张 岩，崔 迪，关 萍

（大连大学 辽宁省高校复杂结构体系灾害预测与防治重点实验室，辽宁 大连 116622）

1 引言

2010年的智利8.8级地震仅有700多人遇难，这与2008年的汶川8级和2009年的海地7.3级地震相比，智利大地震的实际伤亡人数远远低于我们的想象。究其原因，主要是由于许多建筑物在地震中摇而不倒，倒而不溃，极大延缓了倒塌时间，给了人们更多自救、互救的时间。另外据统计，世界 130次巨大地震中，90%～95%的伤亡是由建筑物倒塌造成的。因此，如何减少建筑物的倒塌，是能否把灾害损失降到最低的关键。此外，对于钢筋混凝土结构来说，即使没有地震作用，它也存在抗裂性差的缺陷，因此，普通钢筋混凝土结构经常是带缝工作。裂缝的存在会导致钢筋锈蚀，影响结构的耐久性，造成胀裂破坏，甚至会酿成结构倾塌事故。因此，需要改善混凝土结构自身的力学性能，从而增强工程结构的耐久性，提高其抗震、抗倒塌性能。这不仅要改善混凝土材料的力学性能，而且要寻找一种新的配筋材料来代替钢筋。

形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）是一种具有奇特的形状记忆效应和超弹性的新型智能材料。关于它的研究可以追溯到上世纪30年代，1932年美国学者Olander在研究AuCd合金时，发现了形状记忆效应，但在当时并未引起学者们的足够重视。直到 1963年发现等原子Ti—Ni合金丝在室温变形后，稍加热即可发生形状恢复这一现象，人们才认识了形状记忆效应，并由此引发了对SMA材料的广泛研究[1]。迄今为止，SMA在机械电子、生物医疗、航空航天领域已得到了越来越多的应用。在 1972年美籍华裔学者姚冶平提出结构控制这一概念后，才真正开始了 SMA在土木工程方面的研究。早期的研究多是利用SMA材料制成各种耗能装置，近年来，随着智能材料结构的发展，以及材料加工技术和工业化生产能力的提高，研究人员用 SMA来代替钢筋，制成了智能混凝土构件或结构，并对其性能进行了广泛和深入的研究，目前已成为防灾减灾工程中的研究热点。

本文首先介绍 SMA材料所具有的独特的性能——形状记忆效应和超弹性，接着从这两方面出发，分别介绍利用两种特性制成的 SMA智能混凝土构件或结构的的研究进展与应用现状。

2 SMA的特性

2.1 形状记忆效应

形状记忆效应是 SMA的一个重要特性，即合金在马氏体状体下进行一定限度的变形，在外荷载消除后对材料进行加热，当超过马氏体相变温度时，材料的变形会减小，恢复到初始的情况,（见图1）[2]。

图1 形状记忆效应示意图

形状记忆效应分为单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全方位形状记忆效应。单程形状记忆效应是指材料只会发生一种动作，在加热恢复到高温状态后，再进行冷却和加热循环，不会影响其变形；双程形状记忆是指材料在加热和冷却循环中，能反复回复高温状态和低温状态；材料在加热时能恢复到高温状态，当冷却至更低温度时出现与高温时相反的形状为全方位形状记忆（见表1）。

表1 形状记忆效应分类

2.2 超弹性

超弹性是 SMA的另一重要特性。所谓超弹性是指合金在高温时，当加载应力超过弹性极限应力时，继续加载会诱发马氏体相变；当应力减小时，即使不加热也会产生马氏体逆相变，直至完全消失（见图2）。

图2 超弹性示意图

3 利用SMA的形状记忆效应制成智能混凝土结构

近年来很多学者利用 SMA的形状记忆效应制成智能混凝土构件或结构，并对其进行了试验研究和数值模拟。结果显示，无论是改变钢筋的配置类型、配筋率或者预应变等，均达到了很好的试验效果。

邓宗才和李庆斌[3]将 SMA丝偏心埋置于尺寸为50mm×50mm×465mm的混凝土梁中，研究合金预拉伸应变值、合金配置量、通电激励模式、试件截面尺寸及养护方法、混凝土龄期、合金粗细等因素对梁挠曲变形的影响规律。结果表明合金在逆相变过程中能对混凝土梁产生驱动力，实现对梁挠度的控制。

Li等[4]研究 SMA混凝土简支梁在加载后的变形及裂缝发展情况，及通电激励 SMA丝后产生的变形情况。试验研究发现 SMA丝产生的回复力减小了梁跨中的变形，并对受拉区混凝土提供压力。同素混凝土梁相比，其承载力显著提高。

匡亚川和欧进萍[5]利用SMA的记忆效应，在混凝土梁易产生裂缝的部位，预埋NiTi SMA丝。当混凝土结构在外力作用下产生裂缝的宽度超过允许限值时，通电激励记忆合金丝，使之产生形状回复效应。试验结果显示，通电激励后，梁跨裂缝逐渐减小甚至恢复闭合。说明 SMA丝所产生的回复力，可以抑制裂缝的发展，实现裂缝的主动控制。

狄生奎等[6]在混凝土梁中沿梁长度方向埋入NiTi合金丝制成智能混凝土模型。对其进行加载，测定 NiTi合金混凝土梁在变形过程中合金丝电阻的变化，发现合金电阻对裂缝较为敏感。卸载后激励合金丝，使合金温度升高，在相变的同时产生回复力，使梁的变形减小甚至恢复。可利用这个特性实现对结构变形的实时、在线监测及控制。文献[7]中，他们又考虑到SMA与混凝土的粘结滑移问题，并且通过理论计算进行验证，发现该模型中合金丝与混凝土不会发生滑移。他们同时也研究了影响合金混凝土梁回复变形的因素，如合金丝预应变、合金丝截面积等。

阎石等[8]在混凝土连续梁中埋置预应变合金丝制成预应力连续梁，对梁的两跨跨中施加集中荷载，当变形达到一定值时，卸载并通电激励NiTi合金丝，发现梁的变形逐渐减小。他们同时还研究了合金丝的配筋率、拉筋配置、粘结力、合金丝布置等因素对变形性能的影响。

有些研究人员还对 SMA线材的形式进行改进。Cui等[9]采用SMA绞线的SMA混凝土梁在加载、卸载、通电激励合金三个阶段的变形及裂缝发展情况。试验结果表明 SMA绞线产生的回复力也可减小梁跨中的变形，亦可应用于混凝土结构的加固。Shimamoto等[10]对NiTi纤维、聚碳酸酯复合材料进行开发，并对其性能进行研究。将试件置于动态疲劳试验机上，监测形状记忆效应对裂缝扩展的控制效果。结果表明，试件能够有效地抗疲劳；升高温度激励的形状记忆效应能够很好的控制疲劳裂缝的扩展。

另外，一些学者由 SMA的力学性能在混凝土梁研究领域所取得的进展，联想到了将 SMA应用于混凝土柱。将 SMA作为主筋，或作为箍筋，结合普通钢筋混凝土原理对 SMA智能混凝土柱的实验研究进行了探索，开辟了 SMA混凝土研究的又一新天地。

杨明理[11]将SMA作为箍筋，在通电激励条件下，利用形状记忆效应研究其对混凝土环向驱动的原理。制作 18个试件，对比素混凝土柱，SMA智能混凝土柱在承载时的变形。并研究了预应变、合金直径等对环向驱动力的影响，取得了良好的试验结果。

Moochul Shin 和 Bassem Andrawes等[12-14]对于合金混凝土柱进行了大量的试验研究。他们利用 SMA增强混凝土柱的抗震性能，研究了一种新型主动约束方式的混凝土柱在单轴受压下的变形情况。将具有预应变的 SMA制作成螺旋箍筋，温度变化触发其相变，使其产生回复力，对混凝土柱提供外约束。试验结果显示，SMA螺旋箍筋在单调加载和循环加载过程中呈现出了稳固的回复力；说明 SMA螺旋筋能够有效地对混凝土施加围压力。后来他们利用 SMA螺旋箍筋的形状记忆效应进行严重损伤的紧急修复，经过试验验证了该技术的可行性，可以应用于桥墩震害修复。

Choi等也是SMA混凝土柱研究的突出学者，他们为 SMA混凝土柱的发展也起到了很大的推动作用。他们[15-16]也做了类似的研究，但他们应用了一种新的合金——NiTiNb，并将其与 NiTi合金对比。试验发现：两种合金的套箍作用均能改善混凝土柱的强度和延性，且不会对其抗弯强度产生太大影响，但 NiTiNb合金的应用效果更好些。后来又研究利用混凝土的水化热，触动SMA的形状记忆效应。在单轴压缩试验下，SMA混凝土柱呈现出了良好的回复力和残余应力；与素混凝土柱相比，具有较大的破坏应变和峰值强度[17]。利用水化热法激励SMA虽比电源激励法简单，但是如何控制混凝土的水化热仍然是一个难题。

4 利用SMA的超弹性制成混凝土结构

总结上述研究情况可以发现，对于利用SMA的形状记忆效应，必须要采取一定的措施对SMA进行加热，因此，在实际应用过程势必要增加一些外部的设备，从而占据结构的部分使用空间并增加成本。而对于利用 SMA的超弹性就不存在这样的问题，因此，在众多学者对 SMA的形状记忆效应展开深入研究的同时，利用 SMA的超弹性的研究也日渐增多。一些学者致力于将SMA的超弹性应用于结构抗震领域，研制出了多种耗能减震装置。同时，一些学者在探索超弹性SMA在混凝土结构领域的应用，推动了超弹性 SMA混凝土结构的飞速发展。

Ayoub[18]将直径为9.525 mm和6.35 mm的超弹性NiTi SMA棒安装到梁底跨中部位预埋的角钢上，对梁的裂缝和挠度进行控制，制作了 11块混凝土立方体试块，比较有无 SMA时混凝土立方体试块的侧限能力，取得了较好的控制效果。Saiidi等[19]采用与Ayoub相近的方法，在混凝土梁中配置了直径为9.53 mm和12.7 mm的超弹性NiTi合金棒，对梁的裂缝和挠度进行控制（见图3）。他们制作了8个混凝土简支梁试件，研究配筋类型及配筋率对变形的影响，也取得了较好的试验效果。表明超弹性NiTi合金丝可以提高梁的变形能力，卸载后也可以使合金混凝土梁的变形恢复。

Sakai等[20]对埋有超弹性SMA棒的砂浆梁进行了3点弯曲试验，并将所作试件与普通的钢筋混凝土梁进行了比较。试验结果表明，SMA砂浆梁的变形范围是钢筋混凝土梁的7倍多，且卸载后 SMA砂浆梁的变形几乎全部恢复，说明用SMA作为主筋，可以增强梁的变形能力和修复能力。

崔迪等[21]与 Sakai等不同，她们用 SMA绞线代替普通钢筋，对超弹性 SMA混凝土梁和普通混凝土梁采用跨中单点加载的方式，测试其力学性能。结果表明普通混凝土梁、超弹性 SMA混凝土梁、无粘结超弹性 SMA混凝土梁以及预应力无粘结超弹性 SMA混凝土梁的力学性能存在显著差异；预应力无粘结超弹性 SMA混凝土梁的效果最好，能够明显的改善混凝土梁的力学性能，提高自修复的能力和承载能力。

匡亚川和欧进萍[22]利用SMA的超弹性效应，结合修复胶黏剂的填充、粘结特性制成不同于仿生学自修复智能混凝土梁的自修复智能混凝土梁（见图4）。其具体原理是利用NiTi SMA的超弹性效应和受限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；利用修复胶黏剂对裂缝的填充、修复特性，恢复混凝土的强度，提高结构的耐久性。SMA使裂缝面闭合，胶黏剂将两裂缝面粘结在一起，从而实现混凝土损失的自修复。试验中梁修复后的变形趋势与修复前基本一致，修复后试件的开裂荷载有一定的提高，并出现了新的裂缝，证明了这一方案的可行。但是这个方案中仍有一些问题有待于进一步的探讨，比如修复剂的选择、流量控制、纤维的选择、断后强度问题等。

图3 Saiidi等所用试验梁装置

图4 智能修复混凝土梁

Elbahy等[23]通过数据调查研究超弹性SMA-混凝土梁的荷载——挠度关系。鉴于截面高度、宽度、配筋率、配筋弹性模量及混凝土抗压强度的影响，采用截面分析方法预测截面弯矩——曲率关系、挠度，将结果与现有实验结果比较，提出了一种适用于分析超弹性 SMA混凝土梁挠度的模型。

Wierschem等[24]对于如何将超弹性 SMA应用于混凝土柱，也展开了大量的实验探索。基于FRP的研究，Bassem Andrawes又提出了超弹性SMA-FRP材料，并对其的力学性能研究进行了大量的研究，并确定其本构关系。将超弹性SMA-FRP应用于混凝土柱中，以改善混凝土结构的延性和阻尼性能。Billah等[25]也做了与其相似的工作，他们考虑到FRP替代普通钢筋虽可减轻结构腐蚀破坏，但是FRP为脆性材料，造成的破坏往往是致命性的，因此提出将超弹性 SMA与FRP混合配置在混凝土柱的塑性铰区域。数据显示该种混凝土柱在震动在有足够的耗能能力，显著减小残余应力。

Alam等[26]研究了超弹性SMA混凝土框架结构的动力反应，后来 Moni[27]又考虑到结构承载强度、延性折减、效应传递等因素的影响，认为该种结构比普通框架结构具有更好地抗震性能。Khaloo等[28]用有限元软件分析配置超弹性 SMA的悬臂梁在静载作用下的变形情况，以及在不同配筋类型及配筋率时悬臂梁的力学性能。结果表明，埋置超弹性 SMA的混凝土悬臂梁具有良好的变形能力。

5 结论与展望

SMA混凝土具有良好的力学性能，研究前景很广阔，其中在自诊断、自修复混凝土及加固方向取得了很大的进步。很多学者致力于自诊断、自修复智能混凝土结构的研究，有的研究纤维智能混凝土结构（如匡亚川等，M.Shahria Alam等，Bassem Andrawes等）；有的研究通电激励形状记忆效应的智能混凝土结构（如Li等，匡亚川等，狄生奎等，阎石等等）；有的研究利用环状SMA对墩、柱等的加固……从而推动了智能混凝土结构的发展。经过大量的试验研究表明，材料、电子、土木工程等多种学科交叉，使 SMA能够应用于混凝土结构中，并有效地改善了普通混凝土结构的力学性能。

对于 SMA智能混凝土领域，虽然受配筋类型、合金造价等多种因素的制约，但仍然取得一定的发展，也已成为防灾减灾工程的研究热点。但在智能混凝土结构理论发展的同时，也显现出了很多问题：对于如何保证混凝土与 SMA线材良好的共同工作这个问题，文献[5]、[7]等中均有涉及，虽可通过设置普通钢筋改观，但却对裂缝的修复起到不利影响；SMA绞线虽表现了良好的力学性能，但是其研究时间还较短，很多理论和方法还不够成熟；另外，SMA价格昂贵，影响其广泛的研究与应用等等。相信解决了这些问题，会为 SMA智能混凝土的工程应用取得实质性的进展。

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