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【摘要】為充分發(fā)揮土木工程智能結(jié)構(gòu)體系對(duì)建筑領(lǐng)域的價(jià)值作用，從而促進(jìn)土木工程智能結(jié)構(gòu)體系在建筑領(lǐng)域的運(yùn)用與發(fā)展，本文對(duì)土木工程智能結(jié)構(gòu)控制的原件組成進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上全方位、深層次地探析了智能結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域的具體應(yīng)用，并探究了土木工程智能結(jié)構(gòu)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】土木工程;智能結(jié)構(gòu)體系;原件組成;發(fā)展趨勢(shì)研究

土木工程智能結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)建可以說(shuō)是當(dāng)前土木工程建筑學(xué)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。土木工程的智能結(jié)構(gòu)體系作為一項(xiàng)高端新型科學(xué)技術(shù)，它對(duì)于硬件與軟件的技術(shù)水平具有較高的要求，能夠大幅度地提升建筑的安全使用性。

一、土木工程智能結(jié)構(gòu)控制的原件組成

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的帶動(dòng)下，我國(guó)土木工程領(lǐng)域也進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展不僅使人們生活、學(xué)習(xí)和工作的形式發(fā)生了很大的變化，同時(shí)也有效推動(dòng)了土木工程朝著智能化方向發(fā)展的步伐。事實(shí)上，土木工程智能結(jié)構(gòu)體系屬于一個(gè)比較前沿、高端的科學(xué)技術(shù)，其中所涉及到的知識(shí)內(nèi)容比較多，但卻并沒(méi)有脫離土木工程施工環(huán)節(jié)的本質(zhì)。將這種現(xiàn)代化、智能化、科技化的技術(shù)融入到土木工程建設(shè)領(lǐng)域，不僅能夠使建筑的安全使用性能得到了大幅度提升，同時(shí)也進(jìn)一步提升了這種技術(shù)的應(yīng)用范圍，讓更多的人體會(huì)到了科學(xué)技術(shù)發(fā)展所帶來(lái)的時(shí)代性革命特征。從目前的情況來(lái)看，土木工程智能結(jié)構(gòu)控制原件系統(tǒng)主要包含兩大系統(tǒng)，一個(gè)是主控制系統(tǒng)，另一個(gè)則是輔助控制系統(tǒng)。智能結(jié)構(gòu)控制不可能離開(kāi)信號(hào)的傳遞而實(shí)現(xiàn)，其中主控制系統(tǒng)就起到了控制信息的作用，是土木工程智能結(jié)構(gòu)中的控制器。現(xiàn)有的傳導(dǎo)器信號(hào)處理器來(lái)源于仿生學(xué)，與仿生學(xué)的原理基本一致，其主要功能是“透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)”，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部信息進(jìn)行認(rèn)知和感知。當(dāng)收集完這些信息以后，其還可以進(jìn)行真實(shí)的還原和傳輸，從而讓人們根據(jù)這些信息獲知建筑材料內(nèi)部的情況。在這個(gè)過(guò)程中，還需要應(yīng)用到信號(hào)驅(qū)動(dòng)原件以及傳導(dǎo)器，這樣才能完成對(duì)信號(hào)的傳輸，并最終形成一套完整的建筑體系。信號(hào)傳感器能夠在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)揮作用。這是因?yàn)椋绻麄鞲衅靼l(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，就會(huì)及時(shí)地向控制器傳遞信息，告知控制器這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定的安全隱患。與此同時(shí)，當(dāng)信息控制器收到這些安全隱患傳輸信息以后，就會(huì)通過(guò)分析這些信息而進(jìn)行判斷，最終將這些信息以更直觀的形式反饋給人類。對(duì)土木工程智能結(jié)構(gòu)控制體系中，那些自適應(yīng)裝置同樣起到了關(guān)鍵性的作用。眾所周知，環(huán)境等外界因素同樣也是影響土木工程施工質(zhì)量的重要因素，很多時(shí)候由于受到一些外界因素的影響，比如撞擊等，都會(huì)使結(jié)構(gòu)變得容易發(fā)生變形和曲折。在這種情況下，自適應(yīng)裝置的作用就有效地發(fā)揮出來(lái)了。應(yīng)用自適應(yīng)裝置能夠讓建筑結(jié)構(gòu)根據(jù)外界因素而導(dǎo)致的物理形變的差異性而改變形態(tài)，從而提高建筑在不同環(huán)境下的適應(yīng)性，滿足質(zhì)量要求。很多時(shí)候，不但要在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中用到智能結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，而且在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制時(shí)往往也能夠應(yīng)用到智能結(jié)構(gòu)控制體系，從而使智能材料與結(jié)構(gòu)控制有效融合。比如，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生了較大的變化時(shí)，智能結(jié)構(gòu)都可以及時(shí)而準(zhǔn)確地進(jìn)行反應(yīng)，從而盡可能地消除外界環(huán)境對(duì)建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響，確保建筑材料的安全性。在智能化管理控制環(huán)節(jié)和結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，都要不斷提升結(jié)構(gòu)抗震能力的穩(wěn)定性。

二、智能結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域的具體應(yīng)用

(一)充當(dāng)傳感元件感知材料。制作傳感器時(shí)不可或缺的材料就是感知材料。目前市場(chǎng)上最為常見(jiàn)的感知材料包括有碳纖維、壓電材料、疲勞壽命絲、電阻應(yīng)變絲、光導(dǎo)纖維等。這些具有很高應(yīng)用價(jià)值的感知才能夠賦予傳感元件更多、更理想的使用性能，可以在一定程度上提高其應(yīng)用范圍。其中最為典型的就是利用埋入式傳感分布陣列或大規(guī)模表面附著式傳感分布陣列，讓整個(gè)材料的結(jié)構(gòu)具有更加敏感的感知特征，達(dá)到自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)甚至是自動(dòng)修復(fù)的要求。光導(dǎo)纖維作為傳感元件中比較具有代表性的感知材料之一，其不僅反應(yīng)非常的迅速，同時(shí)還能有效避免在信息傳輸過(guò)程中對(duì)埋置材料的性能產(chǎn)生影響，而且受到電磁干擾的影響也比較小，具備優(yōu)良的耐腐蝕性能，從而確保信息數(shù)據(jù)的有效性、完整性。所以，鑒于光導(dǎo)纖維感知材料的這種屬性，其往往被廣泛應(yīng)用于環(huán)境比較惡劣的環(huán)境中。除了具備這樣的特點(diǎn)以外，其還支持單線多路復(fù)用功能，從而方便人們進(jìn)行全網(wǎng)測(cè)量、線段策略以及對(duì)個(gè)別點(diǎn)的測(cè)量，使其功能更為強(qiáng)大。土木工程施工過(guò)程中會(huì)大量應(yīng)用到鋼鐵材料，而鋼鐵材料在受力過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，如果其所承受的應(yīng)力應(yīng)變超過(guò)其極限，那么就會(huì)使材料產(chǎn)生斷裂的傾向。所以，檢測(cè)結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力應(yīng)變往往是保障其使用性能的重要手段。在結(jié)構(gòu)材料表面的應(yīng)變測(cè)量中所廣泛應(yīng)用的傳感元件就是電阻應(yīng)變片。其工作原理就是通過(guò)將埋置電阻應(yīng)變絲與基底材料進(jìn)行膠合而產(chǎn)生更加穩(wěn)定的性能。優(yōu)越的防電磁干擾能力也是電阻應(yīng)變絲的主要特點(diǎn)之一，其同樣也不會(huì)對(duì)埋置材料本身性能產(chǎn)生不利影響。目前在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用到的智能結(jié)構(gòu)中的碳纖維主要制作方法就是對(duì)聚合纖維進(jìn)行燃燒。碳纖維的主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在具有良好的高彈性模量、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性等方面。

(二)控制裝置與驅(qū)動(dòng)材料。在土木工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多的控制裝置主要涉及到三類:驅(qū)動(dòng)裝置、阻尼裝置以及隔震裝置。其中的驅(qū)動(dòng)裝置，顧名思義，就是賦予給結(jié)構(gòu)控制力的一種裝置;而阻尼裝置主要是通過(guò)耗散結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量而使結(jié)構(gòu)的震動(dòng)頻率發(fā)生改變，從而減輕因?yàn)檎饎?dòng)而造成結(jié)構(gòu)使用壽命縮短。目前最為常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)材料包括可收縮膨脹具和膠體、磁致伸縮材料、壓電材料、形狀記憶材料、電/磁流變液體。應(yīng)用智能驅(qū)動(dòng)材料制備的這些驅(qū)動(dòng)裝置和阻尼減震裝置不僅具有使用壽命長(zhǎng)、反應(yīng)快和能耗低等特點(diǎn)，同時(shí)還能為人們做出更快應(yīng)急手段，確保結(jié)構(gòu)使用安全奠定基礎(chǔ)?？梢哉f(shuō)，正是由于對(duì)這些智能控制裝置和驅(qū)動(dòng)材料的有效利用，土木工程結(jié)構(gòu)的使用安全性能才能越來(lái)越高。

(三)自動(dòng)修復(fù)材料。在當(dāng)前土木工程領(lǐng)域應(yīng)用到的各種智能結(jié)構(gòu)材料中，不僅有很多材料具有預(yù)警的功能，還有一些自動(dòng)修復(fù)材料，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中存在的問(wèn)題，并給人們預(yù)警，與此同時(shí)，還能夠通過(guò)鋼筋混凝土構(gòu)件或者鋼構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的裂縫修復(fù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的局部損傷自修復(fù)功能。造成鋼鐵材料斷裂的起源一般是鋼鐵材料自身所具有的一些微裂紋，而這些微裂紋在受到應(yīng)力的過(guò)程中就會(huì)逐漸的擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致鋼鐵材料的斷裂。因此，如果能夠在鋼鐵材料微裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中進(jìn)行修復(fù)，那么必然可以有效阻止其長(zhǎng)大成為宏觀意義上的大裂紋。自動(dòng)修復(fù)材料能夠在微裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中將發(fā)生相變的物質(zhì)提前埋入節(jié)點(diǎn)材料和鋼鐵材料比較重要的構(gòu)建微孔中，使材料能夠自動(dòng)修復(fù)。比如，為了對(duì)混凝土開(kāi)裂時(shí)進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)，人們習(xí)慣于在鋼筋混凝土中埋入一些玻璃纖維等具有自動(dòng)愈合能力的材料。通過(guò)對(duì)混凝土進(jìn)行這種處理，就可以使其在開(kāi)裂的過(guò)程中釋放出混合物及時(shí)填補(bǔ)裂縫，從而發(fā)揮出自動(dòng)修復(fù)的效果，提高其使用的安全性。在這個(gè)過(guò)程中，往往需要配合驅(qū)動(dòng)裝置與感知元件的配合，從而使感知元件能夠?qū)p傷進(jìn)行應(yīng)急控制并且發(fā)出警報(bào)，然后自動(dòng)修復(fù)材料對(duì)缺陷處進(jìn)行永久性的修復(fù)。

三、土木工程智能結(jié)構(gòu)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

從目前的情況來(lái)看，土木工程領(lǐng)域在應(yīng)用智能結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)取得了很多顯著的成就，然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用到土木工程領(lǐng)域的智能結(jié)構(gòu)必然會(huì)愈發(fā)完善，功能也會(huì)越來(lái)越多。對(duì)于土木工程領(lǐng)域而言，智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)屬于核心技術(shù)，很多其他智能材料功能的實(shí)現(xiàn)都要依賴于智能傳感系統(tǒng)。受到資源的影響，目前土木工程領(lǐng)域的工作范圍已經(jīng)延伸到一些具有極端條件的環(huán)境下，這就對(duì)現(xiàn)有的智能傳感元件提出了更高的要求，不僅要保證其能應(yīng)用到一般的工作環(huán)境下，同時(shí)還要求其能在一些極端條件下可以發(fā)揮出效能，并具有足夠長(zhǎng)的使用壽命。確保信息傳輸?shù)乃俣群托畔⒌耐暾砸彩侵悄芙Y(jié)構(gòu)材料未來(lái)發(fā)展的方向。大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展為提高智能結(jié)構(gòu)元件信息傳輸速度奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也可以保證信息的完整性。提高智能結(jié)構(gòu)的抗干擾能力不但是保證信息傳遞安全性、完整性的重要基礎(chǔ)，同時(shí)也是提高結(jié)構(gòu)元件使用壽命的重要保證，所以提高智能結(jié)構(gòu)材料抗干擾能力將成為土木工程智能結(jié)構(gòu)未來(lái)發(fā)展方向之一。

四、結(jié)語(yǔ)

一言以蔽之，將這種現(xiàn)代化、智能化、科技化的技術(shù)融入到土木工程建設(shè)領(lǐng)域，從而構(gòu)建土木工程智能結(jié)構(gòu)體系，其不僅能夠使建筑的安全使用性能得到了大幅度提升，同時(shí)也進(jìn)一步提升了這種技術(shù)的應(yīng)用范圍，讓更多的人體會(huì)到了科學(xué)技術(shù)發(fā)展所帶來(lái)的時(shí)代性革命特征。由此可知，《土木工程智能結(jié)構(gòu)體系的研究與發(fā)展》這一課題具有重要的研究意義。

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作者：龔湘兵 單位：長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院講師