约束态SMA混凝土梁的裂缝监测及自修复

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发布时间：2021-09-05

资料介绍

约束态SMA混凝土梁的裂缝监测及自修复
狄生奎，花尉攀，汲生伟，李慧， Steve Zou
(1．兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州730050；
2．Department of Civil and Resource Engineering，Dalhousie University，Halifax B3J 1 Z1，Canada)
摘要：利用形状记忆合金(shape memory alloy，SMA)丝超弹性和激励IN复产生较大驱动力的特
性，将不同预拉长度及根数的Ni—Ti SMA丝预埋入混凝土模型梁中，研究了混凝土梁加载过程中
Ni—Ti SMA丝电阻变化率与混凝土梁裂缝宽度的关系以及Ni—Ti SMA通电激励过程q-混凝土梁
裂缝恢复的变化规律．试验中考虑了SMA滑移的影响，并通过理论计算对其进行验证，计算时考
虑了锚具造成的附加电阻的影响．结果表明：SMA显著提高了混凝土梁的变形能力和抗裂能力；在
通电激励后，混凝土梁在Ni—Ti SMA激励回复效应驱动下，挠度迅速恢复，裂缝闭合；增加Ni—Ti
SMA总截面面积可提高合金对混凝土梁的驱动效果；在裂缝宽度小于1．5 mm 时，Ni Ti SMA 电
阻变化率和混凝土梁的裂缝宽度呈明显的线性关系；钢筋塑性变形的存在，对混凝土模型梁的变形
回复起阻碍作用．
关键词：形状记忆合金(SMA)；混凝土梁；裂缝；变形；自修复
中图分类号：U443．32；U445．32 文献标志码：A doi：10．3969／j．issn．1007—9629．2010．02．021
Self-monitoring and Self-repairing of Crack in Concrete
Beam with Constraint Super—elastic SM A
DI Sh鲫g—kMi ， HUA W ei—pan ， JI Sheng—wei ， LI Hui ， Steve Zou
(1．School of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；
2．Department of Civil and Resource Engineering，Dalhousie University，Halifax B3J 1 Z1，Canada)
Abstract：Taken advantages of the characteristics of super—elasticity and restoring forces while the shape
memorv a11oy(SMA) was excited，concrete model beams were established by embedding different pre—
stretching length，different pieces of Ni—Ti SM A under martensitic state into the concrete tensile zone be—
fore the concrete casted under environmental temperature，the relationship between the resistance rate oi
SM A and the cracks width of beam s was studied under loaded process． The impact of slip and bond be
tween the concrete and SM A was taken into account by embedding the anchor at both ends of the beam to
Drevent the slip of the SM A ，the influence of additional resistance coming from the anchor was taken into
consideration in the process simulated．The result is in good agreement with the experimental result· It
was shown that SMA increased the deformation capacity of the beam significantly，the crack closed almost
completelv and the deformation recovered suddenly after the SM A was excited by electrifying．The drive
effect can be imDroved by growing in quantity of SM A． W hen Cracks width of beam was less than 1．5
mm ，the relation between rate of change of alloy resistance and crack width of concrete beam is linear，
however，the existence of residual deformation of rebar play a very negative role while recovering of the re一
收稿日期：2009—04—07；修订日期：2009 06—30
基金项目：甘肃省科技支撑项目(0708GKCA002)；甘肃省自然科学基金暨中青年科技基金资助项目(3ZS062一B25—031)
第一作者：' ~ (1971-)，男，甘肃白银人，兰州理工大学副教授，博士生．E—mail：disk@lut．cn
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238 建筑材料学报第13卷
sidua1 deformation．
Key words：shape memory alloy(SMA)；concrete beam ；crack；deformation；self—repairing
混凝土是目前用量最多的建筑材料，它是一种
多孑L性的脆性材料，在使用过程和周围环境的影响
下不可避免地会产生裂缝和局部损伤，轻者将降低
结构使用寿命，重者则危及结构安全[】]．因此，使混
凝土及其结构自动适应环境，在受到损伤时能自行
修复，是解决结构中混凝土损伤、改善结构抗灾性能
的最佳途径，这已成为土木工程领域的热点．但对使
用过程中混凝土裂缝的修复是一个长期困扰人们的
技术难题L2]．
对于重要的生命线工程，如大型桥梁结构，由于
其特殊的使用要求，要承受长期的静动力荷载，致使
结构的强度和刚度随时间的延长而降低．因此，建立
和发展一种能够提供整体和全面运行信息的桥梁监
测和评估系统，以便随时了解桥梁结构的承载能力
和安全储备，对保证大桥运营的安全性和耐久性是
十分必要的『3 j．形状记忆合金(shape memory al—
loy，SMA)是最近几十年发展起来的一种新型功能
材料，目前已发现的形状记忆合金有上百种，其中，
Ni—Ti SMA(以下SMA均指Ni—Ti SMA)．因其具
有形状记忆效应、超弹性性能及高阻尼的特点，故可
作为一种优越的传动器来控制结构的宏观裂缝．研
究表明：形状记忆合金能显著增加混凝土结构的
回复能力，提高结构的抗震防灾性能．
本文针对实际桥梁工程在使用过程中可能出现
不宜继续使用的裂缝损伤，试验研究了基于约束态
(受到黏结力和两端锚具的约束)SMA混凝土梁的
裂缝监测及自修复，设计了混凝土梁智能自监测自
修复模型，以实现对混凝土构件裂缝发展的实时监
测，用两端预埋夹具的锚固方式来改进文献[7]没有
充分考虑的SMA与混凝土的黏结滑移问题，并通
过理论计算验证了该模型的可行性．
1 试验概况
1．1 试验材料
采用宝鸡市海鹏金属材料有限公司生产的
Ni ． Ti 形状记忆合金，其规格及物理参数见
表1．
室温下SMA极限强度为1 077．1l MPa，极限
拉应变为32．8 9／6，最大回复应力为600 MPa．SMA
在马氏体相状态(20℃)下的应力一应变曲线如图1
所示．模型梁混凝土强度等级为C40．
表1 Ni55 84Ti44．16形状记忆合金的规格及参数
Table 1 Specification and parameter of Niss．
84TJ44
．
16
图1 Ni-Ti SMA的拉伸试验曲线
Fig．1 Tension experiment curves of Ni—Ti SM A
1．2 试验设备
SMA力学性能试验在WDW-100型微机控制
电子万能试验机上进行；模型自监测自修复试验在
万能材料试验机上进行．用SQJ44B型数字式双臂
电桥测量SMA 电阻．采用专门研制的可控低压直
流电源激励合金丝，该电源可通过手动控制，其可调
电压为0h12 V；输出电流为0～100 A；3816静态
应变测试系统；温度传感器；DHCK一2型裂缝测宽
仪；电阻应变片；位移计．
1．3 模型制作
拉拔试件均为15O mm×150 mmX 150 mm立
方体试块，包括SMA丝直接埋人(每组3块)和
SMA一端锚有锚具(每组3块)2种类型，SMA丝
均沿梁长度方向埋人底部受拉钢筋下的保护层中
心，其埋人长度L为100 mm，试块成型后标准养护
28 d，其混凝土配合比为m(水泥)： (水)： (砂)
：m(粗集料)一370：175：800：1 100，混凝土强
度等级为C40．需要说明的是，本试验是通过理论计
算和试验相结合的方法来确定SMA与混凝土的黏
结力系数K．模型梁中SMA 丝两端锚具后直接浇
注于混凝土梁中，通过锚具将混凝土与SMA 丝牢
固结合，从而消除了SMA产生滑移对试验结果的
影响．
模型梁混凝土配合比与拉拔试验试块相同．制
备模型梁时，首先将SMA 丝预张拉至其原来长度
的110％和115 (即AL／L一10 ，15 )，然后用
专用锚具将SMA 丝两端固定于模板两端，并使