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提高橋梁抗震能力的智能材料

中國(guó)預(yù)拌干粉砂漿網(wǎng) · 2013-09-24 10:05

  橋梁是主要的交通基礎(chǔ)設(shè)施。全美公路橋梁多達(dá)57.5萬座,在每年的聯(lián)邦預(yù)算中,用于橋梁維修的費(fèi)用超過50億美元。過去幾十年以來,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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