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防震減災(zāi)手抄報：美科學(xué)家開發(fā)抗地震材料
近年，地震所造成的破壞暴露了現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)面對強烈的地面移動時存在的脆弱性。針對這種狀況，美國喬治亞理工學(xué)院的研究人員正在對形狀記憶合金材料進行分析，了解它們用于抗地震結(jié)構(gòu)材料的潛力。
為分析形狀記憶合金，研究人員開發(fā)出將熱力學(xué)和力學(xué)方程相結(jié)合的模型，以了解形狀記憶合金在強烈運動條件下會有何變化。利用模型，他們分析了形狀記憶合金在不同建筑組件(電纜、鋼筋、板材和螺旋彈簧)中對不同外界條件的反應(yīng)。研究人員表示，基于這些信息，能決定材料的最佳抗震特性。
這個分析模型的開發(fā)者包括喬治亞理工學(xué)院土木和環(huán)境工程學(xué)院教授雷金納德·德斯洛奇斯、力學(xué)工程學(xué)院研究生雷扎·米爾扎艾法、土木和環(huán)境工程學(xué)院副教授阿拉希·亞瓦里以及材料科學(xué)工程學(xué)院教授肯·噶爾。有關(guān)分析模型的文章不久前發(fā)表在《國際非線性力學(xué)雜志》網(wǎng)絡(luò)版上。
為改善材料在地震中的結(jié)構(gòu)性能，全球各地的研究人員對多種“智能”材料的使用進行了研究，其中包括形狀記憶合金。最常見的形狀記憶合金由含有銅—鋅—鋁—鎳、銅—鋁—鎳或鎳—鈦的金屬化合物構(gòu)成。形狀記憶合金在橋梁和建筑結(jié)構(gòu)中的潛在應(yīng)用包括結(jié)構(gòu)支承、支柱和橫梁，或梁和柱間的連接部件。
亞瓦里解釋道，對于標準的土木工程材料，人們借助力學(xué)通過力和位移便可測量出材料的應(yīng)力和形變。但是，對于特性隨著負荷的存在和消失而變化的形狀記憶合金這類材料，人們卻必須從熱力學(xué)和力學(xué)兩方面來考慮。
研究小組發(fā)現(xiàn)，在從有負荷到無負荷的過程中，熱量的產(chǎn)生和吸收在形狀記憶合金中形成了一個溫度梯度，這導(dǎo)致材料中出現(xiàn)非均勻的應(yīng)力分布，即使是形狀記憶合金出現(xiàn)均勻形變時也是如此。
米爾扎艾法認為，過去人們深入研究的是細絲狀的形狀記憶合金，其能夠與周圍環(huán)境迅速交換熱量，讓人們察覺不到溫度的變化。但當(dāng)人們開始研究尺寸達到可以成為土木工程部件的形狀記憶合金時，其內(nèi)部溫度不再均勻，必須將這種不均勻考慮到研究的范圍內(nèi)。
為預(yù)知形狀記憶合金在有/無負荷交替循環(huán)中內(nèi)部溫度分布(其可幫助了解應(yīng)力分布)情況，研究人員開發(fā)的研究模型能夠?qū)⒉牧系谋砻鏌嵯迼l件、直徑和形狀記憶合金負荷率作為輸入?yún)?shù)。
研究小組將周圍條件納入研究模型的原因是形狀記憶合金在用于抗震結(jié)構(gòu)時將面臨各種各樣的環(huán)境，例如用于橋梁結(jié)構(gòu)會接觸到水及用于建筑結(jié)構(gòu)會遇到空氣，這些都會讓形狀記憶合金出現(xiàn)不同的熱傳導(dǎo)率。在研究中，研究人員利用熱成像儀記錄下了形狀記憶合金在負荷有/無交替時表面溫度的變化情況。
利用開發(fā)的模型，研究人員能夠準確地預(yù)知形狀記憶合金內(nèi)部溫度和應(yīng)力的分布。模型分析所獲得的結(jié)果得到了實驗結(jié)果的確認。在一項測試中，他們發(fā)現(xiàn)給形狀記憶合金慢慢施加負荷時，合金有時間將產(chǎn)生的熱量同周圍的環(huán)境進行交換，其內(nèi)部產(chǎn)生了均勻的應(yīng)力分布;然而，向合金快速施加負荷，熱量無法在短時間內(nèi)與周圍環(huán)境交換，從而合金內(nèi)部出現(xiàn)非均勻應(yīng)力分布。
米爾扎艾法表示，他們開發(fā)的模型分析方法能夠準確和快速地模擬形狀記憶合金在考慮溫度變化和負荷率相關(guān)性時所出現(xiàn)的復(fù)雜熱/力耦合反應(yīng)。
德斯洛奇斯教授表示，形狀記憶合金向人們展示了抗震建筑和橋梁設(shè)計以及其他應(yīng)用所需的獨特性質(zhì)：它們具有巨大耗散能量的能力，同時還會發(fā)生永久變形或嚴重退化。展望未來，研究人員計劃分析外形更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)材料，以及多負荷(包括拉力、彎曲和扭力)的影響，以優(yōu)化形狀記憶合金在抗震結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。
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