智能材料与土木工程结构振动控制
摘 要： 随着材料技术的发展，土木工程结构振动控制用传感和驱动装置也随之智能起来，其中包括：电磁流变材料、磁致伸缩材料、记忆合金材料、压电材料等，智能材料的广泛使用，帮助工程结构抵抗振动的影响。文章综述了电流变体/磁流变体（ER/MR）智能材料的基本性能，并介绍了几种智能材料在土木工程结构振动控制中的应用，并展望了今后的发展前景。
关键词： 土木工程；结构振动控制；智能材料；电/磁流变体.
智能材料在土木工程结构等许多领域都有着巨大的应用潜力。就土木工程结构而言，智能材料结构系统及其应用技术的兴起与发展不仅意味着结构功能的增强，更重要的是对传统土木工程的结构设计、建造、维护及使用控制等许多观念的更新。
如采用智能材料结构系统，能够真实地体现结构—控制一体化的特征，这种振动控制系统既简化了结构，又能在地震这种不确定性动荷载作用下，自动做出振动控制反应，增强了结构系统的抗震能力。目前，在土木工程领域内，智能材料结构系统的研究主要集中在以下三方面 ：
（1）结构健康的实时检测与监控 ；
（2）形状自适应材料与结构 ；
（3）结构减振抗震抗风降噪的自适应控制。
1 智能材料的类型及其特性
智能材料系统根据其功能特点可划分为两大类 ：一类是对外界或内部的刺激强度如应力、应变及物理、化学、光、热、电、磁、辐射等作用具有感知功能的材料，通称为感知材料。这类材料主要有光导纤维、压电陶瓷、压电高分子材料、形状记忆合金及其他各种类型的传感材料，其中尤以光导纤维最为重要。
另一类是能对外界环境条件或内部状态发生变化时做出响应或驱动的材料，如形状记忆合金、压电材料、电致伸缩材料、磁 致伸缩材料、电流变体、磁流变体和功能凝胶等。这些材料可根据温度、电场或磁场的变化而自动改变其形状、尺寸、刚度、振动频率、阻尼、内耗及其他一些机械特性，因而可根据不同需要选择其中的某些材料制作各种执行或驱动元件。
2 土木工程中的振动控制
振动是工业生产和人们生活中极其常见的物理现象。振动带来的危害不容小觑。在机械加工领域，振动会造成机械结构的磨损，降低加工精度 ；在交通运输领域，振动会降低安全度和舒适度 ；在航空航天领域，很多火箭发射失利是由于振动引发的故障；在土木工程领域，振动会导致桥梁断裂、楼房倒塌、甚至造成人员伤亡等等。鉴于振动带来的诸多危害，振动控制已然成为学者和工程技术人员的一个迫切研究任务。
2.1 对结构振动的主动控制
这种控制方式主要从分析外部的能量在振动中的作用入手，找到控制的要点，然后对土木结构施加一个主动的控制力，从而实现减轻振动的目的。主动控制面对的核心问题是，对控制力的计算和控制装置的设计，广泛的采用的计算方法是通过二次型线性优化和模态优化、极值的配合或者优化、预测模式优化等等，这些控制方式都是基于对结构受力的分析和数学模拟的实现，然后对其数据所形成的线性规律进行调整，并实现 优化，以此完成对振动的控制。在主动控制中，通常采用的控制方式有 ：质量阻尼控制形式、主动拉索控制形式、主动支撑结构形式、空气动力学设施形式、气动脉冲发生器控制等。
2.2 不完全主动控制
通常所说的振动控制是指振动抑制，也就是对系统的动态响应或动不稳定性加以控制，把系统的振动水平限制在最小限度或最小允许程度 . 经典的振动控制主要是采用阻尼、隔振和吸振的方法实施振动控制，其结构是被动装置，因此从控制角度看是属于被动控制。这样的控制形式，主要是适应性的在土木工程结构上产生抗力，来减轻振动对其的影响。和主动控制不同的是，这种控制方式对结构施加的外部能量较小，在设计和维护中成本较低，而且结构简单，容易实现。在实际的应中，不完全主动控制的效果和主动控制也不相上下，所以不完全主动控制成为了研究的热点。普遍应用的不完全主动控制的形式有 ：质量阻尼主动参数协调系统、刚度可变结构、阻尼可变结构，刚度和阻尼综合控制系统。
2.3 智能化振动控制
智能化结构振动控制系统是土木工程振动控制的前沿技术，智能控制的主要思路就是利用智能化的优化计算配合材料的使用，实现对结构振动的智能化、应激化控制，以此让土木工程的振动控制更加的合理和有效。智能化控制的主要研究方向是智能模拟算法的线性调整和参数优化和通过智能材料制成可调节的阻尼装置和智能驱动器。
3 几种常用智能材料在土木工程结构振动控制中的应用3.1 形状记忆合金近年来，随着智能结构系统的兴起和发展，形状记忆合金机敏结构的研究发展也很迅速。形状记忆合金（SMA）这种材料本身具有自感知、自诊断和自适应的功能。最早广泛应用于航空航天、机器人、医疗等精密尖端领域。SMA 在土木工程中的应用主要有以下方面 ：
（1）SMA 用于结构被动控制主要可以分为耗能和隔振两个核心部分 ；（2）SMA 为驱动元件的原理是由于 SMA 能够“记住”它在母相的形状，当形状恢复受到限制时，合金就会产生很大的恢复力，从而对约束体产生作用。让控制系统实现减震 ；（3）SMA 智能混凝土。
3.2 压电材料
关于压电材料的广泛应用，是从 20 世纪 40 年代中期开始的，随着近代科学技术的发展，这些应用获得了极大的推广。
在应用中，通过压电材料的正压电效应所制成的压电传感器，可以进行多种机械量的测量，如应力，应变，位移，加速度等，在智能结构中应用广泛。压电传感器按极化方向的不同，可分为应变传感器、力传感器、剪切模态传感器。随着压电传感器与驱动器的深入研究，已经实现了用同一压电元件既作传感器又作驱动器，即自感知驱动器，从而使压电材料具有了自适应的特性。将压电传感器按照一定的方式安装到结构上，对所测得的电信号进行分析，从而获得结构运营状态的各种信息，达到对结构进行诊断、监测和评估的目的（即形成智能监测系统），使结构成为具有自感知、自诊断的智能结构。
3.3 磁致伸缩材料
智能材料中的磁致伸缩材料也叫超磁致伸缩材料，纯镍，NiFe，NiCo，FeAl 及 FeCo 等材料在外加磁场作用下，其尺寸、体积等会发生改变，故称这类材料为磁致伸缩材料。与压电陶 瓷相比，磁致伸缩材料有许多优点，如变形大、驱动电压低、弹性模量高、频响性好等，是制作大能量驱动器的良好原料。
磁致伸缩材料主要的特性就是利用磁场的变化来影响材料的伸缩，和以往的材料相比，目前研发的稀土超磁致伸缩材料具有了较为明显的优势。这种材料实际上是一种合金。这种合金在磁场的作用下会发生相对幅度较大的变化，由此产生类似于记忆性合金的抗力，从而实现对构件的振动控制。磁致伸缩材料在功率效率、响应效果、地域性能等方面都有良好的性能。因此，磁控制型的位置控制系统，传感技术、自动化系统在土木工程中得到了广泛的应用。
3.4 电流变材料和磁流变材料
电流变体（ER）和磁流变体（MR）都是可控流体，它们分别用不导电或不导磁的母液（常为硅油或矿物油）和均匀散布其中的固体电解质颗粒（常为无机非金属材料、有机半导体材料或高分子金属材料）或磁性颗粒制成的悬浮液，在电场或磁场作用下，ER/MR 中的固体颗粒会形成一束束纤维状的链，横架于电场或磁场的两极之间。这样，对于平行于两极的剪切力而言，ER/MR 在电场 / 磁场的作用下，就能从流动性良好且具有一定粘滞度的牛顿流体转变为有一定屈服剪应力的粘塑性体，即所谓的“固化”，这种特性称为电 / 磁流变效应。
电 / 磁流体形变特征主要有 ：
（1）固化可逆性，电磁流体材料在电磁场的作用下可以实现固化，而在电磁场变弱的时候也会液化，因此可以反复的使用。
（2）响应的时间短，因为电磁作用的时间几乎是瞬间完成，所以其响应的时间频率可以达到毫秒量级。
（3）持续性作用，在电磁场的作用下，材料可以不断的固化下去，即屈服剪力也不断随之变化。
4 结语
（1）对于 SMA 的研究，应尽量采用大尺寸材料进行研究工作，并应进一步深入开展 SMA 智能混凝土的研究工作，加快结构主动控制系统的建立 ；（2））压电智能结构理论仿真多试验验证少，应加强实验研究和工程实用方面的探索 ；（3）ER/MR 智能材料制成的减振驱动器构造简单，制作方便，性能可靠稳定，在土木工程结构中的使用范围广，如高层建筑的风振和地震反应的控制，多层建筑地震反应的隔震控制，大跨度桁架、网架的竖向地震反应的控制，悬索结构的风振控制，海浪激励下海洋平台的振动控制等。
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