土木工程智能结构体系的创新探讨

黄宇轩

黑龙江八一农垦大学工程学院黑龙江大庆163000

摘要：在地震灾害频繁发生的背景下，对广大人民的生命财产安全造成了严重威胁。为了解决上述困境，可以有效发展土木工程智能结构体系，降低自然灾害对人类的影响。本文通过分析土木工程智能结构构件及智能材料的应用，对其今后的发展和创新进行了研究，有利于促进土木工程的良好发展。

关键词：土木工程；智能结构体系；创新

通常情况下，一些严重的自然灾害会直接对建筑结构造成破坏。但是，洪水、泥石流以及地震等灾害又是不可避免的，因此对土木工程结构提出了较高的要求，怎样才能增强结构稳定性和抗灾性，已经成为了人们重点关注的问题。部分大型建筑结构寿命与建筑结构稳定性有着非常密切的联系，如果能够采用抗腐蚀性强、疲劳效应好的材料，能够适当减少自然灾害的影响，进而延长使用寿命。基于此，本文重点分析了土木工程智能结构体系的创新，希望对建筑行业的发展起到一定帮助。

1土木工程智能结构组成构件

一般情况下，建筑结构由材料、支撑架、控制系统而组成。土木工程智能结构体系包含主控系统和辅助控制系统两部分，其中主控系统能够发挥控制器控制作用、信号传导器传导作用，还能实现信号的综合处理，在仿真原理下感知并识别内部信息，从而实现信息的正确的传输。内部驱动元件也能处理传输过程中的信息，在以上功能部件的基础上形成一个较为完整的智能结构体系。此外，土木工程智能结构体系中还包括传感器，用于报警等功能，如果发现有危险因素，会将信息直接反映在控制器中，接受信息之后会对其进行处理，确保土木工程智能结构体系的安全性。自主适应装置的配备也十分重要，能够改变由于某种原因而导致结构扭曲及变形情况，得到更加良好的结构形态[1]。

2土木工程中智能材料的应用

2.1传感元件及感知材料

感知材料即制作传感器所使用的材料，目前高性能的感知材料主要包括碳纤维、压电材料、疲劳寿命丝、光导纤维以及电阻应变丝等。通过高性能感知材料的应用，能够赋予传感元件更好的性能，特别是埋入式传感分布阵列及大规模表面附着式传感分布阵列，能够增强结构的感知特性，从而凸显出自控制、自调节以及自修复的功能。对于传感元件光线中的光来说，是在局部变形的基础上表现出来的。光导纤维反应十分灵敏，在数据传输的过程中不会对埋置材料性能造成任何影响，对于电磁干扰也不是十分敏感，具有耐腐蚀、熔点高等特点，比较适用于有害、低温、高温环境中。此外，还可以实现单线的多路使用，完成网测量、线测量及点测量。

在结构表面局部应变测量中，常见传感元件为电阻应变片，结构中埋置电阻应变丝会与基底材料相融合，从而产生较强的稳定性。此外，电阻应变丝还能形成不同面积、形状的阵列，防电磁干扰功能比较强，能够避免对埋置材料的性能影响[2]。

2.2控制装置及驱动材料

土木工程智能结构体系中包含三种类型的控制装置，分别为驱动装置、阻尼装置以及隔震装置。其中，驱动装置的功能为对结构产生控制力，阻尼装置的功能为集中消耗结构振动能量，隔震装置的功能为转变结构转动频率。胶体与收缩膨胀原理的使用能够增强驱动材料的延伸性及压电性。

2.3损伤应急控制及自修复材料

对于土木工程智能结构局部损伤的自我修复而言，要在裂缝拓展促进氧化过程的物质中，预先埋入节点材料及钢构件在微孔内，从而实现节点的裂缝修复。在混凝土中加入具有较强自愈能力的聚丙烯纤维，或者在玻璃纤维中埋置聚丙烯纤维，混凝土开裂时能够释放出更多的混合物，完成裂缝的填充，起到修复作用。除此之外，为了能够感受到智能结构中的损伤，可以装置驱动或预埋感知软件，实现结构使用功能的恢复。但是，在部分使用比较长时间的土木工程结构中，不能通过装置的驱动来控制损伤，也无法确保智能结构的长时间使用。当结构中出现较大损伤，预埋感知软件会进行损伤的应急控制，从而凸显出修复功能的永久性。

3土木工程智能结构体系的创新

3.1智能驱动技术的发展

驱动技术是实现智能结构形状和力学形变的关键，能够有效解决结构自身的修复问题。驱动元件为建筑结构不断变化过程中所使用的元件，可以改变结构的固有频率、摩擦阻力、刚度以及阻尼。因此，驱动技术在土木工程智能结构中变成了与其它构存在明显区别的标志，更是自适应结构转变为适应形态的关键要素。此外，驱动技术的主要研究方向为将智能结构变成力学性并转为拥有自适应能力的结构，从而改变结构的刚度、摩擦阻力及电磁场。在研究驱动系统时，重点以以下几点为主：①与主体材料相结合时需要具有较强的相容性，增强结合强度。②材料本身要具有较强的机械性能，如加强弹性模具量、提升抗冲击性等。③增强频率的响应速度，经过激励后加大驱动力，使结构更容易被控制。

3.2智能传感技术的发展

对于土木工程智能结构中的众多技术，其核心技术为智能传感技术。由于传感元件的材质比较特殊，功能较为明显，所以在土木工程智能结构体系中具有非常重要的作用。通过研究传感元件，发现其与其他传输型元件在很多个环节都存在着差异性和特殊性，在智能结构体系中能够看的非常清楚：①土木工程智能结构体系在建设过程中，传感元件的功能与形状、尺寸没有任何联系。②组成传感元件的主体材料不仅能够单独存在，也可以与其他材料融合在一起，满足结构的特殊功能需求。③传感材料的抗干扰能力比较强。需要注意的是，的发展智能传感技术不仅要从传感元件、传感材料等方面入手，还要将传感设备作为一个整体进行全面研究，综合电磁学、仿真学等知识，发挥传感技术的价值[3]。

3.3智能控制集成技术的发展

土木工程智能结构体系中结构控制体系的作用好比人类身体中的中枢神经系统在其他系统中的应用，能够对其他部件及环节进行分配。通过应用智能控制集成技术，能够将结构与系统中的各种设备连接在一起，从而实现综合和集中管理。如果结构受到外部环境的影响发生物理形变，利用智能控制集成技术能够有效弥补结构控制系统中存在的变化能力不足的问题。在今后的研究中，要对土木工程智能结构体系在形状及结构方面的应用加以重视，对其进行深入研究。

3.4增强信息处理及传输速度

信息处理及传输在土木工程智能结构体系中是一个非常重要的辅助系统，其中的模块信息处理器和发射器占据了较大部分的功能，它可以将土木结构损坏的相关信息传递到控制系统，实现智能修复。加强对计算过程和数据线的限制，做好信息处理和传输工作，能够有效避免数据在处理和传输时出现延迟的现象，进而提升信息处理能力、信息传输速度，充分发挥混合处理器和传输装置的价值。此外，比较传统的数据计算方法有小波有限元理论及光时域反射计检测技术，因为在信息处理速度、传输稳定性等方面存在着一定的局限性，所以在今后的研究过程中需要对其重点关注，完善土木工程智能结构体系[4]。

结束语：

综上所述，土木工程智能结构主要由主控制系统和辅助控制系统组成，无论是在建筑体系设计中还是结构控制中，都会用到智能结构控制系统，智能材料的使用会使结构控制更加一体化。智能结构体系的创新包括驱动技术、传感技术和集成技术的发展，对增强土木工程稳定性具有重要作用。

参考文献：

[1]陈勃彤.土木工程智能结构控制体系的相关探讨[J].科技传播，2013（22）.

[2]唐世举.土木工程智能结构体系的研究与发展[J].建设科技，2015（16）：112-113.

[3]范金男.解析土木工程智能结构体系的研究与发展[J].科技传播，2013（13）：100-101.

[4]高志成.浅谈土木工程智能结构体系的研究与发展[J].建筑工程技术与设计，2017（3）.

作者简介：

黄宇轩（1995-），男，贵州省贵阳市人，民族：汉职称：无，学历：在读本科学士。研究方向：土木工程结构.