基于SMA的自复位结构的一点思考

首先，Angus 祝大家端午安康。在异地他乡，有时候很讨厌过节，因为它会提醒你飞逝的时光。整日伏案的工作，渐渐疏远了生活，更找寻不到小时候的对节日的记忆。那时候，我会和玩伴一起去小池塘边，去采粽叶，嘻嘻笑笑之间半天就过去了。现在回想，虽然已经二十载的光阴苒苒，但那样清澈的微笑在我的脑海依然那么清晰。长大后，再也没有这种爽朗的微笑了。不知道为什么，也许这就是成长的记忆吧。不管怎么样，愿我们始终是少年。

正文开始：

上一次，总体上和大家分享了我对自复位结构的一些认识。今天想针对性的对我这几年所研究的一个科研对象分享我的几点理解，希望能和你有一点共鸣，可能观点不是很透彻，也只是一家之言，大家姑妄听之，也欢迎批评指正。那么这个主题有一个很大的background, 那就是我们要站在地球有限资源的制高点，就是人类数量在膨胀，城镇化在扩张，然而我们能够使用的资源是很有限的，所以这个紧迫的矛盾要求我们各行各业，当然也包括我们的研究对象：结构，要符合可持续发展的。那要怎么符合？以往的震害表明，基于当下规范设计的结构已经基本上能够实现生命安全的性能目标，但是在地震中损坏的建筑可能由于修复的成本和难度不得不面临拆除，也就是说这些损伤的建筑即使在震中没有倒塌，但是在功能上已经进入了实质倒塌的状态。可以想象，这样的资源浪费是很巨大的。这个时候，也可以扯上不满足国家的“减碳”战略。所以，可持续发展落实到单体结构，就需要结构具备可恢复性性能，或者高大上点，我们称之为韧性结构。今天的主题就是基于SMA 的可恢复性结构（今天所讲的是基于NiTi的超弹SMA， 对于其他类可能不适合）。

先讲我个人的观点：如果SMA 材料作为节点，构件的强度和刚度的主要贡献者，那么我们就会面对一个很严厉的质疑，这也是做基于SMA 韧性结构所要面对的问题：你的研究有工程价值么？其实，这些年我一直也在思考这个问题。SMA 风靡在结构抗震领域，大概是因为它具备以下两点特点：1）基于应力驱动的奥氏体转变马氏体的超弹效应；2）因为材料晶格的微观转变导致材料在加载和卸载的路径不重合，就是我们静力学上称之为静力滞后（耗能能力），使得他非常适合于构造新型的韧性结构。当然SMA 自然也存在三大问题（个人认知的）;1) 成本问题，我始终认为这虽然是个现实个问题，但往往现实的问题才是bottleneck, 尽管很多学者做了传统结构与自复位结构的全生命经济的评估，试图说服业主，但我相信这条路还很远，也会很坎坷；2）奥氏体弹模低，需要通过预紧的方式弥补，如果无法施加预紧，刚度是个问题；3）材料的几何变异性大，从SMA 丝，到棒，到板，到角钢等等SMA的性能大不相同，说明SMA 的性能很敏感与加工工艺和构造，此外，对于同一种类型的SMA，如SMA 棒，随着直径的改变，性能的退化和变异性也很大，我们知道，在实际的工程中因为安装空间的限制，我们势必会优先使用大直径的SMA，那么这种变异性如何考虑？我觉得同济大学方成老师基于SMA cable 做的研究很有工程导向，避免的几何变异性的问题。一句话，我们不可能说我们做的基于SMA 的构件或者节点所具备的性能，就一定是我们设计的真实结构所具备的性能。很简单，就是你试验得的节点性能是否可以推演到一个原型节点？当然我们存在一些研究，对一个自复位节点试验或者模拟基础上，然后自然顺承原型结构，我觉得可能科研是可以的，但是真的要用在实际中，不知道作者是否对SMA 有信心？。笔者的研究经验就是，如何构件的性能强依赖于SMA 的性能，可能这种顺承是应该被质疑的。

那么如何合理的使用SMA 材料？这里，我想分享我个人的经验。其实说到底使用SMA 的目的就是因为它的超弹和自带耗能。而且上述的分析，也给出了如果使用不预紧的SMA ，刚度会是一个问题，所以使用SMA 的构造的大多数的情况就是带预紧的一种使用状态。那么这种状态，所得到的力学性能，能否被现有的简单的构造代替呢？我觉得有，现在很火很实用的一个装置是新西兰学者提出的基于变摩擦机制的韧性构造，如下图。它所输出的力学行为就是高刚度，高耗能的自复位特性，这种特性的性能优势远远超过仅基于SMA 的构造，而且它的成本划算，那么在这种情况下，我们必须回答一个问题，我们为什么要用SMA？如果不能很好的回答这个问题，似乎在我们研究中始终会有一点点小小的缺陷吧。那么回答这个问题，就是我们的潜在的研究对象吧。