文/Angus Zhang

研究筆記

首先，Angus 祝大家端午安康。在異地他鄉(xiāng)，有時(shí)候很討厭過節(jié)，因?yàn)樗鼤?huì)提醒你飛逝的時(shí)光。整日伏案的工作，漸漸疏遠(yuǎn)了生活，更找尋不到小時(shí)候的對(duì)節(jié)日的記憶。那時(shí)候，我會(huì)和玩伴一起去小池塘邊，去采粽葉，嘻嘻笑笑之間半天就過去了?，F(xiàn)在回想，雖然已經(jīng)二十載的光陰苒苒，但那樣清澈的微笑在我的腦海依然那么清晰。長大后，再也沒有這種爽朗的微笑了。不知道為什么，也許這就是成長的記憶吧。不管怎么樣，愿我們始終是少年。

正文開始

上一次，總體上和大家分享了我對(duì)自復(fù)位結(jié)構(gòu)的一些認(rèn)識(shí)。今天想針對(duì)性的對(duì)我這幾年所研究的一個(gè)科研對(duì)象分享我的幾點(diǎn)理解，希望能和你有一點(diǎn)共鳴，可能觀點(diǎn)不是很透徹，也只是一家之言，大家姑妄聽之，也歡迎批評(píng)指正。那么這個(gè)主題有一個(gè)很大的background,?那就是我們要站在地球有限資源的制高點(diǎn)，就是人類數(shù)量在膨脹，城鎮(zhèn)化在擴(kuò)張，然而我們能夠使用的資源是很有限的，所以這個(gè)緊迫的矛盾要求我們各行各業(yè)，當(dāng)然也包括我們的研究對(duì)象：結(jié)構(gòu)，要符合可持續(xù)發(fā)展的。那要怎么符合？以往的震害表明，基于當(dāng)下規(guī)范設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本上能夠?qū)崿F(xiàn)生命安全的性能目標(biāo)，但是在地震中損壞的建筑可能由于修復(fù)的成本和難度不得不面臨拆除，也就是說這些損傷的建筑即使在震中沒有倒塌，但是在功能上已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)質(zhì)倒塌的狀態(tài)?？梢韵胂?，這樣的資源浪費(fèi)是很巨大的。這個(gè)時(shí)候，也可以扯上不滿足國家的“減碳”戰(zhàn)略。所以，可持續(xù)發(fā)展落實(shí)到單體結(jié)構(gòu)，就需要結(jié)構(gòu)具備可恢復(fù)性性能，或者高大上點(diǎn)，我們稱之為韌性結(jié)構(gòu)。今天的主題就是基于SMA 的可恢復(fù)性結(jié)構(gòu)（今天所講的是基于NiTi的超彈SMA， 對(duì)于其他類可能不適合）。

先講我個(gè)人的觀點(diǎn)：如果SMA 材料作為節(jié)點(diǎn)，構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度的主要貢獻(xiàn)者，那么我們就會(huì)面對(duì)一個(gè)很嚴(yán)厲的質(zhì)疑，這也是做基于SMA 韌性結(jié)構(gòu)所要面對(duì)的問題：你的研究有工程價(jià)值么？其實(shí)，這些年我一直也在思考這個(gè)問題。SMA 風(fēng)靡在結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域，大概是因?yàn)樗邆湟韵聝牲c(diǎn)特點(diǎn)：1）基于應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的奧氏體轉(zhuǎn)變馬氏體的超彈效應(yīng)；2）因?yàn)椴牧暇Ц竦奈⒂^轉(zhuǎn)變導(dǎo)致材料在加載和卸載的路徑不重合，就是我們靜力學(xué)上稱之為靜力滯后（耗能能力），使得他非常適合于構(gòu)造新型的韌性結(jié)構(gòu)。當(dāng)然SMA 自然也存在三大問題（個(gè)人認(rèn)知的）;1) 成本問題，我始終認(rèn)為這雖然是個(gè)現(xiàn)實(shí)個(gè)問題，但往往現(xiàn)實(shí)的問題才是bottleneck, 盡管很多學(xué)者做了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與自復(fù)位結(jié)構(gòu)的全生命經(jīng)濟(jì)的評(píng)估，試圖說服業(yè)主，但我相信這條路還很遠(yuǎn)，也會(huì)很坎坷；2）奧氏體彈模低，需要通過預(yù)緊的方式彌補(bǔ)，如果無法施加預(yù)緊，剛度是個(gè)問題；3）材料的幾何變異性大，從SMA 絲，到棒，到板，到角鋼等等SMA的性能大不相同，說明SMA?的性能很敏感與加工工藝和構(gòu)造，此外，對(duì)于同一種類型的SMA，如SMA 棒，隨著直徑的改變，性能的退化和變異性也很大，我們知道，在實(shí)際的工程中因?yàn)榘惭b空間的限制，我們勢(shì)必會(huì)優(yōu)先使用大直徑的SMA，那么這種變異性如何考慮？我覺得同濟(jì)大學(xué)方成老師基于SMA cable 做的研究很有工程導(dǎo)向，避免的幾何變異性的問題。一句話，我們不可能說我們做的基于SMA 的構(gòu)件或者節(jié)點(diǎn)所具備的性能，就一定是我們?cè)O(shè)計(jì)的真實(shí)結(jié)構(gòu)所具備的性能。很簡(jiǎn)單，就是你試驗(yàn)得的節(jié)點(diǎn)性能是否可以推演到一個(gè)原型節(jié)點(diǎn)？當(dāng)然我們存在一些研究，對(duì)一個(gè)自復(fù)位節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)或者模擬基礎(chǔ)上，然后自然順承原型結(jié)構(gòu)，我覺得可能科研是可以的，但是真的要用在實(shí)際中，不知道作者是否對(duì)SMA 有信心？。筆者的研究經(jīng)驗(yàn)就是，如何構(gòu)件的性能強(qiáng)依賴于SMA 的性能，可能這種順承是應(yīng)該被質(zhì)疑的。

那么如何合理的使用SMA 材料？這里，我想分享我個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)。其實(shí)說到底使用SMA 的目的就是因?yàn)樗某瑥椇妥詭Ш哪堋６疑鲜龅姆治?，也給出了如果使用不預(yù)緊的SMA ，剛度會(huì)是一個(gè)問題，所以使用SMA 的構(gòu)造的大多數(shù)的情況就是帶預(yù)緊的一種使用狀態(tài)。那么這種狀態(tài)，所得到的力學(xué)性能，能否被現(xiàn)有的簡(jiǎn)單的構(gòu)造代替呢？我覺得有，現(xiàn)在很火很實(shí)用的一個(gè)裝置是新西蘭學(xué)者提出的基于變摩擦機(jī)制的韌性構(gòu)造，如下圖。它所輸出的力學(xué)行為就是高剛度，高耗能的自復(fù)位特性，這種特性的性能優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過僅基于SMA 的構(gòu)造，而且它的成本劃算，那么在這種情況下，我們必須回答一個(gè)問題，我們?yōu)槭裁匆肧MA？如果不能很好的回答這個(gè)問題，似乎在我們研究中始終會(huì)有一點(diǎn)點(diǎn)小小的缺陷吧。那么回答這個(gè)問題，就是我們的潛在的研究對(duì)象吧。