引言
若是能將智能材料運用到對這些超規模的工程結構物中，能夠時刻評定相應的安全性能、監控損傷，並智能修復，則將為未來工程建設提供新的發展思路。所謂智能材料，是指隨時能夠對環境條件及內部狀態的變化做出精準、高效、合適的響應，同時還具備自主分析、自我調整、自動修復等功能的新材料。受仿生學科的啟發，其目標是要開發出能運用到具體工程中、將無機材料變得有生命活力。二十世紀90年代初逐漸興起的智能材料結構系統，吸引了包括物理、化學、電子、航空航天、土木工程等領域的研究者涉足其中，取得了豐碩的成果。
1智能材料的概念及特點
智能材料發源於“自適應材料”（AdaptiveMate-rial），在Rogers和Claus等人的努力下，智能材料系統逐漸受到全世界各國官方機構的認可與重視，發展迅速。智能材料（IntelligentMaterial，IM）當前沒有壹個明確的定義，不過大體上都是根據功能做出相應的定義，是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之後的第四代材料，具有不可限量的前景。智能材料產生的背景決定了其所具有的獨特優勢，決定了其終將會帶來材料科學的重大革新。通常而言，智能材料主要以下七大功能：（1）傳感：能夠對內外部的作用進行監控與鑒別；（2）反饋：將監控獲取的信息進行傳輸以及反饋；（3）信息識別與積累：識別並記憶反饋來的信息；（4）響應：對內外部的變化做出靈活有效的反應；（5）自診斷：對內外部信息實施自行診斷、分析、評判等；（6）自修復：依特定的方法修復系統的故障。
2智能材料在土木工程結構中的應用
2.1光導纖維
光纖維的主要化學成分為二氧化矽，作為信息傳遞的絕佳介質，有著其他任何材料無法比擬的傳導能力。材料主要由內層圓柱形透明介質和外層圓環形透明介質組成，內層為纖芯，外層為包層。內外層折射率的差異能夠保證攜帶信息的光在纖維裏面能量損失少，傳輸距離大。將光纖維植入到混凝土結構中，制成光纖維混凝土結構。當混凝土結構因外部因素的變化而產生變形時，植入砼結構中的纖維也隨之發生變化，進而導致纖維中的光發生改變，相應的傳感器能夠直接獲取變化，從而間接確定混凝土結構的各種性能變化，實現對結構的全方位監測，為工程的可持續性提供技術指導。
2.2形狀記憶合金
何謂記憶合金，即材料具有形狀記憶能力。當材料的形狀被改變後，其內在的記憶效應可被激發出來，進而自動產生回復應力與應變，驅使材料恢復原狀。同時，合金材料能夠傳輸能量並實現能量儲存。鑒於此，工程中可將記憶材料安置在結構中，當結構出現變形、裂縫、損傷以及外界動荷載影響時，大部分的能量可被記憶合金材料消耗掉，可極大提高結構的穩定性，若將材料運用到多震地區的建築結構中，則會實現對地震能力的吸收與耗散，極大地提高建築物的抗震性能，此舉屬於材料的智能被動控制。形狀記憶合金材料所具有的相變超彈性，使其可用來制作耗能阻尼器，這種阻尼器實現了智能被動控制。同時，由於其相變會引起超彈性滯回環的產生，使得材料具有極高的抗疲勞性，以此為基礎制作的阻尼器使用周期遠勝於普通的阻尼器，可實現結構品質的大幅度提高。
2.3壓磁材料
土木工程領域中常規的壓磁材料主要包括磁流變材料和磁致伸縮智能材料等。在外部磁場作用下，磁流變液懸浮體系的黏彈塑性會發生明顯的變化，並且這種變化是可逆的。當外部磁場超過壹定強度後，磁流變也會在極短的時間內變成固態，微觀上表現為材料的分散相顆粒沿著磁場方向結成了鏈狀結構。磁流變液介於液體與固體之間的這種獨特的可變屬性，以及對這種特性實施控制時耗能低、變化範圍廣、成本低等特性，使得磁流變液成為工程結構中作動器件的重要材料。當前，磁流變液主要被應用到元器件的控制橋路以及電源的高速開關等多個領域。且磁流變液在土木工程領域的應用主要集中在高層建築、塔形建築物、大跨框架和大跨度結構等。同時，有著高磁致伸縮效應的磁致伸縮智能材料，可以保證材料在機械與電磁直接進行可逆轉換，因此具有廣闊的應用前景。
2.4碳纖維混凝土材料
工程中混凝土的作用範圍很廣泛，因此對混凝土材料的改善也日益得到科研人員和工程從業者的支持，碳纖維混凝土的產生正是這壹領域發展的重要產物，在混凝土中摻加壹定比例的碳纖維，可賦予混凝土材料以驅動功能和本征自感應。作為壹種高強度、高彈性、大導電性的材料，碳纖維的加入能極大改善混凝土的強度與韌性，並且碳纖維之間會形成具有電阻的導電網絡，在材料中起到阻隔導電的勢壘，大大降低混凝土材料的電阻率，從而使得材料的導電能力得到數量級上的顯著變化。不可忽視的是，這種混凝土的電導率與溫度及應力的變化而表現出規律性的響應。同時，碳纖維混凝土在溫度上表現為溫度變化造成電阻的變化，並且材料內部的溫差也會衍生出熱電效應，在電場的作用下碳纖維混凝土會產生熱變效應（熱效應與變形）。碳纖維的含量和混凝土材料的結構***同影響材料的溫敏性，當碳纖維的含量超過壹定比例時，材料才有可能形成較為穩定的電動勢。而碳纖維的摻入方式主要有兩種：短切亂向分布和連續碳纖維束單向增強。采取不同的摻入方式能使得碳纖維混凝土的力學性能得到不同程度的強化與提高，工程實踐表明：第壹種方式更具有實用性。
3智能材料的未來發展
3.1智能材料性能的發展
智能材料有著獨特的優越性能、廣闊的發展前景，但是由於這壹領域處於多學科交叉的研究前沿，所存在問題也亟待深究：
（1）形狀記憶合金的發現，改變了很多傳統理念，胡克定律在合金材料這裏基本上不再適用了，其所具有的智能功能使得傳統的力學研究方法難以合理地解釋其內在的機理，因此需要研究者另辟蹊徑，從宏觀與微觀的角度重新去探究這種新材料的原理，建立壹些實用性較強的理論和模型，以對具體的工程實際進行規範化的指導。同時，當前形狀記憶合金還不完善，耗能高、功能單壹等缺點使得其實用性不強，能夠開發出低能耗、出力大、多功能的控制器則是未來研究的重要方向。
（2）可以預見，壓電材料將會成為工程結構中力學測量的首選感測元件，但是其存在的主要問題就是驅動力小，雖然已經有壹些技術來彌補這壹缺陷，但是對於大規模的土木工程結構而言，壓電材料並不能直接應用，復雜的理論分析、高難度的集成技術研發，以及壓電驅動器的開發技術和設計方法難度較大，都是制約壓電材料未來發展的瓶頸，是研究的難點、熱點和重點。
3.2智能材料研究難題
針對材料本身所面臨的主要問題，未來在土木工程領域的應用研究主要有下列壹些難題：（1）結構的健康監測與保養；（2）形狀自適應材料與結構；（3）結構減振抗震抗風降噪的自適應控制。這些問題的進壹步研究將有助於工程質量的提高，有助於降低工程災害性事故的概率，有助於強化工程的安全可靠性，有助於推動土木工程領域的高技術發展，有助於為土木工程領域註入新的發展動力與機遇。
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