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智能材料让桥梁更抗震

时间:2013/9/12 9:21:08 来源:科学时报 点击次数:5111

智能材料让桥梁更抗震
智能材料让桥梁更抗震

  桥梁是主要的交通基础设施。全美公路桥梁多达57.5万座,在每年的联邦预算中,用于桥梁维修的费用超过50亿美元。过去几十年以来,全球愈发频繁的地震活动已经引起包括美国、日本、中国、智利、土耳其等国家的桥梁损毁。因此,亟须找到能使地震对桥梁的影响最小化的解决方案,既能改进现有桥梁,又能改善未来桥梁的技术参数和施工材料。

  大多数桥梁是由钢筋混凝土制造。尽管这种方法方便、经济,但桥梁却不能承受7.0级及以上震级的地震。传统的钢筋混凝土柱在强震中分散地震能量后,会产生永久变形和损坏,使柱子不能再用。在地震荷载下,工程人员允许损坏柱铰来消散能量、避免整个桥梁垮塌。虽然这种方法被广泛采用,然而铰链的损毁会阻碍灾后恢复,也会对社会经济造成影响。

  在美国国家自然科学基金会的资助下,内华达大学雷诺分校的土木工程师们已经确定了几种智能材料,来替代桥梁中的钢筋混凝土。

  与其他大多数形状记忆合金仅对温度敏感(即需要热源来恢复初始形状)所不同的是,镍钛合金还具有超弹性,其量值达到普通金属(如钢铁)的10~30倍。

  研究人员分析了三组桥梁柱:传统的钢筋混凝土、镍钛合金与混凝土、镍钛合金与水泥基工程复合材料。首先,在加州大学伯克利分校开发的地震模拟程序中进行建模、测试。然后,在本校的地震工程模拟网络振动台开展组装、测试。

  结果显示,由镍钛合金与水泥基工程复合材料组成的桥梁柱各方面性能优越,强震条件下桥梁承受的毁坏程度得以限制。尽管与常规桥梁相比,用镍钛合金与水泥基工程复合材料造桥的初期成本要高出3%,但寿命周期成本却在下降—不仅维修需求减少,而且在发生中等及以上强度地震后还能继续使用。

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