记忆合金在水泥混凝土结构中的应用

陆杨 李强

摘 要：记忆合金以其超弹性效应、形状记忆效应、抗疲劳性能、抗腐蚀能力及生物相容性等特性，越来越多地用于水泥混凝土结构中。本文对记忆合金的原理和常见合金类型进行了介绍，并对记忆合金在混凝土结构中的研究应用进行了总结，主要包括加固柱、梁以及振动控制等应用。

关键词：混凝土结构; 形状记忆合金; 结构加固; 抗震性能

中图分类号：TU528      文献标识码：A             文章编号：1006-3315（2021）11-061-002

1.引言

形状记忆合金（SMAs）是新一代智能材料，能够在经历大应变后恢复其预定形状，是一种特殊金属材料，具有驱动和感知功能;以其独特的超弹性效应、形状记忆效应、良好的抗疲劳性能、抗腐蚀能力及生物相容性，被广泛应用于电子仪器、汽车工业、医疗器械、工程控制和能源开发等领域。热激励预变形后的记忆合金能够产生较大的回复应力，停止加热并恢复到环境温度后，仍有400MPa左右的回复应力作为永久应力保存在该材料中^[1]。

形状记忆合金具有独特的热机械性能。当受到大的塑性应变时，它可以通过加热恢复其原始形状，这被称为形状记忆效应（SME）。通过内部或外部加热将温度提高到相变温度以上，并使形状记忆合金恢复其初始形状。形状记忆合金的另一个重要特征是其超弹性，即在载荷以及应力消除后，能够从非线性应变中立即恢复其原始形状。

由于形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性，使形状记忆合金成为土木工程应用中被动、半主动和主动控制系统的绝佳选择。本文综述了形状记忆合金在民用基础设施中应用的最新进展，包括钢结构、混凝土结构。本文揭示了形状记忆合金在土木工程结构中的重要性，特别是增强结构性能和外部受到激励时的能量耗散，比如地震荷载，在没有残余变形的加载-卸载过程中，这种增强是显著的。

2.形状记忆原理

合金形状记忆的原理是马氏体相变，一种无扩散的固态位移相变。原子在其中协同运动;新相是由原子的小的、协调的位移构成的;晶格是扭曲的，原子没有重组。其中相邻原子的位移小于它们原来的原子间距离。本质上，马氏体相变是通过点阵变形发生的，变形机制不同于塑性变形时的晶体滑移，相邻原子发生变化，晶格结构保持完整^[2]。

每种以一定元素按一定重量比组成的形状记忆合金都有一个转变温度。在这一温度以上将该合金加工成一定的形状，然后将其冷却到转变温度以下，人为地改变其形状后再加热到转变温度以上，该合金便会自动地恢复到原先在转变温度以上加工成的形状。

对于在土木结构中应用，记忆合金材料可以在低温下预拉伸、在环境温度下安全运输、在较高温度下激活、并在环境温度下保持较高的恢复应力值;有时还可以通过通电来激活记忆合金。

3.常见形状记忆合金

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，应用最广;Ti-Ni基SMA因其优异的性能在不同领域得到了广泛应用。但其存在相变温度较低、对成分敏感等不足，这一方面使其在高温领域的应用受到限制，不过在土木工程结构上的应用很有前景;另一方面在工业生产中准确控制相变温度较难，成本较高。因此，通过添加其他元素进一步改善性能并降低成本是研究方向之一，目前已取得了很大进展。

从20世纪90年代开始，人们又展开了对高温SMA的研究，目前Ti-Pt-Ir合金的回复温度可以达到1184℃。应指出的是，大多数高温SMA塑性和抗疲劳性能差，制造成本较高;磁性SMA（MSMA）又称铁磁SMA（FSMA），其驱动靠磁场传输而不是靠相对缓慢的传热机理，故可用于制作高频（达1kHz）驱动器;MSMA适合填补形状记忆合金和磁致伸缩材料之间的技术空缺，适用于低应力大位移的马达和阀门场合。应指出的是，MSMA硬而脆，难成形，仅适用于低温场合，不适合高温度大应力场合^[3]。

4.记忆合金在水泥混凝土结构中的应用

4.1混凝土柱加固

采用SMA螺旋丝加固柱，主要可分为三步。首先对SMA丝进行预张拉，通过应力诱发SMA发生马氏体相变，卸载后能残余一定的变形;再将预张拉好的SMA（工作温度区间内仍处于马氏体状态）缠绕并锚固在墩柱塑性铰区，锚固方式可采用多个U型箍等锚具将SMA丝末端与上一圈搭接自锁;然后通对SMA丝进行热激励，利用SMA的SME特性，迫使SMA具有回复到初始张拉前形状的趋势。但由于其固定受限，内部会产生很大的回复应力，回复力反作用在墩柱结构上，即产生主动约束应力^[4]。

通过众多学者对SMA加固水泥混凝土柱的实践，得到了很多规律与经验。首先預应变越大的SMA提供的围压越大，约束混凝土的轴向峰值应力和应变提升越大。其次SMA主动约束加固后刚度、峰值强度以及延度提升都十分明显，效果优于被动约束加固，并且有效减轻混凝土损伤;另一方面记忆合金加固后的混凝土柱的破坏形态、抗剪承载力、变形性能和耗能机制等抗震性能产生了较为明显的变化，破坏形态均由剪切破坏转变为了具有一定延性的弯剪破坏或弯曲破坏。即SMA材料可以有效的增强结构的位移延性系数，提高结构延性性能，减小结构的残余变形。学者们还发现合金缠绕间距对加固效果起着主要影响;最后SMA约束对强震作用下钢筋混凝土柱的抗震性能有显著的改善作用。

SMA主动加固墩柱的方法相对于传统增大截面、外包套夹等被动加固法，具有以下优势：可以主动施加预应力调整墩柱结构受力状态;减小或弥合原结构的裂缝及损伤;提高结构的承载能力和延性。

4.2混凝土梁加固

最常用的记忆合金加固梁的方式是将记忆合金丝预拉伸后缠绕在梁上，采用多个锚具将SMA丝末端与上一圈搭接自锁，加热激活后金属丝试图缩短，但由于受到限制，钢丝以围压应力的形式将由其转变引起的应力传递到梁上^[5]。

将记忆合金丝预拉伸后缠绕在梁上是传统的外贴加固，近年来越来越多学者研究近表面贴装（NSM）。NSM加固技术包括将FRP或SMA钢筋（钢筋或条带）插入钢筋混凝土梁表面的预切槽中，然后用环氧胶粘剂填充，可以更直接作用于被加固构件，减少SMA回复应力的耗散^[6]。

以直径3mm的Ni-Ti-Nb钢丝为例，在梁周围外部安装，形成一个伪螺旋，以主动约束或横向预应力钢筋混凝土构件，可以大幅提高抗剪强度，延性剪切破坏更为明显。低成本的铁基SMA条主动加固钢筋混凝土梁也可以使剪切裂缝的出现明显延迟，但加固效果不如镍钛记忆合金。当低廉的铁基合金与近表面贴装（NSM）技术相结合时，由于Fe-SMA具有高应变的独特特性，Fe-SMA加固梁在所有预应力水平下的延性都有显著提高。使用铁基记忆合金加固的效果优于传统的碳纤维布加固，主要是体现在破坏时的延性。

形状记忆合金加固混凝土梁相比于传统加固方法，除了可以提高承载力、控制变形、减轻混凝土损伤，还兼具裂缝修复、扰度恢复、提高延性、抗震的优点。

4.3记忆合金钢筋混凝土

混凝土被广泛用于建造现代民用基础设施，如建筑物和桥梁。为了防止和控制混凝土损坏的发生，很多研究将形状记忆合金制成的杆或钢筋嵌入混凝土。与传统的钢筋混凝土相比，形状记忆合金钢筋混凝土能吸收大量的能量，减小残余位移，恢复外加应力。在预应力混凝土中，可以用形状记忆合金杆代替近表面安装（NSM）纤维增强聚合物，这样就不再需要机械千斤顶和锚头等预应力工具，这种方法减少了钢筋中的裂纹扩展和应力，并提高了混凝土的抗疲劳性^[7]。

在很多剪力墙和梁柱节点加固的研究中，一些学者将传统的钢筋替换为记忆合金制成的钢筋，以实现想要的效果。对于传统的剪力连接件，其本身并不具备自动调节和耗能的能力，传统的设计方法是提高自身的能力来抵抗荷载以及耗散振动能量，主要是增加剪力连接件试件的刚度和强度。如增大连接件的截面尺寸或提高材料的强度等级等。这些方法成本较高。具体表现为SMA作为配筋材料可以改善剪力墙的地震反应，有效增加可恢复变形能力。SMA梁柱节点相比普通梁柱节点具有更好的自恢复性能、节点抗弯能力^[8]。

4.4振动控制装置

当结构受到外部扰动或载荷时，土木结构的动态响应高度依赖于结构内振动控制单元的存在，形状记忆合金（SMAs）是其中一类越来越受关注的材料。这些合金，特别是基于Ni-Ti的SMAs，已经应用于土木结构中的振动控制装置的设计。

土木工程中利用形状记忆合金大应变循环下的滞回耗能特性，目前研制开发的形状记忆合金振动控制装置主要有利用形状记忆效应的驱动器和利用超弹性滞回耗能特性的被动阻尼器两类，均可有效降低结构的地震响应，对于框架结构的效果更明显。还有一些研究发现记忆合金振动控制装置可以显著改变结构的固有频率，大大提高结构的抗震能力。

从振动控制的方式来分类，利用形状记忆效应的驱动器属于智能控制;而利用超弹性滞回耗能特性的被动阻尼器属于被动控制，这一类控制器是利用形状记忆合金的超弹性特性具有高阻尼且经较大变形后能恢复的特点。在被动控制阻尼器中，最典型的就是CT阻尼器。这种阻尼器提供了一个数值不变的库仑抵抗力，且刚度始终接近于零。只要温度处于记忆合金的超弹性工作阶段，温度的影响可以忽略，阻尼力大小也是不变的。这两点使得记忆合金振动控制器大大优于常规的黏弹性阻尼器^[9]。

从国内外的研究和应用情况来看，利用SMA的特性制作的振动控制器具有抗疲劳性好、抗腐蚀强、无液体渗漏、可恢复变形大及性能稳定等优点。但要真正使形状记忆合金材料在土木工程结构振动控制领域走向实用化，还需要为足尺形状记忆合金阻尼器的设计提供理论依据^[10]。

5.结语

综上所述，记忆合金由于其特殊的形状记忆特性和能量耗散能力，在水泥混凝土结构中，它们已被用于桥梁变形限制器、梁柱连接加固、特殊支撑、钢筋或预应力钢筋、减震装置和基础隔离系统等等，应用前景广泛。但是记忆合金价格昂贵，尤其是镍钛合金，这限制了其使用。铁、铜基合金价格相对便宜，目前应用和研究还比较少。最后形状记忆合金加固工艺广泛用于水泥混凝土结构，与钢结构相关的应用还很少。

参考文献：

[1]董金芝，李向民，张富文，蒋利学，蒋璐，许清风.基于SMA装置的框架——受控摇摆墙结构抗震性能试验研究[J]土木工程学报，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基铁磁形状记忆合金的相变行为研究[D]东北大学，2013

[4]马强.形状记忆合金加固混凝土圆柱的机理分析[D]中南大學，2013

[5]张亚飞.SMA/FRP增强钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究[D]东南大学，2019

[6]胡美玲.表面内嵌SMA丝加固混凝土梁抗弯试验研究[D]大连理工大学，2019

[7]孙丽，甘博，崔迪.形状记忆合金作为钢框架混凝土墙结构抗剪连接件性能研究[J]沈阳建筑大学学报（自然科学版），2016，32（03）：411-419

[8]肖正锋.形状记忆合金混凝土梁柱节点抗震性能研究[D]沈阳建筑大学，2018

[9]谭亚伟.SMA在结构振动控制中的应用[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

作者简介：陆杨，1997年12月生，男，江苏盐城人，建筑与土木工程硕士研究生，研究方向：土木工程材料的分子动力学研究。