記憶合金材料創新實驗的教學研究及應用

智友海+史向平

[摘 要]結合工程力學的實驗教學內容，以創新性為驅動力，進行了有關記憶合金材料在試驗中的開發和建筑工程的應用研究，設計出了自復位抗拉扭形狀記憶合金阻尼器、繩索式自復位形狀記憶合金隔震減震支座、曲線型后張式形狀記憶合金筋預應力混凝土結構三種建筑結構的創新方案，實驗結果表明，設計的裝置抗震和抗彎性能好，同時還具有工藝簡單，操作方便，效果突出，安全可靠，適用范圍廣等優點，解決了傳統技術和材料在應用中存在局限性。

[關鍵詞]形狀記憶合金；建筑結構；拉扭組合試驗；拉剪組合試驗；抗彎試驗

[中圖分類號] G642.423 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）08-0096-03

一、概論

工程力學是力學的一個基礎分支，又可直接應用于許多工程實際問題的解決。作為工科重要的技術基礎課，其目的和任務是使培養科技人員了解和掌握物體的一般規律及其研究方法，并能初步運用這些規律對一些實際問題進行分析、科學地抽象，為日后學習和研究有關的科學技術打好基礎，并初步學會應用工程力學的理論和方法解決一部分工程實際問題。簡單地說，工程力學就是為解決問題和分析問題的一門利器，是培養具有創新精神和實踐能力的必備法寶。此外，工程力學已廣泛應用于建筑、機械、航空航天等眾多領域中，在工程設計中都必須要用到工程力學的相關知識。

工程力學課程主要包括理論知識和實驗兩大部分，其中實驗內容是該課程的基礎，換句話說，理論知識是實驗或實踐中規律的高度總結。因此，工程力學中實驗課程的教學改革工作一直是高校教學中不斷探討的主題。宋克志[1]設計了材料力學開放實驗教學平臺的總體框架，激發了學生學習熱情，增強了學生實踐動手能力；牟萍[2]介紹了材料力學設計性實驗，闡述了設計實驗對提高學生創新能力的作用，嘗試將設計性、綜合性、研究性實驗融為一體的教學模式；方治華論述了材料力學實驗教材在培養學生創新能力中的重要作用；劉小蠻[3]結合高校工程師教育和綜合型人才培養模式，使不同專業的學生對材料力學實驗的內容做到“三會”，即：會做、會用、會意；夏興有[4]采取搭建公共實驗教學、學生創新和學生課外競賽三個實驗教學平臺的做法及取得的教學效果。

文中以工程力學基本實驗為背景，以培養學生分析實際問題和解決實際問題的能力為出發點，以提高學生的創新性和應用性為目標，進行一種新型記憶合金 （簡記SMA） 材料在試驗教學中的開發和建筑工程的應用研究。SMA是一種新型的智能/功能材料，利用SMA的超彈性效應和高阻尼特性可以制作減、隔震裝置，抑制結構在地震荷載下的響應。圍繞工程力學的基本實驗內容，進行了有關SMA材料的四個（拉壓、扭、剪、彎）內容的創新實驗應用。

二、SMA材料的三種創新設計方案

（一）SMA材料在拉扭組合實驗中創新設計方案

以提高學生的創新性和應用性為目標，使學生具有利用工程力學實驗內容解決工程中軸向拉壓和扭轉的問題，本方案設計了一種記憶合金材料的拉扭組合實驗，該實驗的設計方案和教學內容分別如下：

實驗方案涉及一種自復位抗拉扭形狀記憶合金阻尼器及其方法，即為拉扭組合實驗方案，如圖-1，可用于抗震網架系統或工程構筑物中，屬于建筑結構技術領域。該消能阻尼器主要包括抗拉壓裝置（如圖-1中1）和抗扭部分（如圖-1中2），這兩部分均是由SMA絲、缸筒、活塞組成，抗拉活塞的兩側分別通過兩組合金絲與抗拉缸筒兩側的缸蓋相連，抗扭活塞分別通過抗扭合金絲與抗扭缸筒相連，每一組合金絲的一端通過夾頭固定在活塞的螺孔處，另一端用夾頭連接在缸筒的螺孔處。用于自復位隔振減振消能，其軸向振動波通過多根合金絲由合金阻尼器的一端傳到另一端，在抗拉活塞作往復運動中，合金絲交替進行拉伸與回縮變形，提供了較大的滯回耗能及回復力，而其它方向振動波所帶來的扭矩載荷則通過抗扭合金絲由結構的一端傳到另一端，在抗扭活塞作往復轉動中，合金絲交替進行拉伸與回縮變化，由于合金絲的超彈性變形以及產生的回復力，不但達到了隔震減震的目的，而且獲得了振后結構自復位的能力。設計方案具有抗拉壓消能特性，同時具備了抗扭消能特性，避免振動過程中，抗拉壓合金絲因扭轉而發生彎曲的不利影響，能夠提高拉壓合金絲的消能效果，達到良好的隔振減振目的。

具體的教學內容是將上述制作的自復位抗拉扭鎳鈦合金阻尼器，安裝在萬能試驗機上，進行三類簡單的加載和卸載試驗：一是單向拉伸試驗，外力和線位移間的試驗數據（如圖2a）；二是單向扭轉試驗，外力和扭角間的試驗數據（如圖2b）；三是拉扭組合試驗，外力和位移間、應變量和回復力之間的試驗數據（分別如圖2c和d）。這些數據均表明了SMA絲具有良好的消能特性，以及優良的耗能遲滯環和高回復能力。將上述制作的阻尼器，安裝在某一工程結構的抗振支撐處，隔振減振效果很好。

（二）SMA材料在拉剪組合實驗中創新設計方案

為了使學生具有解決工程中軸向拉壓和剪切的問題，本方案設計了一種記憶合金材料的拉剪組合實驗，該實驗的設計方案和教學內容分別如下：

實驗方案設計的目的是為了解決建筑結構和機械結構隔震減震的問題，而提出一種繩索式自復位形狀記憶合金隔震減震支座及隔震減震的方法，即為拉剪組合實驗方案，如圖3。本方案對比已有技術具有四大顯著突出優點：一是繩索式特點顯著；二是多向抗震效果明顯；三是自復位能力突出；四是結構形式簡單，功能齊全，既可以單獨作為抗拉壓阻尼器使用，又可以單獨作為抗剪阻尼器使用，兩者的隔震減震能力互不影響和制約。它可以廣泛地應用于建筑結構隔震減震支座設計中，屬于建筑結構技術領域。endprint

該實驗方案主要包括抗剪裝置（如圖3中1）和抗拉壓構件（如圖3中2），該消能阻尼器主要包括SMA絲繩、缸筒、活塞、定向滑道。其中，抗剪裝置的缸筒與滑道上的立柱通過抗拉合金絲繩連接在一起，這些合金絲繩在缸筒內對稱布置，每一根合金絲繩的一端用夾頭固定在立柱上，另一端通過夾頭連接在缸筒的內壁處；橫向滑道和活塞通過鋼桿連接在一起，并在橫向缸筒下端安裝有萬向輪；對于抗拉壓結構來說，其活塞的上下兩側分別通過合金絲繩與缸筒的上下缸蓋相連，每一根合金絲繩的一端固定在活塞的一側，另一端連接在缸筒缸蓋的一側，同時在豎向缸筒內設有軸向滑道和偏置彈簧。此實驗方案將橫向震動波通過抗剪裝置中的合金絲繩交替拉伸與回縮變形，提供了較大的耗能及回復力，而豎向震動波將通過抗拉壓構件的絲繩和偏置彈簧進行拉伸與回縮變形，在發生彈性變形的過程中，消耗了大量的震動能量并提供了足夠的回復力，所以此支座裝置不但達到了隔震減震的目的，而且獲得了震后自復位的能力。

具體的教學內容是將上述制作記憶合金隔震減震支座，安裝在萬能試驗機上，進行三類簡單的加載和卸載試驗：一是單向拉壓試驗，試驗數據（類似如圖2a）；二是單向剪切試驗，試驗數據（類似如圖2b）；三是拉剪組合試驗，試驗數據（類似如圖2c）。實驗數據均表明此類支座的抗拉壓、抗剪效果好，自復位能力強。另外，將上述制作的記憶合金隔震減震支座，安裝在一工程結構的支撐處，隔震減震效果很好。如圖-4對比了普通支座和本創新實驗支座的隔震減震效果，這說明此創新實驗支座的自動恢復能力強，位移和應力波動小，延緩并降低了震動波的危害，這表明利用SMA材料的超彈性效應、高阻尼性及結構的設計特點，可以較大程度地抑制結構在多向震動的響應。

（三）SMA材料在抗彎實驗中創新設計方案

為了使學生具有利用工程力學實驗內容解決彎曲的工程問題，在混凝土構件承受使用荷載前的階段，借助其它外部裝備預先對其受拉區施加壓應力，而當構件承受使用荷載而產生彎曲拉應力時，將會抵消混凝土的預壓應力，借此可推遲混凝土裂縫的出現和開展，以滿足使用要求。依據此原理，我們設計了一種記憶合金材料預應力混凝土結構的實驗，該實驗的設計方案和教學內容分別如下：

實驗方案是一種曲線型后張式SMA筋預應力混凝土結構，如圖5，方案主要包括SMA筋（如圖5中1）和混凝土（如圖5中2），此種實驗方案具有多個顯著實用優點，適用于建筑施工工藝的體系，屬于建筑結構技術領域。

實驗方案設計的實際上是一種SMA筋預應力混凝土構件，適合于各種形狀的混凝土構件，該合金筋預應力混凝土是在傳統鋼筋預應力混凝土的基礎上吸取SMA材料的優點，把原混凝土的預應力鋼筋替換為SMA筋，這樣預應力就不必依靠臺座或專業錨具來施加，而是簡單地可以通過對SMA筋進行升溫即可達到目的。同時通過現場實驗實測出數據，如圖-6，也表明了設計的可行性。因此，此實驗方案對現場澆筑或預制預應力混凝土施工來講，其工藝和設備簡單、操作方便、安全可靠，且所需技術人員專業水平低，所以SMA筋預應力混凝土結構不僅提高了預應力結構的抗裂度、剛度、耐久性，而且其施工工藝簡單可靠、投資和造價費用低。

三、結論

以工程力學基本實驗為背景，從培養學生分析實際問題和解決實際問題的能力為出發點，設計了三種有關SMA材料的建筑工程創新設計方案：SMA材料在拉扭實驗、拉剪實驗、抗彎實驗。這些設計方案實際應用效果突出，解決了傳統技術和材料在應用中存在局限性。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 宋克志，周慶坡，吳江龍.材料力學開放實驗教學平臺建設探討[J].高等建筑教育，2012（2）：115-117.

[2] 牟萍，謝曉梅，文寧.材料力學設計性實驗的設計與實現[J].實驗技術與管理，2007（4）：106-107.

[3] 劉小蠻，杜國君.材料力學實驗教學思考——會做、會用、會意[J].力學與實踐，2013（4） 74-77.

[4] 夏興有，張學義，鄒廣平.材料力學研究型實驗教學的實踐[J].實驗室科學，2008（4）：42-44.

[特約編輯：張 雷]endprint