記憶合金在水泥混凝土結構中的應用

陸楊 李強

摘 要：記憶合金以其超彈性效應、形狀記憶效應、抗疲勞性能、抗腐蝕能力及生物相容性等特性，越來越多地用于水泥混凝土結構中。本文對記憶合金的原理和常見合金類型進行了介紹，并對記憶合金在混凝土結構中的研究應用進行了總結，主要包括加固柱、梁以及振動控制等應用。

關鍵詞：混凝土結構; 形狀記憶合金; 結構加固; 抗震性能

中圖分類號：TU528? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）11-061-002

1.引言

形狀記憶合金（SMAs）是新一代智能材料，能夠在經歷大應變后恢復其預定形狀，是一種特殊金屬材料，具有驅動和感知功能;以其獨特的超彈性效應、形狀記憶效應、良好的抗疲勞性能、抗腐蝕能力及生物相容性，被廣泛應用于電子儀器、汽車工業、醫療器械、工程控制和能源開發等領域。熱激勵預變形后的記憶合金能夠產生較大的回復應力，停止加熱并恢復到環境溫度后，仍有400MPa左右的回復應力作為永久應力保存在該材料中^[1]。

形狀記憶合金具有獨特的熱機械性能。當受到大的塑性應變時，它可以通過加熱恢復其原始形狀，這被稱為形狀記憶效應（SME）。通過內部或外部加熱將溫度提高到相變溫度以上，并使形狀記憶合金恢復其初始形狀。形狀記憶合金的另一個重要特征是其超彈性，即在載荷以及應力消除后，能夠從非線性應變中立即恢復其原始形狀。

由于形狀記憶合金的形狀記憶效應和超彈性，使形狀記憶合金成為土木工程應用中被動、半主動和主動控制系統的絕佳選擇。本文綜述了形狀記憶合金在民用基礎設施中應用的最新進展，包括鋼結構、混凝土結構。本文揭示了形狀記憶合金在土木工程結構中的重要性，特別是增強結構性能和外部受到激勵時的能量耗散，比如地震荷載，在沒有殘余變形的加載-卸載過程中，這種增強是顯著的。

2.形狀記憶原理

合金形狀記憶的原理是馬氏體相變，一種無擴散的固態位移相變。原子在其中協同運動;新相是由原子的小的、協調的位移構成的;晶格是扭曲的，原子沒有重組。其中相鄰原子的位移小于它們原來的原子間距離。本質上，馬氏體相變是通過點陣變形發生的，變形機制不同于塑性變形時的晶體滑移，相鄰原子發生變化，晶格結構保持完整^[2]。

每種以一定元素按一定重量比組成的形狀記憶合金都有一個轉變溫度。在這一溫度以上將該合金加工成一定的形狀，然后將其冷卻到轉變溫度以下，人為地改變其形狀后再加熱到轉變溫度以上，該合金便會自動地恢復到原先在轉變溫度以上加工成的形狀。

對于在土木結構中應用，記憶合金材料可以在低溫下預拉伸、在環境溫度下安全運輸、在較高溫度下激活、并在環境溫度下保持較高的恢復應力值;有時還可以通過通電來激活記憶合金。

3.常見形狀記憶合金

普通SMA主要包括Ni-Ti基、Cu基、Fe基、Ag基、Au基、Co基SMA等，其中Ni-Ti基SMA性能最好，應用最廣;Ti-Ni基SMA因其優異的性能在不同領域得到了廣泛應用。但其存在相變溫度較低、對成分敏感等不足，這一方面使其在高溫領域的應用受到限制，不過在土木工程結構上的應用很有前景;另一方面在工業生產中準確控制相變溫度較難，成本較高。因此，通過添加其他元素進一步改善性能并降低成本是研究方向之一，目前已取得了很大進展。

從20世紀90年代開始，人們又展開了對高溫SMA的研究，目前Ti-Pt-Ir合金的回復溫度可以達到1184℃。應指出的是，大多數高溫SMA塑性和抗疲勞性能差，制造成本較高;磁性SMA（MSMA）又稱鐵磁SMA（FSMA），其驅動靠磁場傳輸而不是靠相對緩慢的傳熱機理，故可用于制作高頻（達1kHz）驅動器;MSMA適合填補形狀記憶合金和磁致伸縮材料之間的技術空缺，適用于低應力大位移的馬達和閥門場合。應指出的是，MSMA硬而脆，難成形，僅適用于低溫場合，不適合高溫度大應力場合^[3]。

4.記憶合金在水泥混凝土結構中的應用

4.1混凝土柱加固

采用SMA螺旋絲加固柱，主要可分為三步。首先對SMA絲進行預張拉，通過應力誘發SMA發生馬氏體相變，卸載后能殘余一定的變形;再將預張拉好的SMA（工作溫度區間內仍處于馬氏體狀態）纏繞并錨固在墩柱塑性鉸區，錨固方式可采用多個U型箍等錨具將SMA絲末端與上一圈搭接自鎖;然后通對SMA絲進行熱激勵，利用SMA的SME特性，迫使SMA具有回復到初始張拉前形狀的趨勢。但由于其固定受限，內部會產生很大的回復應力，回復力反作用在墩柱結構上，即產生主動約束應力^[4]。

通過眾多學者對SMA加固水泥混凝土柱的實踐，得到了很多規律與經驗。首先預應變越大的SMA提供的圍壓越大，約束混凝土的軸向峰值應力和應變提升越大。其次SMA主動約束加固后剛度、峰值強度以及延度提升都十分明顯，效果優于被動約束加固，并且有效減輕混凝土損傷;另一方面記憶合金加固后的混凝土柱的破壞形態、抗剪承載力、變形性能和耗能機制等抗震性能產生了較為明顯的變化，破壞形態均由剪切破壞轉變為了具有一定延性的彎剪破壞或彎曲破壞。即SMA材料可以有效的增強結構的位移延性系數，提高結構延性性能，減小結構的殘余變形。學者們還發現合金纏繞間距對加固效果起著主要影響;最后SMA約束對強震作用下鋼筋混凝土柱的抗震性能有顯著的改善作用。

SMA主動加固墩柱的方法相對于傳統增大截面、外包套夾等被動加固法，具有以下優勢：可以主動施加預應力調整墩柱結構受力狀態;減小或彌合原結構的裂縫及損傷;提高結構的承載能力和延性。

4.2混凝土梁加固

最常用的記憶合金加固梁的方式是將記憶合金絲預拉伸后纏繞在梁上，采用多個錨具將SMA絲末端與上一圈搭接自鎖，加熱激活后金屬絲試圖縮短，但由于受到限制，鋼絲以圍壓應力的形式將由其轉變引起的應力傳遞到梁上^[5]。

將記憶合金絲預拉伸后纏繞在梁上是傳統的外貼加固，近年來越來越多學者研究近表面貼裝（NSM）。NSM加固技術包括將FRP或SMA鋼筋（鋼筋或條帶）插入鋼筋混凝土梁表面的預切槽中，然后用環氧膠粘劑填充，可以更直接作用于被加固構件，減少SMA回復應力的耗散^[6]。

以直徑3mm的Ni-Ti-Nb鋼絲為例，在梁周圍外部安裝，形成一個偽螺旋，以主動約束或橫向預應力鋼筋混凝土構件，可以大幅提高抗剪強度，延性剪切破壞更為明顯。低成本的鐵基SMA條主動加固鋼筋混凝土梁也可以使剪切裂縫的出現明顯延遲，但加固效果不如鎳鈦記憶合金。當低廉的鐵基合金與近表面貼裝（NSM）技術相結合時，由于Fe-SMA具有高應變的獨特特性，Fe-SMA加固梁在所有預應力水平下的延性都有顯著提高。使用鐵基記憶合金加固的效果優于傳統的碳纖維布加固，主要是體現在破壞時的延性。

形狀記憶合金加固混凝土梁相比于傳統加固方法，除了可以提高承載力、控制變形、減輕混凝土損傷，還兼具裂縫修復、擾度恢復、提高延性、抗震的優點。

4.3記憶合金鋼筋混凝土

混凝土被廣泛用于建造現代民用基礎設施，如建筑物和橋梁。為了防止和控制混凝土損壞的發生，很多研究將形狀記憶合金制成的桿或鋼筋嵌入混凝土。與傳統的鋼筋混凝土相比，形狀記憶合金鋼筋混凝土能吸收大量的能量，減小殘余位移，恢復外加應力。在預應力混凝土中，可以用形狀記憶合金桿代替近表面安裝（NSM）纖維增強聚合物，這樣就不再需要機械千斤頂和錨頭等預應力工具，這種方法減少了鋼筋中的裂紋擴展和應力，并提高了混凝土的抗疲勞性^[7]。

在很多剪力墻和梁柱節點加固的研究中，一些學者將傳統的鋼筋替換為記憶合金制成的鋼筋，以實現想要的效果。對于傳統的剪力連接件，其本身并不具備自動調節和耗能的能力，傳統的設計方法是提高自身的能力來抵抗荷載以及耗散振動能量，主要是增加剪力連接件試件的剛度和強度。如增大連接件的截面尺寸或提高材料的強度等級等。這些方法成本較高。具體表現為SMA作為配筋材料可以改善剪力墻的地震反應，有效增加可恢復變形能力。SMA梁柱節點相比普通梁柱節點具有更好的自恢復性能、節點抗彎能力^[8]。

4.4振動控制裝置

當結構受到外部擾動或載荷時，土木結構的動態響應高度依賴于結構內振動控制單元的存在，形狀記憶合金（SMAs）是其中一類越來越受關注的材料。這些合金，特別是基于Ni-Ti的SMAs，已經應用于土木結構中的振動控制裝置的設計。

土木工程中利用形狀記憶合金大應變循環下的滯回耗能特性，目前研制開發的形狀記憶合金振動控制裝置主要有利用形狀記憶效應的驅動器和利用超彈性滯回耗能特性的被動阻尼器兩類，均可有效降低結構的地震響應，對于框架結構的效果更明顯。還有一些研究發現記憶合金振動控制裝置可以顯著改變結構的固有頻率，大大提高結構的抗震能力。

從振動控制的方式來分類，利用形狀記憶效應的驅動器屬于智能控制;而利用超彈性滯回耗能特性的被動阻尼器屬于被動控制，這一類控制器是利用形狀記憶合金的超彈性特性具有高阻尼且經較大變形后能恢復的特點。在被動控制阻尼器中，最典型的就是CT阻尼器。這種阻尼器提供了一個數值不變的庫侖抵抗力，且剛度始終接近于零。只要溫度處于記憶合金的超彈性工作階段，溫度的影響可以忽略，阻尼力大小也是不變的。這兩點使得記憶合金振動控制器大大優于常規的黏彈性阻尼器^[9]。

從國內外的研究和應用情況來看，利用SMA的特性制作的振動控制器具有抗疲勞性好、抗腐蝕強、無液體滲漏、可恢復變形大及性能穩定等優點。但要真正使形狀記憶合金材料在土木工程結構振動控制領域走向實用化，還需要為足尺形狀記憶合金阻尼器的設計提供理論依據^[10]。

5.結語

綜上所述，記憶合金由于其特殊的形狀記憶特性和能量耗散能力，在水泥混凝土結構中，它們已被用于橋梁變形限制器、梁柱連接加固、特殊支撐、鋼筋或預應力鋼筋、減震裝置和基礎隔離系統等等，應用前景廣泛。但是記憶合金價格昂貴，尤其是鎳鈦合金，這限制了其使用。鐵、銅基合金價格相對便宜，目前應用和研究還比較少。最后形狀記憶合金加固工藝廣泛用于水泥混凝土結構，與鋼結構相關的應用還很少。

參考文獻：

[1]董金芝，李向民，張富文，蔣利學，蔣璐，許清風.基于SMA裝置的框架——受控搖擺墻結構抗震性能試驗研究[J]土木工程學報，2019，52（04）：41-51

[2]David Piorunek， Jan Frenzel， Niels J？ns， Chrioph Somsen， Gunther Eggeler. Chemical complexity， microstructure and martensitic transformation in high entropy shape memory alloys. Intermetallics， Volume 122，2020.

[3]王蕾.Ni-Mn基鐵磁形狀記憶合金的相變行為研究[D]東北大學，2013

[4]馬強.形狀記憶合金加固混凝土圓柱的機理分析[D]中南大學，2013

[5]張亞飛.SMA/FRP增強鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗研究[D]東南大學，2019

[6]胡美玲.表面內嵌SMA絲加固混凝土梁抗彎試驗研究[D]大連理工大學，2019

[7]孫麗，甘博，崔迪.形狀記憶合金作為鋼框架混凝土墻結構抗剪連接件性能研究[J]沈陽建筑大學學報（自然科學版），2016，32（03）：411-419

[8]肖正鋒.形狀記憶合金混凝土梁柱節點抗震性能研究[D]沈陽建筑大學，2018

[9]譚亞偉.SMA在結構振動控制中的應用[J]河南建材，2016（01）：6

[10]J. Morais， P. Gil de Morais， C. Santos， A. Campos Costa， P. Candeias. Shape Memory Alloy Based Dampers for Earthquake Response Mitigation. Procedia Structural Integrity， 2017（05）： 705-712

作者簡介：陸楊，1997年12月生，男，江蘇鹽城人，建筑與土木工程碩士研究生，研究方向：土木工程材料的分子動力學研究。