智能材料结构系统在土木工程中的应用

摘要：伴随着科技的进步，人们的生活越来越趋向于智能化便利化。各种家用智能家居应运而生。智能材料也是在这样的背景下诞生出来的。主要目的是为了改变传统建筑不具有仿生学的特质。传统的建筑只是用各种传统的材料用特定的结构搭建而成。当建筑结构完成以后人们就不能对建筑进行实时的掌控。建筑结构可能在使用中出现一些危险的问题，但是我们却无法得知，这为造成人们的人身伤害埋下了巨大的隐患。智能材料就是针对这方面的缺失而产生的，智能材料是采用特定的方式，可以对建筑进行实时的监控。可以全面掌握建筑的安全性和可靠性。现在已经越来越多的应用到日常建筑中。本文主要从智能材料的概念和国内的发展现状以及在未来的发展情景等几个方面来全面说明智能材料在我国的发展和在建筑中所起到的巨大作用。

关键词：智能材料 土木工程 检测 建筑

土木工程从一个方面可以反映出来一个国家的经济发展情况和人民的物质发展水平。随着人们生活水平的提高对于土木建筑的要求也越来越多。包括安全性舒适性等，现在又加入了美学元素，使建筑物看起来越来越大气美观。但是近年来出现了很多建筑安全事故，使人们对于建筑的安全性能的要求更加强烈。因为传统的材料不能进行监控所以也不能了解建筑物在使用过程中发生的各种形变或者其他危险信号。智能材料的出现就是为了解决这方面的不足。

一、智能材料的基本概念

智能材料的诞生是一次很偶然的试验，科学家偶然的将光导纤维和碳纤维融合在一起从而产生出了一种具有抗断性和具有感知应力的新型材料。这就是智能材料的前身。此后科学家针对这方面进行了深入的研究，并且发现了更多的具有生物学特征的新型智能材料。具体来说智能材料是一种能够对光照，应力等环境的刺激和变化进行感知并且将所感知的内容进行处理判断从而采取一定的措施。智能材料是一种新型的材料具有多方面的优势。主要特点表现在以下几个方面：

首先是传感功能，并且可以根据传感数据进行反馈，对信号等信息进行识别，然后通过判断进行一定的响应对产生的问题进行自动的修复和适应。可以对外界的环境变化做出感知从而进行判断并且做出合适的响应来避免可能出现的危险情况。并且整个材料的反应时间很短具有很高的灵敏性。并且在刺激消失以后能够及时的恢复到最初的状态。智能化的发展大大减少了人工的操作，节省了很大一部分劳动力资源。同时由于具有自动检测功能，可以提前发现问题解决问题，降低了经济损失并且提升了安全性能。

二、智能材料的发展现状

智能材料的主要目的是为了对建筑进行实时的评估的监视。因为人们对于建筑的可靠性和安全性要求越来越高，所以这也很大程度上促进了智能材料的发展。并且在实际的运用中可以有效避免一些事故发生而且降低了人力成本节约了经济开支，所以智能材料正在飞速得到应用。智能材料和土木工程互相结合形成了智能土木结构将这种结构运用到实际的建设中。这是一个重大的技术进步，对于土木工程的各项指标都有很大的提升作用。

传统的评估方法是从外部向内部进行检测判断。由于内部构造的不易检测从而会产生很大的误差也很容易遗漏一些存在的安全隐患。而且采用其他设备进行检测，其本身就存在一些测量误差。导致测量准确度不高而且效率也非常低下。在智能材料的带动下，在材料内部装设传感器从而实现从内到外的检测，可以实时的对项目进行检测评估。尤其是对一些比较重大的项目比如水利水电设施，大型桥梁高层建筑来说具有重大的意义。所以这些年我国的建筑智能化也得到了迅速的发展，并且诞生了一些高性能的传感器，比如分布式传感器的应用，让我国的建筑智能化向前迈了一大步。

国外的智能材料比国内先进，国外一般是利用传感器对大型的桥梁实施监测特别是对项目完工以后在运行过程中的安全性能的评估。这样可以掌握桥梁的关键部位的受力情况和损坏情况，及早修复避免发生严重交通事故。此外香港，加拿大也在多座桥梁中应用了传感器来进行监测，由此可以看出智能材料在全世界正在得到极大的发展。具有很好的发展前景。

三、智能材料的分类和功能

智能材料主要分为以下两类，第一类是对外界环境变化进行感知的感知材料。这类材料可以对光，声，热、电、化学等方面的环境变化进行感知，主要是通过各种传感器来实现。包括光导纤维，压电材料等。另一类就是驱动材料，包括形状记忆合金，压电材料等，可以对建筑内部的结构变化或者环境变化产生响应。

不同的智能材料应用场合也相应有所不同。对于在混凝土中放置光导纤维形成的感光智能材料来说就主要应用于通讯等建筑，这样可以建设智能楼宇，促进办公智能化。并且一些新型的传感器还可以对火灾的应急和温度进行自动控制。对于建筑的安全性和舒适性有了很大的提高。在建设一些高层建筑时地基的稳定非常重要。所以在建设中会根据需要在地基中放置一些光纤传感器来实时的监测地基的稳定性，是否出现损坏等情况。随着传感器的种类日益繁多，各种功能也应运而生，所以在建筑中可选择的功能就越来越多。在混凝土中植入碳纤维传感器可以得到有自诊断功能的新材料。因为当材料变化时电阻会随着变化，这样传感器就会自动报警，这个特点已经得到了广泛的应用尤其是在大型的水利水电和桥梁工程中。因为这些建筑要承受很大的负荷，所以要进行有效的监测和维护。

而且随着电子科技的进步，传感器的功能越来越丰富，体积越来越小应用也越来越广泛，在未来的建筑中一定会是各种传感器代替人工来进行检测，实现楼宇自动化。现在的智能材料就是按照生物学的方法让材料自己感知变化，自己做出响应。从而让整个建筑像一个有机体一样进行运作。很大程度上节省了经济开支，并且极大的提高了建筑的安全性可靠性。

四、智能材料的局限性

目前来说智能材料在大型工程和重要水利水电设施中的应用比较广泛，因为这些建筑的标准要求比较高，投入资金也比较充足。但是在普通民用建筑上来说智能材料并没有得到普及，很重要的一个原因就是智能材料的成本比较高，所以不能达到广泛推广。另一方面由于智能材料涉及的领域比较尖端对于工程建设人员的素质要求也比较高。现在的一些施工单位并不具备智能材料的使用和建设。所以来说智能材料在未来一定会大规模得到应用，但是目前的经济状况和技术基础还比较薄弱不能得到全方位的应用。

五、结论

通过上面的分析我们可以看到智能材料的各种优势，和在使用过程中体现出来的丰富的功能。此外智能材料对于环境等变化具有很高的适应能力。智能材料的应用使传统的土木工程结构得到了质地上的改变，从原来的死板的建筑结构上升到一个具有生物特征的仿生学建筑。可以自己实施一些特定的功能。自己进行诊断并且做出响应。对于土木工程所要求的安全性和可靠性等标准来说也有很大的提升。此外，我们还应该积极学习国外的先进技术，因为目前在我国智能材料的研究理论还不如国外那么完善，所以应该积极借鉴先进的技术，并且开创属于自己的技术手段。结合我国在工程建设中的具体特点和要求进行合理的改革，从而使智能材料能最大限度的发挥价值。

参考文献：

[1]阎平.智能材料在土木工程中的应用[J].科技风，2011（11）.

[2 ] 王社良， 沈亚鹏. 形状记忆合金的力学特性及其工程应用〔J〕. 工业建筑， 1998， 28 （3） ： 31- 35

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