土木工程智能結構體系研究發展

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【摘要】為充分發揮土木工程智能結構體系對建筑領域的價值作用，從而促進土木工程智能結構體系在建筑領域的運用與發展，本文對土木工程智能結構控制的原件組成進行了分析，并在此基礎上全方位、深層次地探析了智能結構在土木工程領域的具體應用，并探究了土木工程智能結構未來發展趨勢。

【關鍵詞】土木工程;智能結構體系;原件組成;發展趨勢研究

土木工程智能結構體系的構建可以說是當前土木工程建筑學中的一個研究熱點。土木工程的智能結構體系作為一項高端新型科學技術，它對于硬件與軟件的技術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、土木工程智能結構控制的原件組成

在國民經濟的帶動下，我國土木工程領域也進入了一個飛速發展的時期。科學技術的發展不僅使人們生活、學習和工作的形式發生了很大的變化，同時也有效推動了土木工程朝著智能化方向發展的步伐。事實上，土木工程智能結構體系屬于一個比較前沿、高端的科學技術，其中所涉及到的知識內容比較多，但卻并沒有脫離土木工程施工環節的本質。將這種現代化、智能化、科技化的技術融入到土木工程建設領域，不僅能夠使建筑的安全使用性能得到了大幅度提升，同時也進一步提升了這種技術的應用范圍，讓更多的人體會到了科學技術發展所帶來的時代性革命特征。從目前的情況來看，土木工程智能結構控制原件系統主要包含兩大系統，一個是主控制系統，另一個則是輔助控制系統。智能結構控制不可能離開信號的傳遞而實現，其中主控制系統就起到了控制信息的作用，是土木工程智能結構中的控制器。現有的傳導器信號處理器來源于仿生學，與仿生學的原理基本一致，其主要功能是“透過現象看本質”，對建筑結構的內部信息進行認知和感知。當收集完這些信息以后，其還可以進行真實的還原和傳輸，從而讓人們根據這些信息獲知建筑材料內部的情況。在這個過程中，還需要應用到信號驅動原件以及傳導器，這樣才能完成對信號的傳輸，并最終形成一套完整的建筑體系。信號傳感器能夠在結構設計過程中發揮作用。這是因為，如果傳感器發現結構設計存在問題，就會及時地向控制器傳遞信息，告知控制器這種結構設計存在一定的安全隱患。與此同時，當信息控制器收到這些安全隱患傳輸信息以后，就會通過分析這些信息而進行判斷，最終將這些信息以更直觀的形式反饋給人類。對土木工程智能結構控制體系中，那些自適應裝置同樣起到了關鍵性的作用。眾所周知，環境等外界因素同樣也是影響土木工程施工質量的重要因素，很多時候由于受到一些外界因素的影響，比如撞擊等，都會使結構變得容易發生變形和曲折。在這種情況下，自適應裝置的作用就有效地發揮出來了。應用自適應裝置能夠讓建筑結構根據外界因素而導致的物理形變的差異性而改變形態，從而提高建筑在不同環境下的適應性，滿足質量要求。很多時候，不但要在建筑結構設計過程中用到智能結構控制系統，而且在對結構進行控制時往往也能夠應用到智能結構控制體系，從而使智能材料與結構控制有效融合。比如，當外界環境發生了較大的變化時，智能結構都可以及時而準確地進行反應，從而盡可能地消除外界環境對建筑結構所產生的影響，確保建筑材料的安全性。在智能化管理控制環節和結構體系的設計環節中，都要不斷提升結構抗震能力的穩定性。

二、智能結構在土木工程領域的具體應用

(一)充當傳感元件感知材料。制作傳感器時不可或缺的材料就是感知材料。目前市場上最為常見的感知材料包括有碳纖維、壓電材料、疲勞壽命絲、電阻應變絲、光導纖維等。這些具有很高應用價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模表面附著式傳感分布陣列，讓整個材料的結構具有更加敏感的感知特征，達到自動控制、自動調節甚至是自動修復的要求。光導纖維作為傳感元件中比較具有代表性的感知材料之一，其不僅反應非常的迅速，同時還能有效避免在信息傳輸過程中對埋置材料的性能產生影響，而且受到電磁干擾的影響也比較小，具備優良的耐腐蝕性能，從而確保信息數據的有效性、完整性。所以，鑒于光導纖維感知材料的這種屬性，其往往被廣泛應用于環境比較惡劣的環境中。除了具備這樣的特點以外，其還支持單線多路復用功能，從而方便人們進行全網測量、線段策略以及對個別點的測量，使其功能更為強大。土木工程施工過程中會大量應用到鋼鐵材料，而鋼鐵材料在受力過程中會產生應力和應變，如果其所承受的應力應變超過其極限，那么就會使材料產生斷裂的傾向。所以，檢測結構材料的應力應變往往是保障其使用性能的重要手段。在結構材料表面的應變測量中所廣泛應用的傳感元件就是電阻應變片。其工作原理就是通過將埋置電阻應變絲與基底材料進行膠合而產生更加穩定的性能。優越的防電磁干擾能力也是電阻應變絲的主要特點之一，其同樣也不會對埋置材料本身性能產生不利影響。目前在土木工程領域應用到的智能結構中的碳纖維主要制作方法就是對聚合纖維進行燃燒。碳纖維的主要應用優勢表現在具有良好的高彈性模量、耐高溫、化學穩定性和導電性等方面。

(二)控制裝置與驅動材料。在土木工程結構中應用比較多的控制裝置主要涉及到三類:驅動裝置、阻尼裝置以及隔震裝置。其中的驅動裝置，顧名思義，就是賦予給結構控制力的一種裝置;而阻尼裝置主要是通過耗散結構振動能量而使結構的震動頻率發生改變，從而減輕因為震動而造成結構使用壽命縮短。目前最為常見的驅動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。應用智能驅動材料制備的這些驅動裝置和阻尼減震裝置不僅具有使用壽命長、反應快和能耗低等特點，同時還能為人們做出更快應急手段，確保結構使用安全奠定基礎。可以說，正是由于對這些智能控制裝置和驅動材料的有效利用，土木工程結構的使用安全性能才能越來越高。

(三)自動修復材料。在當前土木工程領域應用到的各種智能結構材料中，不僅有很多材料具有預警的功能，還有一些自動修復材料，能夠及時發現結構中存在的問題，并給人們預警，與此同時，還能夠通過鋼筋混凝土構件或者鋼構件節點的裂縫修復，來實現結構的局部損傷自修復功能。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力的過程中就會逐漸的擴展，并最終導致鋼鐵材料的斷裂。因此，如果能夠在鋼鐵材料微裂紋擴展的過程中進行修復，那么必然可以有效阻止其長大成為宏觀意義上的大裂紋。自動修復材料能夠在微裂紋擴展的過程中將發生相變的物質提前埋入節點材料和鋼鐵材料比較重要的構建微孔中，使材料能夠自動修復。比如，為了對混凝土開裂時進行自動修復，人們習慣于在鋼筋混凝土中埋入一些玻璃纖維等具有自動愈合能力的材料。通過對混凝土進行這種處理，就可以使其在開裂的過程中釋放出混合物及時填補裂縫，從而發揮出自動修復的效果，提高其使用的安全性。在這個過程中，往往需要配合驅動裝置與感知元件的配合，從而使感知元件能夠對損傷進行應急控制并且發出警報，然后自動修復材料對缺陷處進行永久性的修復。

三、土木工程智能結構未來發展趨勢

從目前的情況來看，土木工程領域在應用智能結構方面已經取得了很多顯著的成就，然而，隨著科學技術的不斷發展，應用到土木工程領域的智能結構必然會愈發完善，功能也會越來越多。對于土木工程領域而言，智能結構系統屬于核心技術，很多其他智能材料功能的實現都要依賴于智能傳感系統。受到資源的影響，目前土木工程領域的工作范圍已經延伸到一些具有極端條件的環境下，這就對現有的智能傳感元件提出了更高的要求，不僅要保證其能應用到一般的工作環境下，同時還要求其能在一些極端條件下可以發揮出效能，并具有足夠長的使用壽命。確保信息傳輸的速度和信息的完整性也是智能結構材料未來發展的方向。大數據、云計算等技術的產生和發展為提高智能結構元件信息傳輸速度奠定了基礎，同時也可以保證信息的完整性。提高智能結構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，同時也是提高結構元件使用壽命的重要保證，所以提高智能結構材料抗干擾能力將成為土木工程智能結構未來發展方向之一。

四、結語

一言以蔽之，將這種現代化、智能化、科技化的技術融入到土木工程建設領域，從而構建土木工程智能結構體系，其不僅能夠使建筑的安全使用性能得到了大幅度提升，同時也進一步提升了這種技術的應用范圍，讓更多的人體會到了科學技術發展所帶來的時代性革命特征。由此可知，《土木工程智能結構體系的研究與發展》這一課題具有重要的研究意義。

【參考文獻】

［1］張德鋒．．土木工程智能結構體系的研究與發展［J］．黑龍江科技信息，2017，6:218

［2］費龍飛．土木工程智能結構體系的研究與發展［J］．中小企業管理與科技，2016，8:195～196

作者：龔湘兵 單位：長沙理工大學交通運輸工程學院講師