Ti SMA相比擬的材料性能，其研究趨勢不斷上漲，Araki等[6]研究表明超彈性Cu-Al-Be SMA的可恢復(fù)應(yīng)變約為4%，而Cu-Al-Mn 超彈性SMA的可恢復(fù)應(yīng)變可達到12%，其超彈性性能優(yōu)于Ni-Ti SMA。 Cu-Al-Mn SMA的耗能性質(zhì)優(yōu)良，鄭成琪等[7]通過試驗驗證了Cu-Al-Mn SMA在馬氏體態(tài)和母相態(tài)的比阻尼容量可分別高達62.64%和61.44%。研究證實單晶Cu-Al-Be SMA的耐疲勞特性優(yōu)于Ni-Ti SMA[8]；但是關(guān)于Cu-Al-Mn SMA耐疲勞特性的研究較少，僅Huang[9]對Cu-Al-Mn的φ12棒材和Ni-Ti SMA的φ7棒材的疲勞周期進行了對比試驗研究，結(jié)果顯示在0.5%～6%的應(yīng)變水平和1 Hz，5 Hz和8 Hz的動態(tài)加載頻率下，Cu-Al-Mn棒材的疲勞特性均優(yōu)于Ni-Ti SMA棒材。SMA在振動控制中的相變速率非常關(guān)鍵，當(dāng)動態(tài)荷載速率超過SMA最大相變速率時，超彈性SMA是無法工作或低效工作的。DesRoches等[10]對Ni-Ti SMA棒進行了循環(huán)加載動態(tài)試驗發(fā)現(xiàn)，SMA棒在高頻加載下卸荷段的相變反應(yīng)較差，所以造成了SMA在高頻加載下的耗能性能較弱。Soul等[11]在3×10-5～3 Hz的頻率下對Ni-Ti SMA進行加載后發(fā)現(xiàn)相似現(xiàn)象，即SMA在動態(tài)高頻加載下相變反應(yīng)滯后，帶來了超彈性弱化現(xiàn)象；所以，在工程應(yīng)用中，基于SMA結(jié)構(gòu)振動控制頻率范圍應(yīng)有所界定。Dolce等對0.02～4 Hz的加載頻率范圍內(nèi)進行了研究，未發(fā)現(xiàn)Ni-Ti SMA在高頻卸荷區(qū)未發(fā)現(xiàn)超彈性弱化現(xiàn)象；Gencturk等[12]研究了Cu-Al-Mn SMA在1 Hz，5 Hz，10 Hz和15 Hz，除15 Hz下SMA發(fā)生超彈性弱化，其余頻率下SMA超彈性性能良好。綜上所述，SMA的振動控制頻率區(qū)間應(yīng)有所界定，但不同SMA之間差異較大，所以在振動控制應(yīng)用和研究中應(yīng)對SMA實施動態(tài)材性試驗。

Fe SMA的相變溫度較高，如Fe-Mn-Si-Cr SMA的相變溫度Af約為130 ℃～185 ℃[13]，所以Fe SMA的SME特性一直是研究熱點，而其超彈性鮮有研究。Tanaka等[14]2010年在《Science》上公布了一項突破性研究，其研發(fā)的Fe-29Ni-18Co-5Al-8Ta-0.01B(質(zhì)量 %)SMA具有超彈性效應(yīng)，并且可達到13%的可恢復(fù)應(yīng)變以及1 200 MPa的抗拉強度；2011年同課題組的Omori等[15]在《Science》上公布了另一種超彈性Fe-36Mn-8Al-8.6Ni(質(zhì)量 %)SMA，同樣具有較大的可恢復(fù)應(yīng)變及抗拉強度。

表1匯集幾種代表性超彈性SMA的力學(xué)性質(zhì)對比。Cu-Al-Mn SMA的可恢復(fù)應(yīng)變能力與Ni-Ti SMA相近，耗能特性較優(yōu)，但Cu-Al-Mn SMA的彈性模量和相變應(yīng)力均低于其他種類的SMA。雖然Fe-29Ni-18Co-5Al-8Ta-0.01B SMA擁有最高的可恢復(fù)應(yīng)變與高耗能性能，但Fe-29Ni-18Co-5Al-8Ta-0.01B SMA仍處于研究階段，并且現(xiàn)有研究成果較少，對其動態(tài)特性的了解有待深入研究。

表1 SMA的力學(xué)性質(zhì)對比

2.2 各類SMA受溫度影響性能

Torra等[17]研究結(jié)果表示，Ni-Ti SMA和Cu SMA的動態(tài)力學(xué)性能均可受溫度影響而改變；隨著溫度的上升，Ni-Ti SMA和Cu SMA的相變應(yīng)力與彈性模量增長但阻尼比下降。Strnadel等[18]、Araya等、Huang等[19]和張振華等[20]分別在Ni-Ti SMA和Cu SMA的研究中發(fā)現(xiàn)了同樣的溫度效應(yīng)，即彈性模量、相變應(yīng)力和阻尼比隨溫度變化而變化。然而，Ni-Ti SMA和Cu SMA的相變應(yīng)力受溫度影響的敏感度卻盡不相同。在單位溫度下相變應(yīng)力的改變的大小稱為C-C系數(shù)(Clausius-Clapeyron Coefficient)，C-C系數(shù)可描述溫度與相變應(yīng)力之間的關(guān)系。如圖2所示，Ni-Ti SMA的C-C系數(shù)約為Cu-Al-Be SMA的6倍。Niitsu等[21]的研究發(fā)現(xiàn)Cu-Al-Mn SMA的C-C系數(shù)約為2.7 MPa/℃，遠小于Ni-Ti SMA的C-C系數(shù)。綜上所述，Ni-Ti SMA的材料性能對溫度的變化較為敏感，適用于范圍較寬的主動或半主動控制，而Cu SMA的材料性能受溫度影響較小，適用于較為精準的控制。

圖2 溫度與相變應(yīng)力之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between the temperature and the phase transformation stress

2.3 各類SMA的價格

Ni-Ti SMA雖然有著優(yōu)良的材料性質(zhì)，但價格卻在各類SMA中居高，現(xiàn)今國內(nèi)Ni-Ti SMA棒材的價格約為1 300元/kg。Araki等表示Cu SMA的價格明顯低于Ni-Ti SMA價格，其中Cu-Al-Mn SMA是價格最低的一類SMA。Cu SMA的價格低廉的原因之一是Cu SMA易加工，相比Ni-Ti SMA的制備節(jié)省了大量的時間、人工和機械操作成本。據(jù)Araki等[22]統(tǒng)計，在包括加工費用的情況下Cu SMA的價格約為Ni-Ti SMA的10%，Cu SMA的純材料價格約為Ni-Ti SMA的15%～30%。著名建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計公司奧雅納(ARUP)曾進行了一個案例研究，以日本一棟10層鋼筋混凝土建筑震后的修復(fù)費用為研究對象，計算了使用SMA修復(fù)方法相比傳統(tǒng)修復(fù)方法所增加的費用，結(jié)果顯示使用Cu SMA所增加的費用約為3.5%，而使用Ni-Ti SMA所增加的費用約為38.7%[23]。案例研究結(jié)論顯示Cu SMA的使用不會造成過多的修復(fù)費用，卻提高了結(jié)構(gòu)修復(fù)后的使用性能。但據(jù)調(diào)查，現(xiàn)今國內(nèi)Cu SMA購買渠道較少，市場價格暫不明朗。Fe SMA的價格同樣較為低廉，Janke等統(tǒng)計Fe-Mn-Si-Cr SMA的市場價格約為Ni-Ti SMA價格的8%～12%。但值得注意的是常溫下超彈性的Fe-29Ni-18Co-5Al-8Ta-0.01B SMA與Fe-36Mn-8Al-8.6Ni SMA價格將會較高，目前仍處于研究階段并沒有商業(yè)化量產(chǎn)[24]。

2.4 SMA的使用安全性

SMA在應(yīng)用中和試驗研究中不可避免與工人、研究人員和使用者產(chǎn)生接觸，SMA對人類健康的危害和使用安全性也值得重視。Ni-Ti SMA常被使用在醫(yī)療器械中，也作為心臟支架[25-27]，現(xiàn)有研究并未發(fā)現(xiàn)Ni-Ti SMA存在毒性。Ishibashi等[28]研究了Cu-Al-Mn SMA在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用，尚未發(fā)現(xiàn)對人體有害。然而，據(jù)IARC報告[29]顯示，Cu-Al-Be SMA中的化學(xué)元素鈹是一種毒性元素，有待進一步考量Cu-Al-Be SMA在建筑中的使用安全性，并且相關(guān)從業(yè)人員需要一定的保護措施。Fe SMA使用安全性研究較少，暫未發(fā)現(xiàn)對人體有害。經(jīng)文獻查閱，絕大多數(shù)SMA都不存在使用安全性的問題，但是Cu-Al-Be SMA的使用安全性值得關(guān)注。

2.5 SMA的選取

綜合以上研究成果可知，各類SMA的性能差異較大，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用工況選取合適的SMA種類。針對建筑結(jié)構(gòu)振動控制應(yīng)用，SMA的選取可總結(jié)如下：

2.5.1 風(fēng)振動以及人致振動被動控制

風(fēng)振動以及人致振動被動控制需要SMA具有較好的高周疲勞特性，需要在上百萬次小應(yīng)變水平(<1%)循環(huán)加載下保持材料的穩(wěn)定性[30]。則在此指標下，Cu-Al-Be SMA和Ni-Ti SMA較為適用，因為Cu-Al-Be SMA和Ni-Ti SMA的超彈性較好且滿足高周疲勞周期要求。單晶體Cu-Al-Mn SMA也較為適用，但相關(guān)動態(tài)力學(xué)性能研究成果較少，仍需針對不同尺寸和不同加載環(huán)境進行一定的疲勞試驗研究。

2.5.2 地震動被動控制

地震動被動控制需要SMA具有較好的低周疲勞特性，即SMA需要在100次大變形循環(huán)內(nèi)保持材料穩(wěn)定性或不被破壞；并且對SMA超彈性可恢復(fù)應(yīng)變要求較高，即殘余變形需控制在1%以內(nèi)。超彈性Cu-Al-Mn SMA較為適用，因為其在100次大變形循環(huán)周期下?lián)碛休^大的可恢復(fù)應(yīng)變，低周疲勞性能較好，可滿足選擇原則。Ni-Ti SMA，F(xiàn)e-29Ni-18Co-5Al-8Ta-0.01B SMA和Fe-36Mn-8Al-8.6Ni SMA的各方面動態(tài)力學(xué)性能和超彈性性能都較優(yōu)良，但使用成本較高。

2.5.3 結(jié)構(gòu)主動控制

結(jié)構(gòu)主動控制要求SMA表現(xiàn)SME特性，并可通過加熱施加較大的回復(fù)力以驅(qū)動結(jié)構(gòu)。SMA的選擇原則是SMA的相變溫度Mf應(yīng)大于工作溫度。所以Fe SMA(Fe-Pt，F(xiàn)e-Pd，F(xiàn)e-Ni-Co系)較為適用，因為材料相變溫度較高并表現(xiàn)SME特性，SMA變形后可通過加熱產(chǎn)生較大的作動力，可為結(jié)構(gòu)施加外力；Fe SMA的Mf與工作溫度的差值應(yīng)作為選擇的控制指標。

2.5.4 結(jié)構(gòu)半主動控制

結(jié)構(gòu)半主動控制需要SMA具有良好的受溫度控制特性，并保持超彈性效應(yīng)。所以選擇原則一是SMA的相變溫度Af應(yīng)小于工作溫度，二是SMA的C-C系數(shù)應(yīng)與結(jié)構(gòu)所需溫控速度相關(guān)。如Ni-Ti SMA較為適用于與短時間內(nèi)大幅度調(diào)節(jié)材料性能，因為Ni-Ti SMA的材料性能受溫度影響敏感，C-C系數(shù)較大，約為7.5～8 MPa/K；Cu SMA較為適用于精確調(diào)節(jié)材料性能，因為Cu SMA的C-C系數(shù)較小,約為1.25 MPa/K，溫度對材料性能的調(diào)整幅度較小。所以，結(jié)構(gòu)半主動控制中SMA的選擇指標應(yīng)主要考察相變溫度Af和C-C系數(shù)的數(shù)值。

3 形狀記憶合金用于結(jié)構(gòu)被動控制

超彈性SMA的自復(fù)位性能與高耗能特性可為結(jié)構(gòu)提供有效的被動控制。近些年來，基于SMA的被動控制方法主要通過結(jié)構(gòu)斜拉索、節(jié)點、混凝土埋入和加固實現(xiàn)。

3.1 斜拉索

鋼斜拉索在結(jié)構(gòu)工程中得到了廣泛應(yīng)用，但其較低的耗能性能、較差的延性和常發(fā)生的屈曲現(xiàn)象卻帶來了一系列的工程問題。近些年來，越來越多的研究工作探索使用SMA斜拉索耗能阻尼器解決上述問題。目前SMA斜拉索耗能阻尼器的構(gòu)成以絲材繞制為主，原因是絲材在反復(fù)荷載作用下由應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變變化較均勻并且熱量散發(fā)較快[31]。薛素鐸等[32]研發(fā)了一種新型的基于Ni-Ti SMA絲的耗能阻尼器，試驗證明循環(huán)加載下會形成比較穩(wěn)定的近似于雙線性的滯回曲線，耗能能力較優(yōu)，并且耐腐蝕和耐疲勞特性良好，適用于與結(jié)構(gòu)斜拉索協(xié)同工作。Han等[33]提出了一種由兩根鋼絲和一根Ni-Ti SMA絲組成的耗能阻尼器，如圖3(a)所示；通過在圖3(b)所示的鋼框架算例中安裝8個該SMA阻尼器，可有效降低結(jié)構(gòu)在自由振動下的動態(tài)響應(yīng)并提升了結(jié)構(gòu)加速度時程的衰減速率，Han等指出SMA的高阻尼特性為結(jié)構(gòu)的消能減振做出了巨大貢獻。Clark等[34]和Dolce等也試驗了基于Ni-Ti SMA絲材的斜拉索耗能阻尼器，他們通過調(diào)整SMA絲材的數(shù)量來調(diào)整結(jié)構(gòu)的自復(fù)位特性和阻尼特性。任文杰等[35]提出了SMA絲材應(yīng)用于斜拉索的摩擦串聯(lián)復(fù)合阻尼器，可對偏心結(jié)構(gòu)進行振動控制，研究發(fā)現(xiàn)阻尼器對扭轉(zhuǎn)振動的控制效果良好。Lafortune等[36]對SMA斜拉索施加了預(yù)應(yīng)變，可有效防止SMA斜拉索發(fā)生屈曲問題，也可以盡早誘發(fā)相變狀態(tài)，有助于能量耗散。

Dolce等和Han等表示Ni-Ti SMA在大變形下的阻尼特性較好，疲勞周期較長，可滿足抗震要求。近些年來，Ni-Ti SMA斜拉索耗能阻尼器用于抗震的研究開始增多，Auricchio等[37]、Asgarian等[38]、McCormick等[39]、Massah等[40]、Naeem等[41]、毛晨曦等[42]、陳云等[43]通過數(shù)值模擬的方法探索了Ni-Ti SMA斜拉索耗能阻尼器的抗震性能，并表示Ni-Ti SMA的阻尼特性有利于消耗能量，超彈性效應(yīng)有效保證了結(jié)構(gòu)的滯回性能?，F(xiàn)今，Ni-Ti SMA在大變形循環(huán)加載下的力學(xué)性能穩(wěn)定性、耗能穩(wěn)定性和破壞機制仍需試驗型研究深入探索。Auricchio等指出Ni-Ti SMA相變至馬氏體后由斜拉索耗能阻尼器傳導(dǎo)的力過大會引發(fā)梁、柱和節(jié)點屈服，該問題需在結(jié)構(gòu)設(shè)計中注意。

圖3 3SMA耗能阻尼器及應(yīng)用Fig.3 SMA damper and its application

Cu-Al-Mn SMA具有較優(yōu)的抗震性能(據(jù)“3.1”節(jié)所述)。如圖4所示，Araki等[44]進行了1/3的縮尺振動臺試驗，探索了超彈性Cu-Al-Mn SMA斜拉索的抗震可行性，試驗結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)被有效抑制，捏縮效應(yīng)也可有效避免，值得注意的是，Araki等的研究中使用了Cu-Al-Mn SMA棒材，相比以往研究常使用的Ni-Ti SMA絲材，耗能性能更優(yōu)、強度更高、價格更低，在土木工程應(yīng)用中具有創(chuàng)新意義，也展現(xiàn)出較高的應(yīng)用潛力。

圖4 超彈性Cu-Al-Mn SMA斜拉索耗能阻尼器設(shè)計Fig.4 Details of the bracing system design using superelastic Cu-Al-Mn SMA

3.2 節(jié) 點

在結(jié)構(gòu)振動控制中，節(jié)點是非常重要的組成部分，因為節(jié)點的剛度可顯著影響結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)[45]，還承擔(dān)著消耗能量的重要作用。據(jù)以往地震經(jīng)驗，節(jié)點是整個結(jié)構(gòu)最脆弱的部位，如木節(jié)點的鐵銷在抵御地震荷載時往往會產(chǎn)生較大的永久變形從而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)失穩(wěn)甚至垮塌。Chang等[46]提出了一種新型的基于SMA銷的木節(jié)點，與鐵銷木節(jié)點的對比試驗結(jié)果顯示，SMA銷木節(jié)點的耗能性能和滯回性能均較優(yōu)。Huang等[47]在此研究基礎(chǔ)上改進了SMA銷木節(jié)點，通過使用Cu-Al-Mn SMA管材提高了節(jié)點的耗能性能，通過數(shù)值模擬研究顯示木結(jié)構(gòu)震后的殘余變形可大大降低。

近些年來，Ni-Ti SMA在鋼節(jié)點的應(yīng)用研究最為廣泛。Ocel 等[48]提出了一種由Ni-Ti SMA螺桿連接梁翼緣與柱翼緣的鋼節(jié)點(見圖5)，試驗探索了在結(jié)構(gòu)振動控制中的可行性，結(jié)果顯示該節(jié)點擁有較高的耗能性能和延性，并且在大變形下節(jié)點沒有出現(xiàn)強度衰減。錢輝等[49]使用Abaqus軟件模擬了一種由鋼柱、鋼梁、超彈性SMA筋、耗能角鋼(軟鋼)和加勁板組成的新型鋼節(jié)點，抗震分析表明超彈性SMA筋可提高鋼節(jié)點自復(fù)位性能，并發(fā)現(xiàn)SMA筋的預(yù)應(yīng)力大小對自復(fù)位性能有顯著影響。Fang等[50-54]進行了一系列的基于Ni-Ti SMA的鋼節(jié)點研究，其中由Ni-Ti SMA螺桿連接的足尺鋼節(jié)點試驗結(jié)果顯示節(jié)點的變形模式理想，即節(jié)點出現(xiàn)非線性變形而梁柱沒有受到破壞，SMA螺桿使節(jié)點擁有良好的自復(fù)位性能，同時可使節(jié)點擁有4%的延性以及11%～15%的較高阻尼比；Fang等和Wang等還創(chuàng)新性提出了Ni-Ti SMA環(huán)形彈簧的鋼節(jié)點以提高安裝使用便捷性，試驗結(jié)果證明該節(jié)點同樣具有優(yōu)良的耗能與自復(fù)位性能。武振宇等[55]提出了馬氏體Ni-Ti SMA螺桿連接的鋼節(jié)點，相比超彈性Ni-Ti SMA，馬氏體Ni-Ti SMA擁有更強的耗能能力，通過加熱SMA可修復(fù)節(jié)點的殘余變形，該自復(fù)位節(jié)點具有一定創(chuàng)新性。

Cu SMA在節(jié)點的應(yīng)用研究也逐漸增多。Sepulveda等[56]創(chuàng)新性地提出了Cu-Al-Be SMA螺桿鋼節(jié)點用于結(jié)構(gòu)振動控制，試驗結(jié)果顯示當(dāng)SMA螺桿應(yīng)變達到1.7%時，節(jié)點的等效阻尼比可達到5.5%，相比基于Ni-Ti SMA的節(jié)點，耗能性能相對較低，節(jié)點自復(fù)位性能優(yōu)良。值得注意的是，Cu SMA的晶體尺寸遠大于Ni-Ti SMA的晶體尺寸，Sepulveda等發(fā)現(xiàn)Cu SMA的晶體尺寸效應(yīng)顯著影響著整個節(jié)點的力學(xué)性能參數(shù)。Cu SMA受晶體尺寸的影響可能會成為其應(yīng)用的局限性，開發(fā)單晶體Cu SMA將成為未來發(fā)展趨勢。Huang等發(fā)現(xiàn)Cu-Al-Mn SMA在木節(jié)點中性能較優(yōu)，可達到將近25%的阻尼比和較大可恢復(fù)變形，但是相關(guān)鋼節(jié)點應(yīng)用研究較少，后續(xù)研究應(yīng)開發(fā)Cu SMA材料在鋼節(jié)點振動控制中的應(yīng)用潛力。

圖5 Ni-Ti SMA螺桿連接的鋼節(jié)點設(shè)計Fig.5 Design of the steel connection using Ni-Ti SMA tendons

3.3 埋入SMA的混凝土構(gòu)件

SMA也被探索埋入混凝土結(jié)構(gòu)中提供高滯回耗能性能以提高混凝土結(jié)構(gòu)的振動控制能力。圖6所示的是一根埋入Ni-Ti SMA筋的混凝土梁，試驗結(jié)果指出該混凝土梁在循環(huán)加載下滯回性能良好，延性與傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁相似[57]。崔迪等[58]將超彈性SMA絞線作為主筋埋入混凝土梁中，以提高梁的自復(fù)位性能和耗能能力，試驗表明SMA的超彈性效應(yīng)可以修復(fù)梁產(chǎn)生的裂縫，并可以提高混凝土梁的承載力和耗能能力?？飦喆ǖ萚59]將超彈性Ni-Ti SMA和內(nèi)含修復(fù)膠粘劑的修復(fù)纖維管預(yù)埋在混凝土的受拉區(qū)或易產(chǎn)生裂縫的位置，利用SMA的超彈性效應(yīng)和回復(fù)產(chǎn)生較大驅(qū)動力的特性，控制并恢復(fù)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的變形和撓度, 減輕抗災(zāi)性能，確保結(jié)構(gòu)安全。但是，Abdulridha等指出埋入SMA的混凝土梁也有一定的缺陷，埋入SMA的混凝土試件相比較埋入鋼筋的混凝土試件產(chǎn)生了寬度較大的裂縫，雖然SMA可以使這些裂縫愈合，但是這些裂縫嚴重影響了混凝土梁的強度。

圖6 埋入Ni-Ti SMA筋的混凝土梁Fig.6 Reinforced concrete beam using Ni-Ti SMA

除應(yīng)用于混凝土梁外，SMA也被探索應(yīng)用于混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)[60-61]，試驗結(jié)果顯示地震作用下SMA可以有效抑制剪力墻的破壞，并且超彈性SMA明顯優(yōu)于SME狀態(tài)的SMA。

3.4 結(jié)構(gòu)加固

根據(jù)意大利的實際工程資料，古建筑的結(jié)構(gòu)振動控制能力可通過SMA加固得以提高。意大利Trignano市San Giorgio教堂(見圖7(a))鐘樓在1996年10月的地震中遭到破壞，意大利工程師將預(yù)拉鋼筋和Ni-Ti SMA筋串聯(lián)在一起，分別安裝在鐘樓內(nèi)部的四角，以此來增加結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向動態(tài)荷載的能力(見圖7(b))[62]。在2000年的地震中，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了良好的滯回性能，并未遭到破壞。相似的基于SMA的古建筑結(jié)構(gòu)加固案例可參考意大利Badia Fiorentina鐘樓、St Francis of Assisi建筑以及美國舊金山的Sherith Israel[63]建筑修復(fù)工程，它們在之后的地震中未遭到破壞，展現(xiàn)出了良好的滯回性能。國內(nèi)黃襄云等[64]使用圓形截面的新型拉壓式SMA阻尼器對廣州懷圣寺光塔進行了抗震加固仿真研究，數(shù)值計算結(jié)果顯示古塔動力響應(yīng)大大減小，底層剪力明顯降低，并且豎向抗震效果優(yōu)良。Ni-Ti SMA是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)加固案例中主要使用的功能材料，Ni-Ti SMA的高成本會對今后的古建筑加固造成一定的困難，發(fā)展Cu SMA的加固方法和探索其結(jié)構(gòu)振動控制效果值得后續(xù)研究關(guān)注。

圖7 意大利San Giorgio教堂的SMA應(yīng)用Fig.7 Application of SMA to San Giorgio Church in Italy

4 形狀記憶合金用于結(jié)構(gòu)主動控制

SMA對結(jié)構(gòu)的主動控制主要指形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生的回復(fù)力對結(jié)構(gòu)進行的驅(qū)動控制。Baz等[65]探索了Ni-Ti SMA驅(qū)動器對一懸臂梁主動控制的可行性，通過通電加熱激勵馬氏體Ni-Ti SMA驅(qū)動器，驅(qū)動器可對懸臂梁施加外力并抑制懸臂梁擺動。Belyaev等[66]探索了馬氏體Ni-Ti SMA驅(qū)動器對旋轉(zhuǎn)鐘擺振蕩的減振作用，通過周期性加熱激勵SMA，相變產(chǎn)生的外力可使鐘擺的振動頻率降低，阻尼升高。Benzaoui等[67]嵌入Ni-Ti SMA驅(qū)動器進入環(huán)氧基樹脂復(fù)合材料，通過焦耳加熱Ni-Ti SMA絲，復(fù)合材料的振動可以主動控制。陳健等[68]進行了相似的研究，預(yù)拉伸SMA絲所具有的SME恢復(fù)力可對復(fù)合材料梁進行主動振動控制，試驗結(jié)果證明控制效果良好。SMA驅(qū)動器仍存在局限性，主動控制對SMA的加熱與冷卻速度要求很高，否則減振效果將受到嚴重影響?，F(xiàn)今基于Cu SMA的主動振動控制研究較少，主要原因有：① Ni-Ti SMA的電阻較大并可通過焦耳加熱迅速提升溫度，但是Cu SMA的電阻較小無法采用焦耳加熱的方法；② Cu SMA的相變溫度普遍較低，材料處于超彈性狀態(tài)而非SME狀態(tài)。Huang等所采用的Cu SMA纏繞式加熱與四氟乙烷噴霧冷卻的方法可提高溫度控制效率。后續(xù)研究還應(yīng)繼續(xù)深入研究提升Cu SMA相變溫度的材料制備方法。

5 形狀記憶合金用于結(jié)構(gòu)半主動控制

SMA半主動振動控制的基本工作概念是SMA利用溫度調(diào)節(jié)其自身動態(tài)力學(xué)性能，對受控結(jié)構(gòu)可變的自振頻率進行實時調(diào)諧，以此來避免共振并降低受控結(jié)構(gòu)的振動。SMA的半主動控制主要體現(xiàn)在調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)的應(yīng)用上，與之組成的系統(tǒng)可稱為SMA半主動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(SMA-STMD)。SMA-STMD可對失調(diào)的結(jié)構(gòu)進行重新調(diào)諧，避免失調(diào)結(jié)構(gòu)過度振動，對結(jié)構(gòu)減振有著重要意義。

Williams等[69]根據(jù)這一概念進行了試驗研究，其試驗布置如圖8所示，一個小質(zhì)量塊通過鋼絲和0.71 mm的Ni-Ti SMA絲并聯(lián)與受控結(jié)構(gòu)連接，通過加熱激勵Ni-Ti SMA絲至若干個不同的溫度，整個系統(tǒng)的自振頻率則能被調(diào)整至若干個離散的頻率值上，從而避開了與激勵頻率的共振現(xiàn)象。然而，僅能對若干個離散頻率進行控制很難滿足實際工程的需要，擴寬半主動控制的頻域成為之后研究的熱點。Rustighi等[70-73]進行了SMA-STMD的試驗性研究，旨在擴大可控制的頻域范圍，Rustighi等通過電流加熱激勵Ni-Ti SMA絲使材料發(fā)生相變，即切換SMA奧氏體與馬氏體的狀態(tài)來增大SMA剛度可調(diào)控范圍，控制范圍可比原有范圍增大。Williams等[74]利用Ni-Ti SMA絲的R相變(R-phase transformation)來連續(xù)調(diào)節(jié)SMA剛度以適應(yīng)更寬的頻域要求。

圖8 Williams的SMA-STMD設(shè)計Fig.8 The SMA-STMD design by Williams

為加強SMA這一新型智能材料的可利用性，發(fā)揮SMA-STMD的諸多優(yōu)勢，拓展其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用前景，Huang等采用了Cu-Al-Mn SMA組成STMD，探索了該SMA-STMD是否可以通過調(diào)節(jié)溫度對建筑結(jié)構(gòu)進行減振控制，通過對一懸臂梁結(jié)構(gòu)進行振動控制試驗，驗證了該SMA-STMD振動控制概念的可行性(見圖9)。Huang通過試驗研究對一簡化縮尺二層鋼框架結(jié)構(gòu)進行了振動控制，試驗結(jié)果表明SMA-STMD可有效應(yīng)對因受控結(jié)構(gòu)質(zhì)量改變引起的失調(diào)問題，此研究驗證了SMA-STMD在建筑結(jié)構(gòu)中實施振動控制的可行性。Huang等[75]也通過OPENSEES軟件數(shù)值模擬，探索了SMA-STMD在樓板自由振動控制中的可行性(見圖10)；經(jīng)驗證，SMA-STMD控制可使失調(diào)樓板的最大加速的響應(yīng)降低24.6%，RMS加速度響應(yīng)降低42.1%。

圖9 SMA-STMD對懸臂梁的半主動振動控制試驗Fig.9 Semi-active control test of a cantilever beam using SMA-STMD

圖10 SMA-STMD對樓板的半主動振動控制Fig.10 Semi-active control test of a floor system using SMA-STMD

SMA-STMD的阻尼特性是消能減振的關(guān)鍵點。Aguiar等利用預(yù)拉力使Ni-Ti SMA的滯回曲線更加飽滿，以吸收更多的能量。Berardengo等[76]設(shè)計了一種Ni-Ti SMA與渦電流協(xié)同工作的STMD，其中SMA負責(zé)受控結(jié)構(gòu)自振頻率的調(diào)諧，而渦電流負責(zé)優(yōu)化TMD系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果顯示此阻尼器具有良好的減振效果且優(yōu)于傳統(tǒng)STMD。

國內(nèi)孫萬泉等[77]在Williams等的研究基礎(chǔ)上提出了基于SMA-TMD半主動控制方法，通過理論模型驗證了SMA-STMD可有效抑制結(jié)構(gòu)自振頻率不確定或發(fā)生漂移引起的振動問題，并且研究表明SMA-STMD擁有性能可靠、構(gòu)造簡單和自適應(yīng)能力強等特點。張振華等通過數(shù)值模擬驗證了SMA 阻尼器具有良好的減振和調(diào)頻效果，并對溫度控制范圍進行了限定。SMA-STMD應(yīng)用前景廣闊，然而SMA-STMD在中國的研究相對匱乏，與國外研究不斷提升的趨勢對比下，研究成果差距拉大。在智能材料快速發(fā)展的背景下，國內(nèi)研究人員需對智能材料給予持續(xù)關(guān)注，可以預(yù)見SMA-STMD的研究和拓展可帶來富有前景的工程創(chuàng)新。

結(jié)合國內(nèi)外研究趨勢可以看出，現(xiàn)階段大部分關(guān)于SMA-STMD的研究均起步于機械工程領(lǐng)域應(yīng)用，即控制機械設(shè)備的振動，Ni-Ti SMA絲材的使用較多，SMA棒材和Cu SMA的使用較少；且前期關(guān)于SMA-STMD的研究多應(yīng)用于機械，所以所受激勵頻域較窄；總體研究趨勢顯示SMA-STMD在不斷地適應(yīng)激勵頻域?qū)捛译S機、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的工程環(huán)境，所以SMA-STMD在土木工程的應(yīng)用成為了研究人員新的關(guān)注點?；贑u-Al-Mn SMA-STMD的可行性研究，Cu-Al-Mn SMA價格低廉且振動控制效果優(yōu)良，在土木工程中的振動控制中具有發(fā)展?jié)摿?，Cu-Al-Mn SMA-STMD的減振機理成為進一步的研究方向。

6 結(jié) 論

本文主要介紹了SMA的發(fā)展現(xiàn)狀與SMA在結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)用研究，分析對比了各類SMA在結(jié)構(gòu)振動控制中的優(yōu)勢、問題與發(fā)展?jié)摿Α?/p>

從SMA材料的角度可以看出各類SMA之間性質(zhì)差異較大，但相變溫度起到了關(guān)鍵性作用。Ni-Ti SMA發(fā)展歷史較長，研究較為成熟，超彈性性能、材料強度和耐疲勞特性都較優(yōu)，可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的振動控制，但是較高的價格成為了土木工程大量應(yīng)用的局限性。性能較優(yōu)價格低廉并快速發(fā)展的Cu SMA和Fe SMA為SMA在結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)用帶來了潛力。SMA的應(yīng)用需考慮到不同種類之間的差異，SMA的合理選取對后續(xù)研發(fā)和應(yīng)用至關(guān)重要。在SMA的選取時，應(yīng)考慮不同SMA之間的差異，需通過DSC試驗測試SMA的相變溫度，判斷SMA在常溫下的相變狀態(tài)；通過材性試驗測量SMA的伸長率；通過動態(tài)力學(xué)試驗研究加卸荷載速率對SMA性能的影響等；通過以上指標判斷所選取的SMA是否滿足結(jié)構(gòu)振動控制條件至關(guān)重要，否則SMA將失效或低效工作。

本文從被動控制、主動控制和半主動控制三個方面探討了SMA在結(jié)構(gòu)振動控制中的發(fā)展現(xiàn)狀。綜合以往研究與資料可知，雖然SMA在抑制結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)、降低結(jié)構(gòu)殘余變形和增強結(jié)構(gòu)耗能中性能表現(xiàn)優(yōu)良，但是SMA的工程應(yīng)用較少且實用性較低，而且現(xiàn)有研究往往集中于理論研究和模型分析。為填補現(xiàn)今SMA在結(jié)構(gòu)振動控制研究中的不足，未來研究展望如下：

(1) 發(fā)展大尺寸SMA棒材。現(xiàn)有研究中大量使用SMA絲材，但用于足尺建筑結(jié)構(gòu)中，絲材的耗能性能與剛度和強度有限；但是，現(xiàn)今SMA棒材的穩(wěn)定性較弱且研究較少，后續(xù)研究應(yīng)針對SMA棒材測試其在大變形與長周期加載下的材料穩(wěn)定性以及對結(jié)構(gòu)的減振效果。

(2) 發(fā)展Cu SMA。Cu SMA擁有價格低、易加工等優(yōu)勢，相比Ni-Ti SMA更具有結(jié)構(gòu)振動控制發(fā)展?jié)摿?，然而在主動控制和半主動控制中Cu SMA的應(yīng)用研究匱乏，后續(xù)研究應(yīng)填補此方面的空白；Cu SMA的動態(tài)材料性能研究相比Ni-Ti SMA并不成熟，加載頻率、加載應(yīng)變水平、加載周期、工作溫度等對Cu SMA性能指標的影響需加以完善；Cu SMA的強度較弱，高強度Cu SMA的制備研究應(yīng)成為下一步研究方向。

(3) 發(fā)展單晶體Cu SMA。大尺寸Cu SMA棒材往往是多晶體構(gòu)成的，晶界對Cu SMA動態(tài)力學(xué)性能影響顯著，而且可降低Cu SMA的耐疲勞特性。單晶體Cu SMA可提高SMA的耐久性，相關(guān)研發(fā)與制備方法有待研究。

(4) 提升SMA的溫度控制效率。對于地震荷載，用于主動控制和半主動控制的SMA元件需具有快速的反應(yīng)能力，高效的SMA加熱與冷卻技術(shù)成為即將解決的關(guān)鍵性問題。

(5) 系統(tǒng)細化研究SMA主動和半主動控制的設(shè)計方案?，F(xiàn)有主動和半主動控住研究尚處在可行性研究階段，受控對象多為縮尺結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較小，后續(xù)研究應(yīng)針對實際結(jié)構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化、布置優(yōu)化、溫控等細化研究。

(6) 建立Cu SMA和Fe SMA工作溫度與本構(gòu)模型之間的關(guān)系。開發(fā)主動控制和半主動控制的動態(tài)模型算法，為工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。