袁维红，魏世龙，于慧超，杨 鹏，金兆鑫

(1. 兰州石化职业技术大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730060; 2. 中国石油西北销售公司, 甘肃 兰州 730000)

形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)，于1932年首次被瑞典科学家Arne lander[1]发现，但其一直没有得到研究者们足够地重视。直至1963年，Buehler[2]揭示了镍钛(Ni-Ti)合金中的形状记忆效应(Shape memory effect，SME)，由此，形状记忆材料(Shape memory material，SMMs)的重要性才被认识。时至今日，基于SMA独特的记忆效应，即，能够有效改善结构的受力情况，对结构的开裂、变形具有一定程度上的抑制和主动修复的作用而被广泛应用于土木工程中。

1 SMA的特点及性能

SMA主要具有以下4中特点及性能，即：形状记忆效应(SME)、超弹性效应、高阻尼特性和高恢复力性。

1.1 SME

SME是由于温度升高，形状记忆合金内部热弹性马氏体从低温相往高温相转变产生的必然结果。即，当形状记忆合金产生一定变性后(自身条件所允许的范围内)，通过通电或加热等外部作用后，使其变形恢复如初的现象[3,4]。

1.2 超弹性效应

Ni-Ti合金丝进行拉伸试验，初始温度超过马氏体逆相变温度Af时，Ni-Ti合金丝产生一定变形，此时，卸载外力后，Ni-Ti合金丝的变形将逐步消失直至恢复如初，此现象即为SMA的超弹性效应。有研究表明，超弹性效应与马氏体的完全不稳定性有直接的关系[5]；同时，亦有研究指出，超弹性效应并不与初始温度成正比，而是只有初始温度大于马氏体逆相变温度Af一定范围内时才会出现，因此也认为SMA的超弹性效应对初始温度具有较高的要求[6]。

1.3 高阻尼特性

SMA具有高阻尼特性，即，SMA由于马氏体相界面和孪界面及两种界面的相互转换，使其产生了高阻尼特性。如，普通低碳钢的比阻尼约为6%，而SMA的比阻尼却高达40%， 故在生产工业中，其可被视为高阻尼的防震消声材料[7]。

1.4 高恢复力性

当SMA温度升高，合金内部就会产生马氏体向奥氏体的转变，又由于马氏体的弹性模量远小于奥氏体，因此当温度升高导致合金弹性模量增加，进而产生强恢复力的过程，定义为SMA高恢复力性。此性能被广泛应用于钢结构构件中，用于控制钢结构的振动与变形。

2 SMA在结构主-被动控制中的应用

由于SMA具有SME、超弹性效应、高阻尼特性和高恢复力性等特点，因此其被广泛应用于建筑结构的主-被动控制中。

主动控制主要应用于混凝土梁中。如，梅胜敏等[8]将预拉伸的SMA丝埋入到玻璃纤维复合材料的悬臂梁中(如图1所示)，并分析了其动力学模型和作用机理。胡美玲[9]采用不同数量的SMA丝对混凝土梁进行加固改造，试验证明当激发SME后，相比未激发SME，可以有效提高混凝土梁的承载力，减小梁的挠度。王俊君[10]通过研究得出，SMA在提高混凝土梁的开裂荷载的同时也可以有效修复加载产生的裂缝。崔迪等[11]研究证明，在混凝土梁中埋入SMA绞线作为主筋，由于SME产生的预应力，可以有效提高梁的变形能力，以及极限承载力和梁的裂缝开裂能力。王文炜等[12]使用碳纤维增强复合材料和SMA对混凝土梁进行复合加固，试验证明通过复合加固技术，加固后梁的刚度以及屈服荷载和梁的开裂都有显著地提高。Hong等[13]和Czaderski等[14]通过对混凝土梁采用Fe基SMA进行预应力加固，激发后的SMA能产生大约250-400MPa的回复力，从而证明其可以用于混凝土的预应力加固中。Huang[15]通过分析对比Ni-Ti、CuAINi和CuZnAl三种材料制成的相同驱动器，得出Ni-Ti SMA丝驱动器相比其他两种驱动器性能更优，但同时价格更加昂贵。Geetha等[16]证明在梁的近表面安装SMA驱动器可以较为明显地提高梁的抗弯强度。

(a)悬臂梁

被动控制主要应用于减隔震结构中。如，Clark等[17]利用SMA材料的超弹性效应制作了一种耗能器(如图2所示)，并通过实验对比得出，加载频率对耗能器性能的影响较小，温度变化对耗能器性能影响较大。刘海卿等人[18]设计了一款既能够使主-子结构的加速度和位移响应明显减小，又可以提高结构舒适度和安全性的SMA 阻尼器。郑晓蒙等人[19]将一种单拉式SMA阻尼器应用于框架结构中，并有限元模拟证明其具有较好的减震效果。Ocel等[20]使用SMA 制作成大尺寸梁柱节点(如图3所示)，进行试验分析得出，当其产生位移后，通过通电加热可以使其残余位移得到恢复，同时也证明加载次数与恢复能力成反比。Dolce等[21,22]通过试验证明，利用SMA性能特点制作的隔震装置，可以使结构具有良好的耗能和恢复效果。

图2 SMA丝阻尼器

图3 SMA梁柱连接

3 结语

由于SMA具有较强的SME、超弹性效应、高阻尼特性和高恢复力性等特点，因此被广泛应用于结构工程中，其对于智慧城市和智能结构、绿色结构的建设至关重要。但同时，SMA也存在着一定的缺陷，如，马氏体和奥氏体相互之间的反复转变，会对SMA材料造成一定的损伤，同时其造价高，工艺难度大等特点也困扰着其在建筑结构业的发展。因此如何加强SMA抗疲劳性和加工工艺，减小其造价水平将成为其重要的研究课题，对其推广具有重要的意义。