提高橋梁抗震能力的智能材料
橋梁是主要的交通基礎(chǔ)設(shè)施。全美公路橋梁多達(dá)57.5萬(wàn)座，在每年的聯(lián)邦預(yù)算中，用于橋梁維修的費(fèi)用超過(guò)50億美元。過(guò)去幾十年以來(lái)，全球愈發(fā)頻繁的地震活動(dòng)已經(jīng)引起包括美國(guó)、日本、中國(guó)、智利、土耳其等國(guó)家的橋梁損毀。因此，亟須找到能使地震對(duì)橋梁的影響最小化的解決方案，既能改進(jìn)現(xiàn)有橋梁，又能改善未來(lái)橋梁的技術(shù)參數(shù)和施工材料。
大多數(shù)橋梁是由鋼筋混凝土制造。盡管這種方法方便、經(jīng)濟(jì)，但橋梁卻不能承受7.0級(jí)及以上震級(jí)的地震。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱在強(qiáng)震中分散地震能量后，會(huì)產(chǎn)生永久變形和損壞，使柱子不能再用。在地震荷載下，工程人員允許損壞柱鉸來(lái)消散能量、避免整個(gè)橋梁垮塌。雖然這種方法被廣泛采用，然而鉸鏈的損毀會(huì)阻礙災(zāi)后恢復(fù)，也會(huì)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成影響。在美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下，內(nèi)華達(dá)大學(xué)雷諾分校的土木工程師們已經(jīng)確定了幾種智能材料，來(lái)替代橋梁中的鋼筋混凝土。與其他大多數(shù)形狀記憶合金僅對(duì)溫度敏感(即需要熱源來(lái)恢復(fù)初始形狀)所不同的是，鎳鈦合金還具有超彈性，其量值達(dá)到普通金屬(如鋼鐵)的10~30倍。
研究人員分析了三組橋梁柱：傳統(tǒng)的鋼筋混凝土、鎳鈦合金與混凝土、鎳鈦合金與水泥基工程復(fù)合材料。首先，在加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的地震模擬程序中進(jìn)行建模、測(cè)試。然后，在本校的地震工程模擬網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)臺(tái)開(kāi)展組裝、測(cè)試。結(jié)果顯示，由鎳鈦合金與水泥基工程復(fù)合材料組成的橋梁柱各方面性能優(yōu)越，強(qiáng)震條件下橋梁承受的毀壞程度得以限制。盡管與常規(guī)橋梁相比，用鎳鈦合金與水泥基工程復(fù)合材料造橋的初期成本要高出3%，但壽命周期成本卻在下降——不僅維修需求減少，而且在發(fā)生中等及以上強(qiáng)度地震后還能繼續(xù)使用。
編輯：姜立東
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