不同种类形状记忆合金在结构振动控制中的研究现状

黄浩宇， 张纹韶

(1. 北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124； 2. 谢菲尔德大学 建筑学院，谢菲尔德S10 2TN)

形状记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA)自20世纪60年代以来在医疗器械、机械制造、航空航天、汽车工业和土木工程领域得到了广泛研究，在土木工程应用研究中，SMA主要在消能减振、致动器控制和结构修复等方面关注度较高[1]。SMA拥有超弹性效应(Superelasticity Effects, SE)与形状记忆效应(Shape Memory Effect, SME)两大优良效应，超弹性SMA具有自复位性能和高耗能特性，研究发现超弹性SMA有助于抑制地震作用和风作用引起的结构振动，并能够降低结构的残余变形；SME具有通过加热对已发生塑性变形的SMA提供恢复功能，在结构的主动控制中和结构修复中起到了关键性作用。除此之外，由于SMA具有独特的热力学性能和材料相变性能，可通过改变工作温度对其刚度和阻尼特性进行调节，在结构半主动控制中可起到重要作用。

近些年来，SMA材料的种类在不断革新，除镍钛基形状记忆合金(Ni-Ti SMA)外，铜基形状记忆合金(Cu SMA)和铁基形状记忆合金(Fe SMA)的研发工作也逐渐起步。Cu SMA具有优良的超弹性效应，拥有较大的可恢复应变，且成本价格估算仅为Ni-Ti SMA的十分之一左右，价格优势为其带来了巨大的应用潜力，有望在土木工程领域得到大量应用。SMA的种类革新为其在结构振动控制中应用奠定了基础，但不同种类的SMA在相变温度、材料力学特性、晶体结构等方面仍存在较大差异性，对结构振动控制的适用性也各不相同。基于近些年国内外研究进展，本文在材料层面上归纳梳理了几种常见SMA的发展现状，并在结构层面上总结了当前SMA在结构振动控制中的研究进展，分析了各类SMA的应用前景与亟待解决的关键问题。

1 形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性

SMA具有独特的相变特性，As，Af，Ms和Mf被称为SMA的相变温度，As和Af分别为SMA奥氏体相变的起始和结束温度，Ms和Mf分别为SMA马氏体相变的起始和结束温度。当工作温度升高并高于SMA的相变温度Af时，SMA发生相变至奥氏体并表现超弹性；当温度降低至低于SMA的相变温度Mf时，SMA发生相变至马氏体并表现SME，相变过程的晶体结构变化如图1(a)所示。如图1(c)所示，SME的初始相位为马氏体，塑性加载后SMA出现残余变形，但通过加热SMA至奥氏体可以使其恢复至变形前的形状；图1(b)表示SMA的超弹性，通过观察应力应变曲线可知，SMA的可恢复应变较大，而且SMA在塑性变形后可不通过加热即自复位至初始形状。正因为SMA超弹性所提供的自复位速度快而且刚度较高，使其成为了结构振动控制研究中的热点。工作温度与相变温度的差值决定着材料的力学性能，有着关键影响力。

图1 形状记忆合金材料特性Fig.1 Material characteristics of shape memory alloy

2 不同种类形状记忆合金的研究和发展现状

自20世纪40年代SMA的特性被提出以来，SMA得到了快速发展，不同种类SMA的性能也在不断革新。基于结构振动控制的应用背景，下文将从SMA力学性能、温度影响、价格、安全性等方面对现有的几种SMA进行研究概况综述。

2.1 几种SMA的力学性能

自1963年Buehler等[3]揭示了镍钛合金的“形状记忆效应”以来，Ni-TiSMA发展快速，在航空航天、机器人、自动化、生物器械和建筑中得到了商业化应用，成为了研究和应用中最重要的SMA材料。Ni-TiSMA受关注度程度较高，其材料特性被不断改进，其中超弹性Ni-TiSMA的可恢复应变可达9%[4]。在材料形态上，Ni-TiSMA已突破原有的丝材形式，实现了棒材、管材和板材的制造。至今，在众多SMA种类中，Ni-TiSMA拥有着最长且最成熟的发展历史。

之后发展的Cu SMA和Fe SMA也得到了越来越多的关注，Cu SMA可基本分为Cu-Al系SMA和Cu-Zn系SMA[5]，如Cu-Zn-Al，Cu-Al-Ni和Cu-Al-Be均是常见的研究对象。近些年来，一种新型的Cu-Al-Mn SMA被发现拥有与Ni-Ti SMA相比拟的材料性能，其研究趋势不断上涨，Araki等[6]研究表明超弹性Cu-Al-Be SMA的可恢复应变约为4%，而Cu-Al-Mn 超弹性SMA的可恢复应变可达到12%，其超弹性性能优于Ni-Ti SMA。 Cu-Al-Mn SMA的耗能性质优良，郑成琪等[7]通过试验验证了Cu-Al-Mn SMA在马氏体态和母相态的比阻尼容量可分别高达62.64%和61.44%。研究证实单晶Cu-Al-Be SMA的耐疲劳特性优于Ni-Ti SMA[8]；但是关于Cu-Al-Mn SMA耐疲劳特性的研究较少，仅Huang[9]对Cu-Al-Mn的φ12棒材和Ni-Ti SMA的φ7棒材的疲劳周期进行了对比试验研究，结果显示在0.5%～6%的应变水平和1 Hz，5 Hz和8 Hz的动态加载频率下，Cu-Al-Mn棒材的疲劳特性均优于Ni-Ti SMA棒材。SMA在振动控制中的相变速率非常关键，当动态荷载速率超过SMA最大相变速率时，超弹性SMA是无法工作或低效工作的。DesRoches等[10]对Ni-Ti SMA棒进行了循环加载动态试验发现，SMA棒在高频加载下卸荷段的相变反应较差，所以造成了SMA在高频加载下的耗能性能较弱。Soul等[11]在3×10-5～3 Hz的频率下对Ni-Ti SMA进行加载后发现相似现象，即SMA在动态高频加载下相变反应滞后，带来了超弹性弱化现象；所以，在工程应用中，基于SMA结构振动控制频率范围应有所界定。Dolce等对0.02～4 Hz的加载频率范围内进行了研究，未发现Ni-Ti SMA在高频卸荷区未发现超弹性弱化现象；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发生超弹性弱化，其余频率下SMA超弹性性能良好。综上所述，SMA的振动控制频率区间应有所界定，但不同SMA之间差异较大，所以在振动控制应用和研究中应对SMA实施动态材性试验。

Fe SMA的相变温度较高，如Fe-Mn-Si-Cr SMA的相变温度Af约为130 ℃～185 ℃[13]，所以Fe SMA的SME特性一直是研究热点，而其超弹性鲜有研究。Tanaka等[14]2010年在《Science》上公布了一项突破性研究，其研发的Fe-29Ni-18Co-5Al-8Ta-0.01B(质量 %)SMA具有超弹性效应，并且可达到13%的可恢复应变以及1 200 MPa的抗拉强度；2011年同课题组的Omori等[15]在《Science》上公布了另一种超弹性Fe-36Mn-8Al-8.6Ni(质量 %)SMA，同样具有较大的可恢复应变及抗拉强度。

表1汇集几种代表性超弹性SMA的力学性质对比。Cu-Al-Mn SMA的可恢复应变能力与Ni-Ti SMA相近，耗能特性较优，但Cu-Al-Mn SMA的弹性模量和相变应力均低于其他种类的SMA。虽然Fe-29Ni-18Co-5Al-8Ta-0.01B SMA拥有最高的可恢复应变与高耗能性能，但Fe-29Ni-18Co-5Al-8Ta-0.01B SMA仍处于研究阶段，并且现有研究成果较少，对其动态特性的了解有待深入研究。

表1 SMA的力学性质对比

2.2 各类SMA受温度影响性能

Torra等[17]研究结果表示，Ni-Ti SMA和Cu SMA的动态力学性能均可受温度影响而改变；随着温度的上升，Ni-Ti SMA和Cu SMA的相变应力与弹性模量增长但阻尼比下降。Strnadel等[18]、Araya等、Huang等[19]和张振华等[20]分别在Ni-Ti SMA和Cu SMA的研究中发现了同样的温度效应，即弹性模量、相变应力和阻尼比随温度变化而变化。然而，Ni-Ti SMA和Cu SMA的相变应力受温度影响的敏感度却尽不相同。在单位温度下相变应力的改变的大小称为C-C系数(Clausius-Clapeyron Coefficient)，C-C系数可描述温度与相变应力之间的关系。如图2所示，Ni-Ti SMA的C-C系数约为Cu-Al-Be SMA的6倍。Niitsu等[21]的研究发现Cu-Al-Mn SMA的C-C系数约为2.7 MPa/℃，远小于Ni-Ti SMA的C-C系数。综上所述，Ni-Ti SMA的材料性能对温度的变化较为敏感，适用于范围较宽的主动或半主动控制，而Cu SMA的材料性能受温度影响较小，适用于较为精准的控制。

图2 温度与相变应力之间的关系Fig.2 Relationship between the temperature and the phase transformation stress

2.3 各类SMA的价格

Ni-Ti SMA虽然有着优良的材料性质，但价格却在各类SMA中居高，现今国内Ni-Ti SMA棒材的价格约为1 300元/kg。Araki等表示Cu SMA的价格明显低于Ni-Ti SMA价格，其中Cu-Al-Mn SMA是价格最低的一类SMA。Cu SMA的价格低廉的原因之一是Cu SMA易加工，相比Ni-Ti SMA的制备节省了大量的时间、人工和机械操作成本。据Araki等[22]统计，在包括加工费用的情况下Cu SMA的价格约为Ni-Ti SMA的10%，Cu SMA的纯材料价格约为Ni-Ti SMA的15%～30%。著名建筑结构设计公司奥雅纳(ARUP)曾进行了一个案例研究，以日本一栋10层钢筋混凝土建筑震后的修复费用为研究对象，计算了使用SMA修复方法相比传统修复方法所增加的费用，结果显示使用Cu SMA所增加的费用约为3.5%，而使用Ni-Ti SMA所增加的费用约为38.7%[23]。案例研究结论显示Cu SMA的使用不会造成过多的修复费用，却提高了结构修复后的使用性能。但据调查，现今国内Cu SMA购买渠道较少，市场价格暂不明朗。Fe SMA的价格同样较为低廉，Janke等统计Fe-Mn-Si-Cr SMA的市场价格约为Ni-Ti SMA价格的8%～12%。但值得注意的是常温下超弹性的Fe-29Ni-18Co-5Al-8Ta-0.01B SMA与Fe-36Mn-8Al-8.6Ni SMA价格将会较高，目前仍处于研究阶段并没有商业化量产[24]。

2.4 SMA的使用安全性

SMA在应用中和试验研究中不可避免与工人、研究人员和使用者产生接触，SMA对人类健康的危害和使用安全性也值得重视。Ni-Ti SMA常被使用在医疗器械中，也作为心脏支架[25-27]，现有研究并未发现Ni-Ti SMA存在毒性。Ishibashi等[28]研究了Cu-Al-Mn SMA在医疗设备中的应用，尚未发现对人体有害。然而，据IARC报告[29]显示，Cu-Al-Be SMA中的化学元素铍是一种毒性元素，有待进一步考量Cu-Al-Be SMA在建筑中的使用安全性，并且相关从业人员需要一定的保护措施。Fe SMA使用安全性研究较少，暂未发现对人体有害。经文献查阅，绝大多数SMA都不存在使用安全性的问题，但是Cu-Al-Be SMA的使用安全性值得关注。

2.5 SMA的选取

综合以上研究成果可知，各类SMA的性能差异较大，应根据应用工况选取合适的SMA种类。针对建筑结构振动控制应用，SMA的选取可总结如下：

2.5.1 风振动以及人致振动被动控制

风振动以及人致振动被动控制需要SMA具有较好的高周疲劳特性，需要在上百万次小应变水平(<1%)循环加载下保持材料的稳定性[30]。则在此指标下，Cu-Al-Be SMA和Ni-Ti SMA较为适用，因为Cu-Al-Be SMA和Ni-Ti SMA的超弹性较好且满足高周疲劳周期要求。单晶体Cu-Al-Mn SMA也较为适用，但相关动态力学性能研究成果较少，仍需针对不同尺寸和不同加载环境进行一定的疲劳试验研究。

2.5.2 地震动被动控制

地震动被动控制需要SMA具有较好的低周疲劳特性，即SMA需要在100次大变形循环内保持材料稳定性或不被破坏；并且对SMA超弹性可恢复应变要求较高，即残余变形需控制在1%以内。超弹性Cu-Al-Mn SMA较为适用，因为其在100次大变形循环周期下拥有较大的可恢复应变，低周疲劳性能较好，可满足选择原则。Ni-Ti SMA，Fe-29Ni-18Co-5Al-8Ta-0.01B SMA和Fe-36Mn-8Al-8.6Ni SMA的各方面动态力学性能和超弹性性能都较优良，但使用成本较高。

2.5.3 结构主动控制

结构主动控制要求SMA表现SME特性，并可通过加热施加较大的回复力以驱动结构。SMA的选择原则是SMA的相变温度Mf应大于工作温度。所以Fe SMA(Fe-Pt，Fe-Pd，Fe-Ni-Co系)较为适用，因为材料相变温度较高并表现SME特性，SMA变形后可通过加热产生较大的作动力，可为结构施加外力；Fe SMA的Mf与工作温度的差值应作为选择的控制指标。

2.5.4 结构半主动控制

结构半主动控制需要SMA具有良好的受温度控制特性，并保持超弹性效应。所以选择原则一是SMA的相变温度Af应小于工作温度，二是SMA的C-C系数应与结构所需温控速度相关。如Ni-Ti SMA较为适用于与短时间内大幅度调节材料性能，因为Ni-Ti SMA的材料性能受温度影响敏感，C-C系数较大，约为7.5～8 MPa/K；Cu SMA较为适用于精确调节材料性能，因为Cu SMA的C-C系数较小,约为1.25 MPa/K，温度对材料性能的调整幅度较小。所以，结构半主动控制中SMA的选择指标应主要考察相变温度Af和C-C系数的数值。

3 形状记忆合金用于结构被动控制

超弹性SMA的自复位性能与高耗能特性可为结构提供有效的被动控制。近些年来，基于SMA的被动控制方法主要通过结构斜拉索、节点、混凝土埋入和加固实现。

3.1 斜拉索

钢斜拉索在结构工程中得到了广泛应用，但其较低的耗能性能、较差的延性和常发生的屈曲现象却带来了一系列的工程问题。近些年来，越来越多的研究工作探索使用SMA斜拉索耗能阻尼器解决上述问题。目前SMA斜拉索耗能阻尼器的构成以丝材绕制为主，原因是丝材在反复荷载作用下由应力诱发马氏体相变变化较均匀并且热量散发较快[31]。薛素铎等[32]研发了一种新型的基于Ni-Ti SMA丝的耗能阻尼器，试验证明循环加载下会形成比较稳定的近似于双线性的滞回曲线，耗能能力较优，并且耐腐蚀和耐疲劳特性良好，适用于与结构斜拉索协同工作。Han等[33]提出了一种由两根钢丝和一根Ni-Ti SMA丝组成的耗能阻尼器，如图3(a)所示；通过在图3(b)所示的钢框架算例中安装8个该SMA阻尼器，可有效降低结构在自由振动下的动态响应并提升了结构加速度时程的衰减速率，Han等指出SMA的高阻尼特性为结构的消能减振做出了巨大贡献。Clark等[34]和Dolce等也试验了基于Ni-Ti SMA丝材的斜拉索耗能阻尼器，他们通过调整SMA丝材的数量来调整结构的自复位特性和阻尼特性。任文杰等[35]提出了SMA丝材应用于斜拉索的摩擦串联复合阻尼器，可对偏心结构进行振动控制，研究发现阻尼器对扭转振动的控制效果良好。Lafortune等[36]对SMA斜拉索施加了预应变，可有效防止SMA斜拉索发生屈曲问题，也可以尽早诱发相变状态，有助于能量耗散。

Dolce等和Han等表示Ni-Ti SMA在大变形下的阻尼特性较好，疲劳周期较长，可满足抗震要求。近些年来，Ni-Ti SMA斜拉索耗能阻尼器用于抗震的研究开始增多，Auricchio等[37]、Asgarian等[38]、McCormick等[39]、Massah等[40]、Naeem等[41]、毛晨曦等[42]、陈云等[43]通过数值模拟的方法探索了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，超弹性效应有效保证了结构的滞回性能。现今，Ni-Ti SMA在大变形循环加载下的力学性能稳定性、耗能稳定性和破坏机制仍需试验型研究深入探索。Auricchio等指出Ni-Ti SMA相变至马氏体后由斜拉索耗能阻尼器传导的力过大会引发梁、柱和节点屈服，该问题需在结构设计中注意。

图3 3SMA耗能阻尼器及应用Fig.3 SMA damper and its application

Cu-Al-Mn SMA具有较优的抗震性能(据“3.1”节所述)。如图4所示，Araki等[44]进行了1/3的缩尺振动台试验，探索了超弹性Cu-Al-Mn SMA斜拉索的抗震可行性，试验结果显示结构的动态响应被有效抑制，捏缩效应也可有效避免，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丝材，耗能性能更优、强度更高、价格更低，在土木工程应用中具有创新意义，也展现出较高的应用潜力。

图4 超弹性Cu-Al-Mn SMA斜拉索耗能阻尼器设计Fig.4 Details of the bracing system design using superelastic Cu-Al-Mn SMA

3.2 节 点

在结构振动控制中，节点是非常重要的组成部分，因为节点的刚度可显著影响结构的动力响应[45]，还承担着消耗能量的重要作用。据以往地震经验，节点是整个结构最脆弱的部位，如木节点的铁销在抵御地震荷载时往往会产生较大的永久变形从而导致整个结构失稳甚至垮塌。Chang等[46]提出了一种新型的基于SMA销的木节点，与铁销木节点的对比试验结果显示，SMA销木节点的耗能性能和滞回性能均较优。Huang等[47]在此研究基础上改进了SMA销木节点，通过使用Cu-Al-Mn SMA管材提高了节点的耗能性能，通过数值模拟研究显示木结构震后的残余变形可大大降低。

近些年来，Ni-Ti SMA在钢节点的应用研究最为广泛。Ocel 等[48]提出了一种由Ni-Ti SMA螺杆连接梁翼缘与柱翼缘的钢节点(见图5)，试验探索了在结构振动控制中的可行性，结果显示该节点拥有较高的耗能性能和延性，并且在大变形下节点没有出现强度衰减。钱辉等[49]使用Abaqus软件模拟了一种由钢柱、钢梁、超弹性SMA筋、耗能角钢(软钢)和加劲板组成的新型钢节点，抗震分析表明超弹性SMA筋可提高钢节点自复位性能，并发现SMA筋的预应力大小对自复位性能有显著影响。Fang等[50-54]进行了一系列的基于Ni-Ti SMA的钢节点研究，其中由Ni-Ti SMA螺杆连接的足尺钢节点试验结果显示节点的变形模式理想，即节点出现非线性变形而梁柱没有受到破坏，SMA螺杆使节点拥有良好的自复位性能，同时可使节点拥有4%的延性以及11%～15%的较高阻尼比；Fang等和Wang等还创新性提出了Ni-Ti SMA环形弹簧的钢节点以提高安装使用便捷性，试验结果证明该节点同样具有优良的耗能与自复位性能。武振宇等[55]提出了马氏体Ni-Ti SMA螺杆连接的钢节点，相比超弹性Ni-Ti SMA，马氏体Ni-Ti SMA拥有更强的耗能能力，通过加热SMA可修复节点的残余变形，该自复位节点具有一定创新性。

Cu SMA在节点的应用研究也逐渐增多。Sepulveda等[56]创新性地提出了Cu-Al-Be SMA螺杆钢节点用于结构振动控制，试验结果显示当SMA螺杆应变达到1.7%时，节点的等效阻尼比可达到5.5%，相比基于Ni-Ti SMA的节点，耗能性能相对较低，节点自复位性能优良。值得注意的是，Cu SMA的晶体尺寸远大于Ni-Ti SMA的晶体尺寸，Sepulveda等发现Cu SMA的晶体尺寸效应显著影响着整个节点的力学性能参数。Cu SMA受晶体尺寸的影响可能会成为其应用的局限性，开发单晶体Cu SMA将成为未来发展趋势。Huang等发现Cu-Al-Mn SMA在木节点中性能较优，可达到将近25%的阻尼比和较大可恢复变形，但是相关钢节点应用研究较少，后续研究应开发Cu SMA材料在钢节点振动控制中的应用潜力。

图5 Ni-Ti SMA螺杆连接的钢节点设计Fig.5 Design of the steel connection using Ni-Ti SMA tendons

3.3 埋入SMA的混凝土构件

SMA也被探索埋入混凝土结构中提供高滞回耗能性能以提高混凝土结构的振动控制能力。图6所示的是一根埋入Ni-Ti SMA筋的混凝土梁，试验结果指出该混凝土梁在循环加载下滞回性能良好，延性与传统钢筋混凝土梁相似[57]。崔迪等[58]将超弹性SMA绞线作为主筋埋入混凝土梁中，以提高梁的自复位性能和耗能能力，试验表明SMA的超弹性效应可以修复梁产生的裂缝，并可以提高混凝土梁的承载力和耗能能力。匡亚川等[59]将超弹性Ni-Ti SMA和内含修复胶粘剂的修复纤维管预埋在混凝土的受拉区或易产生裂缝的位置，利用SMA的超弹性效应和回复产生较大驱动力的特性，控制并恢复结构、构件的变形和挠度, 减轻抗灾性能，确保结构安全。但是，Abdulridha等指出埋入SMA的混凝土梁也有一定的缺陷，埋入SMA的混凝土试件相比较埋入钢筋的混凝土试件产生了宽度较大的裂缝，虽然SMA可以使这些裂缝愈合，但是这些裂缝严重影响了混凝土梁的强度。

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

除应用于混凝土梁外，SMA也被探索应用于混凝土剪力墙结构[60-61]，试验结果显示地震作用下SMA可以有效抑制剪力墙的破坏，并且超弹性SMA明显优于SME状态的SMA。

3.4 结构加固

根据意大利的实际工程资料，古建筑的结构振动控制能力可通过SMA加固得以提高。意大利Trignano市San Giorgio教堂(见图7(a))钟楼在1996年10月的地震中遭到破坏，意大利工程师将预拉钢筋和Ni-Ti SMA筋串联在一起，分别安装在钟楼内部的四角，以此来增加结构抵抗侧向动态荷载的能力(见图7(b))[62]。在2000年的地震中，该结构表现出了良好的滞回性能，并未遭到破坏。相似的基于SMA的古建筑结构加固案例可参考意大利Badia Fiorentina钟楼、St Francis of Assisi建筑以及美国旧金山的Sherith Israel[63]建筑修复工程，它们在之后的地震中未遭到破坏，展现出了良好的滞回性能。国内黄襄云等[64]使用圆形截面的新型拉压式SMA阻尼器对广州怀圣寺光塔进行了抗震加固仿真研究，数值计算结果显示古塔动力响应大大减小，底层剪力明显降低，并且竖向抗震效果优良。Ni-Ti SMA是现有结构加固案例中主要使用的功能材料，Ni-Ti SMA的高成本会对今后的古建筑加固造成一定的困难，发展Cu SMA的加固方法和探索其结构振动控制效果值得后续研究关注。

图7 意大利San Giorgio教堂的SMA应用Fig.7 Application of SMA to San Giorgio Church in Italy

4 形状记忆合金用于结构主动控制

SMA对结构的主动控制主要指形状记忆效应产生的回复力对结构进行的驱动控制。Baz等[65]探索了Ni-Ti SMA驱动器对一悬臂梁主动控制的可行性，通过通电加热激励马氏体Ni-Ti SMA驱动器，驱动器可对悬臂梁施加外力并抑制悬臂梁摆动。Belyaev等[66]探索了马氏体Ni-Ti SMA驱动器对旋转钟摆振荡的减振作用，通过周期性加热激励SMA，相变产生的外力可使钟摆的振动频率降低，阻尼升高。Benzaoui等[67]嵌入Ni-Ti SMA驱动器进入环氧基树脂复合材料，通过焦耳加热Ni-Ti SMA丝，复合材料的振动可以主动控制。陈健等[68]进行了相似的研究，预拉伸SMA丝所具有的SME恢复力可对复合材料梁进行主动振动控制，试验结果证明控制效果良好。SMA驱动器仍存在局限性，主动控制对SMA的加热与冷却速度要求很高，否则减振效果将受到严重影响。现今基于Cu SMA的主动振动控制研究较少，主要原因有：① Ni-Ti SMA的电阻较大并可通过焦耳加热迅速提升温度，但是Cu SMA的电阻较小无法采用焦耳加热的方法；② Cu SMA的相变温度普遍较低，材料处于超弹性状态而非SME状态。Huang等所采用的Cu SMA缠绕式加热与四氟乙烷喷雾冷却的方法可提高温度控制效率。后续研究还应继续深入研究提升Cu SMA相变温度的材料制备方法。

5 形状记忆合金用于结构半主动控制

SMA半主动振动控制的基本工作概念是SMA利用温度调节其自身动态力学性能，对受控结构可变的自振频率进行实时调谐，以此来避免共振并降低受控结构的振动。SMA的半主动控制主要体现在调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)的应用上，与之组成的系统可称为SMA半主动调谐质量阻尼器(SMA-STMD)。SMA-STMD可对失调的结构进行重新调谐，避免失调结构过度振动，对结构减振有着重要意义。

Williams等[69]根据这一概念进行了试验研究，其试验布置如图8所示，一个小质量块通过钢丝和0.71 mm的Ni-Ti SMA丝并联与受控结构连接，通过加热激励Ni-Ti SMA丝至若干个不同的温度，整个系统的自振频率则能被调整至若干个离散的频率值上，从而避开了与激励频率的共振现象。然而，仅能对若干个离散频率进行控制很难满足实际工程的需要，扩宽半主动控制的频域成为之后研究的热点。Rustighi等[70-73]进行了SMA-STMD的试验性研究，旨在扩大可控制的频域范围，Rustighi等通过电流加热激励Ni-Ti SMA丝使材料发生相变，即切换SMA奥氏体与马氏体的状态来增大SMA刚度可调控范围，控制范围可比原有范围增大。Williams等[74]利用Ni-Ti SMA丝的R相变(R-phase transformation)来连续调节SMA刚度以适应更宽的频域要求。

图8 Williams的SMA-STMD设计Fig.8 The SMA-STMD design by Williams

为加强SMA这一新型智能材料的可利用性，发挥SMA-STMD的诸多优势，拓展其在建筑领域的应用前景，Huang等采用了Cu-Al-Mn SMA组成STMD，探索了该SMA-STMD是否可以通过调节温度对建筑结构进行减振控制，通过对一悬臂梁结构进行振动控制试验，验证了该SMA-STMD振动控制概念的可行性(见图9)。Huang通过试验研究对一简化缩尺二层钢框架结构进行了振动控制，试验结果表明SMA-STMD可有效应对因受控结构质量改变引起的失调问题，此研究验证了SMA-STMD在建筑结构中实施振动控制的可行性。Huang等[75]也通过OPENSEES软件数值模拟，探索了SMA-STMD在楼板自由振动控制中的可行性(见图10)；经验证，SMA-STMD控制可使失调楼板的最大加速的响应降低24.6%，RMS加速度响应降低42.1%。

图9 SMA-STMD对悬臂梁的半主动振动控制试验Fig.9 Semi-active control test of a cantilever beam using SMA-STMD

图10 SMA-STMD对楼板的半主动振动控制Fig.10 Semi-active control test of a floor system using SMA-STMD

SMA-STMD的阻尼特性是消能减振的关键点。Aguiar等利用预拉力使Ni-Ti SMA的滞回曲线更加饱满，以吸收更多的能量。Berardengo等[76]设计了一种Ni-Ti SMA与涡电流协同工作的STMD，其中SMA负责受控结构自振频率的调谐，而涡电流负责优化TMD系统的阻尼系数，试验结果与数值模拟结果显示此阻尼器具有良好的减振效果且优于传统STMD。

国内孙万泉等[77]在Williams等的研究基础上提出了基于SMA-TMD半主动控制方法，通过理论模型验证了SMA-STMD可有效抑制结构自振频率不确定或发生漂移引起的振动问题，并且研究表明SMA-STMD拥有性能可靠、构造简单和自适应能力强等特点。张振华等通过数值模拟验证了SMA 阻尼器具有良好的减振和调频效果，并对温度控制范围进行了限定。SMA-STMD应用前景广阔，然而SMA-STMD在中国的研究相对匮乏，与国外研究不断提升的趋势对比下，研究成果差距拉大。在智能材料快速发展的背景下，国内研究人员需对智能材料给予持续关注，可以预见SMA-STMD的研究和拓展可带来富有前景的工程创新。

结合国内外研究趋势可以看出，现阶段大部分关于SMA-STMD的研究均起步于机械工程领域应用，即控制机械设备的振动，Ni-Ti SMA丝材的使用较多，SMA棒材和Cu SMA的使用较少；且前期关于SMA-STMD的研究多应用于机械，所以所受激励频域较窄；总体研究趋势显示SMA-STMD在不断地适应激励频域宽且随机、结构形式复杂的工程环境，所以SMA-STMD在土木工程的应用成为了研究人员新的关注点。基于Cu-Al-Mn SMA-STMD的可行性研究，Cu-Al-Mn SMA价格低廉且振动控制效果优良，在土木工程中的振动控制中具有发展潜力，Cu-Al-Mn SMA-STMD的减振机理成为进一步的研究方向。

6 结 论

本文主要介绍了SMA的发展现状与SMA在结构振动控制中的应用研究，分析对比了各类SMA在结构振动控制中的优势、问题与发展潜力。

从SMA材料的角度可以看出各类SMA之间性质差异较大，但相变温度起到了关键性作用。Ni-Ti SMA发展历史较长，研究较为成熟，超弹性性能、材料强度和耐疲劳特性都较优，可应用于结构的振动控制，但是较高的价格成为了土木工程大量应用的局限性。性能较优价格低廉并快速发展的Cu SMA和Fe SMA为SMA在结构振动控制中的应用带来了潜力。SMA的应用需考虑到不同种类之间的差异，SMA的合理选取对后续研发和应用至关重要。在SMA的选取时，应考虑不同SMA之间的差异，需通过DSC试验测试SMA的相变温度，判断SMA在常温下的相变状态；通过材性试验测量SMA的伸长率；通过动态力学试验研究加卸荷载速率对SMA性能的影响等；通过以上指标判断所选取的SMA是否满足结构振动控制条件至关重要，否则SMA将失效或低效工作。

本文从被动控制、主动控制和半主动控制三个方面探讨了SMA在结构振动控制中的发展现状。综合以往研究与资料可知，虽然SMA在抑制结构的振动响应、降低结构残余变形和增强结构耗能中性能表现优良，但是SMA的工程应用较少且实用性较低，而且现有研究往往集中于理论研究和模型分析。为填补现今SMA在结构振动控制研究中的不足，未来研究展望如下：

(1) 发展大尺寸SMA棒材。现有研究中大量使用SMA丝材，但用于足尺建筑结构中，丝材的耗能性能与刚度和强度有限；但是，现今SMA棒材的稳定性较弱且研究较少，后续研究应针对SMA棒材测试其在大变形与长周期加载下的材料稳定性以及对结构的减振效果。

(2) 发展Cu SMA。Cu SMA拥有价格低、易加工等优势，相比Ni-Ti SMA更具有结构振动控制发展潜力，然而在主动控制和半主动控制中Cu SMA的应用研究匮乏，后续研究应填补此方面的空白；Cu SMA的动态材料性能研究相比Ni-Ti SMA并不成熟，加载频率、加载应变水平、加载周期、工作温度等对Cu SMA性能指标的影响需加以完善；Cu SMA的强度较弱，高强度Cu SMA的制备研究应成为下一步研究方向。

(3) 发展单晶体Cu SMA。大尺寸Cu SMA棒材往往是多晶体构成的，晶界对Cu SMA动态力学性能影响显著，而且可降低Cu SMA的耐疲劳特性。单晶体Cu SMA可提高SMA的耐久性，相关研发与制备方法有待研究。

(4) 提升SMA的温度控制效率。对于地震荷载，用于主动控制和半主动控制的SMA元件需具有快速的反应能力，高效的SMA加热与冷却技术成为即将解决的关键性问题。

(5) 系统细化研究SMA主动和半主动控制的设计方案。现有主动和半主动控住研究尚处在可行性研究阶段，受控对象多为缩尺结构，质量较小，后续研究应针对实际结构进行参数优化、布置优化、温控等细化研究。

(6) 建立Cu SMA和Fe SMA工作温度与本构模型之间的关系。开发主动控制和半主动控制的动态模型算法，为工程应用奠定理论基础。