土木工程智能结构体系的研究与发展

谢文光

摘 要：随着中国经济和科学技术的飞速发展，土木工程研究也取得了重大突破，特别是当今土木工程智能结构体系是最先进的科技之一，并且也是未来的重要发展趋势，受到了该领域专家的广泛关注和研究。土木工程中智能结构体系的研究是当前建筑领域的热门话题。本文着重分析了土木工程智能结构体系的研究与未来发展方向：土木工程智能结构体系提升智能驱动工艺的研究与应用力度；土木工程智能结构体系提升对智能集成工艺的探讨与研究力度；提升对信息传输与处理方面的探讨与研究力度。不断研究和开发土木工程智能结构将为人们带来经济和社会利益。

关键词：土木工程；智能结构体系；发展前景

中图分类号：TU399 文献标识码：A 文章编号：2095-9052（2020）05-0253-02

土木结构通常会发生某些变化，尤其是当结构受到外部环境影响时，在大风和地震的情况下保护基本结构的安全是一个重要问题，这就有必要根据自身情况对整体结构作出调整，如何实际反映结构控制的一体化，在此过程可以使用智能结构材料控制系统，因为使用智能结构材料控制系统可以在强风和地震条件下确保基本结构安全。通过智能结构材料控制可以提高结构的抗震能力，这是工程结构智能控制的重要要素之一。近些年来，由于我国不合理的工程结构特别是遇到地震时造成的安全事故不在少数，建筑结构的不稳定性严重威胁着人们的生命和财产安全，因此有必要研究工程结构智能材料控制，以确保土木工程从被动控制到主动控制的逐步转变。

1 土木工程智能结构体系及其材料的构成

1.1 构成体系

通常，智能系统的体系结构由三个元素组成：传感器，信号处理器，控制器。其设计原则基于仿生学，根据生物体对外部环境中的感知和识别模式实现建筑物技术结构的内部信息收集，传输，处理和收集，當系统收集到危险信号时，讯号处理模块处理后，将处理结构反馈给控制功能模块，以抵抗外部地震，达到抗地震的目的。中国幅员辽阔，地质条件复杂，是导致中国频繁发生地震或其他自然灾害的因素之一。地震对于土木工程结构来说，会造成巨大破坏，使人们的生命和财产受到威胁。土木工程包含许多基础建设，基础设施建设对居民的生活起着重要作用。如何改善工程建筑结构对地震等自然灾害的抵抗力，并提高安全性和稳定性是一个值得思考的问题，基于这样的思想，智能结构系统的研发更为重要。本文以土木工程智能结构体系及相关材料存在的问题提出解决方案[1]。

1.2 构成材料

第一，这种材料用于控制功能材料，比如压电材料，各种功能性凝胶等。该类材料主要用于执行与系统控制有关的功能，可以根据环境中的各种外部变化而改变[2]。它可以根据外部温度和磁场的变化，更改自己的体系结构，架构和频率，以适应外部变化并将损失降到最低。

第二，感知类材料主要用于系统的传感器功能，例如用于合成金属，光纤等实现传感功能。通常，土木工程系统的智能结构就像一个仿生结构体系，该系统旨在使土木工程结构更智能。由于社会的发展和进步正在提高对土木工程结构的要求，土木工程智能结构系统的发展是一种趋势。在当今工程应用中，智能结构体系设计主要关注以下领域：现代建筑中常用的视觉与声发射技术，超声技术，无损检测技术和检测技术。但是，这些技术的应用通常是有限的，只能用于建筑。当检测投入使用过程中时，将忽略对该环节的检测，从而造成施工不及时。然而，智能结构自我认知，新的传感器元件，例如光纤技术和半导体设备，可以有效地减少损坏程度[3]。

2 土木项目建设中对智能结构的应用

2.1 外形记忆类合成金属的应用

发生地震时，短时间内会产生大量能量，从而摧毁建筑，使用外形记忆类合成金属，大大抵消了变形能量，从而提高了抗震能力[2]。尤其是基于使用具有较强相变特性的外形记忆合成金属。它的工作机制是使用耗能器检测建筑物的变形结构，并抵消地震产生的能量，以达到抗地震效果。土木工程智能结构主要由信号处理器，传感器和控制装置组成，这与仿生学理论是一致的，并且可以模仿建筑结构的潜在危险，然后迅速进行调整。例如，传感器结构发现存在安全隐患，安全传输风险的信息将被发送到控制器，控制器逐渐调整该信息以实现智能化处理的目的。使用智能结构对土木工程的维护和设计产生了很大的影响。

2.2 压电材料的应用

在现有系统中，使用压电材料不仅可以实现静态形变和噪声控制，而且还可以执行维护、安全管理、状态监视等任务，并提高了抗风和抗震能力。压电锥工艺一般在建筑中被广泛使用，以提高抗地震措施并取得良好的效果。智能材料可以分为两类：一是受生产材料的驱动，包括各种形状记忆材料和磁流变体材料。这些材料中最重要的是利用温度和电场，磁场的大小，位置和频率形成适应功能。二是传感器元件的，其特征在于材料的内部和外部结构刺激材料的强度和张力，这就是为什么它也被称为压电材料。该材料主要用于光纤，亚聚合物合金和压电陶瓷。该材料对当前用途非常重要。材料可以通过温度、电场和磁场的变化而改变其结构的形状、位置和频率，以此来创建某些力学性能。所以，可以生产特殊的材料和驱动元件来合成。

2.3 愈合凝胶原料的应用研究

在设计过程中，将可愈合材料（聚丙烯纤维等）以一定比例加入混凝土结构中，如果建筑因地震或其他风险造成损坏时可以快速修复建筑物的结构。当前，该解决方案是克服混凝土结构损坏的最佳方法，但是这种方法仍在探索中。随着该项技术的发展，其具有很大的应用空间。土木工程的智能结构有很大的发展潜力，但仍然存在许多问题和弊端。在智能土木工程结构中，除了改进智能传感技术外，还必须改进智能驱动技术。另外，加快处理和传输信息的速度以及智能集成技术的发展是土木结构未来的发展方向。

2.4 土木工程智能结构体系光导纤维的应用研究

该体系中的传感器由一个光导光纤组成，该传感器主动监测地震反应，通常在建筑的结构中发挥诊断作用。其作用机理如下：在混凝土嫁构中增加光纤构造传导元组件，就可以实现其相位控制及其他相关任务包括架构形变，损伤，强度，振动等指标进行检测，使土木工程智能化结构具有识别和自我修复功能。智能传感器技术是一项重要技术。智能传感器技术的特殊功能是实现传感元件，这些元件为智能结构系统在许多传感器领域的技术实现和应用提供了条件，但是智能传感器它涉及智能传感器的大小和抗干扰能力可以与各种材料混合，在智能结构中起着非常重要的作用。为了提高智能传感器性能，有必要通过集成电磁和模拟来提高性能[4]。（见图1）

3 土木工程智能结构体系的研究与未来发展方向

3.1 土木工程智能结构体系提升智能驱动工艺的研究与应用力度

智能驱动工艺对于控制和修复建筑物的结构和形状是必不可少的。技术原理是：如果外部环境发生变化，则可以减少建筑物的结构损坏，因为智能元件可以响应环境的变化而改变其属性，确保建筑安全稳定。因此，这对于改进智能驱动工艺的研究和应用是非常必要的，可以从三种方式开始：一是改善驱动材料与主体材料的整合度[2]，以提高其强度和效率。二是在选择材料时，使用弹性大和抗冲击性极好的材料。三是进一步研究以提高响应率和速度。

3.2 土木工程智能结构体系提升对智能集成工艺的探讨与研究力度

对于架构控制体系来说，就好像生物体大脑控制系统，对生物体的各种活动可以进行协调，为了改善土木工程智能结构的控制性能，未来需要作出努力以加强智能化集成方面研究和开发，并实现对建筑结构形变的协调控制，最重要的智能建构体系在土木工程自身结构恢复民事损害赔偿，而最重要的维修方法是使用智能驱动工艺。智能驱动技术的差异在于通用建筑系统和智能建筑系统。为了提高驱动技术，增强电磁场的智能变化，提高计算能力，提高自适应驱动技术，考虑材料本身的结构，具有较大的弹性模量和抗冲击性能，智能材料的反应速度快，确保在使用过程中可以轻松控制材料结构。

3.3 提升对信息传输与处理方面的探讨与研究力度

在整个系统中，主要使用讯号传导器来进行信号发送和处理信息，负责处理和传达这些消息，创建具有各种功能连接的有机整体。因此，有必要加大该领域的研发力度，以提高系统的整体性能。信息处理与传递是土木工程智能结构系统的主要支撑系统，模块化信息处理器和发送器执行大多数功能。可以准确、及时地将土木工程的受损程度发送到控制系统。通过计算和处理当前信息，由于数据传输速率的限制，延迟处理和传输，需要整合处理器和传输器以加快处理传输速度。

4 结语

本文从土木工程智能结构体系在建筑工程的应用，对智能结构的原件以及构成材料进行了分析，然后从土木工程智能结构体系设计，使用合成材料应用到建筑工程的智能结构中，使用压电材料体系愈合凝胶原料的应用研究以及光纤用于智能设计研究，智能结构在建筑项目建设中发挥着重要作用。提出要加强智能驱动技术的研究和应用。关于技术集成和改善土木工程智能结构信息传递和处理的研究讨论，对土木工程智能结构体系的研究与未来发展方向进行了分析。从以上可以看出，土木工程智能结构体系是当前建筑行业使用的主要技術，也是未来研究的重要领域。未来，人类科技将不断进步，还会发现许多新材料。因此，有必要积极应对未来，加大研究力度，不断优化智能体系结构，提高建筑物的安全性，改善建筑物的抗震性才能保护人们的生命和财产安全[2]。该系统的智能结构是一种相对较新的科学技术，涵盖了相对广泛的领域。该技术应用于建筑物具有极大的潜力，可以提高建筑物的安全性。现代技术的快速发展，尤其是智能材料的发展，以及智能建筑结构的发展正在发生巨大变化，这需要我们结合智能建筑材料和智能系统的发展优势，完成与土木工程兼容的智能结构的设计。对智能结构体系的开发和研究为土木工程的发展提供了很好的机会。如今，中国的智能结构系统有了长足的发展，智能结构促进土木工程的发展，并且不断研究和开发土木工程智能结构将为人们带来经济和社会利益。

参考文献：

[1]梁宏伟.土木工程智能结构体系的研究与发展[J].中外企业家，2018（29）：125-126.

[2]唐世举.土木工程智能结构体系的研究与发展[J].建设科技，2015（16）：112-113.

[3]邵星星.土木工程智能结构体系的研究与发展[J].黑龙江科技信息，2017（3）：217.

[4]田磊.土木工程智能结构体系的研究与发展[J].山东农业工程学院学报，2014（5）：53-54.

（责任编辑：李凌峰）