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文/Angus Zhang

研究筆記

首先，Angus 祝大家端午安康。在異地他鄉，有時候很討厭過節，因為它會提醒你飛逝的時光。整日伏案的工作，漸漸疏遠了生活，更找尋不到小時候的對節日的記憶。那時候，我會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。現在回想，雖然已經二十載的光陰苒苒，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自復位結構的一些認識。今天想針對性的對我這幾年所研究的一個科研對象分享我的幾點理解，希望能和你有一點共鳴，可能觀點不是很透徹，也只是一家之言，大家姑妄聽之，也歡迎批評指正。那么這個主題有一個很大的background,?那就是我們要站在地球有限資源的制高點，就是人類數量在膨脹，城鎮化在擴張，然而我們能夠使用的資源是很有限的，所以這個緊迫的矛盾要求我們各行各業，當然也包括我們的研究對象：結構，要符合可持續發展的。那要怎么符合？以往的震害表明，基于當下規范設計的結構已經基本上能夠實現生命安全的性能目標，但是在地震中損壞的建筑可能由于修復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，但是在功能上已經進入了實質倒塌的狀態。可以想象，這樣的資源浪費是很巨大的。這個時候，也可以扯上不滿足國家的“減碳”戰略。所以，可持續發展落實到單體結構，就需要結構具備可恢復性性能，或者高大上點，我們稱之為韌性結構。今天的主題就是基于SMA 的可恢復性結構（今天所講的是基于NiTi的超彈SMA， 對于其他類可能不適合）。

先講我個人的觀點：如果SMA 材料作為節點，構件的強度和剛度的主要貢獻者，那么我們就會面對一個很嚴厲的質疑，這也是做基于SMA 韌性結構所要面對的問題：你的研究有工程價值么？其實，這些年我一直也在思考這個問題。SMA 風靡在結構抗震領域，大概是因為它具備以下兩點特點：1）基于應力驅動的奧氏體轉變馬氏體的超彈效應；2）因為材料晶格的微觀轉變導致材料在加載和卸載的路徑不重合，就是我們靜力學上稱之為靜力滯后（耗能能力），使得他非常適合于構造新型的韌性結構。當然SMA 自然也存在三大問題（個人認知的）;1) 成本問題，我始終認為這雖然是個現實個問題，但往往現實的問題才是bottleneck, 盡管很多學者做了傳統結構與自復位結構的全生命經濟的評估，試圖說服業主，但我相信這條路還很遠，也會很坎坷；2）奧氏體彈模低，需要通過預緊的方式彌補，如果無法施加預緊，剛度是個問題；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造，此外，對于同一種類型的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，在實際的工程中因為安裝空間的限制，我們勢必會優先使用大直徑的SMA，那么這種變異性如何考慮？我覺得同濟大學方成老師基于SMA cable 做的研究很有工程導向，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 的構件或者節點所具備的性能，就一定是我們設計的真實結構所具備的性能。很簡單，就是你試驗得的節點性能是否可以推演到一個原型節點？當然我們存在一些研究，對一個自復位節點試驗或者模擬基礎上，然后自然順承原型結構，我覺得可能科研是可以的，但是真的要用在實際中，不知道作者是否對SMA 有信心？。筆者的研究經驗就是，如何構件的性能強依賴于SMA 的性能，可能這種順承是應該被質疑的。

那么如何合理的使用SMA 材料？這里，我想分享我個人的經驗。其實說到底使用SMA 的目的就是因為它的超彈和自帶耗能。而且上述的分析，也給出了如果使用不預緊的SMA ，剛度會是一個問題，所以使用SMA 的構造的大多數的情況就是帶預緊的一種使用狀態。那么這種狀態，所得到的力學性能，能否被現有的簡單的構造代替呢？我覺得有，現在很火很實用的一個裝置是新西蘭學者提出的基于變摩擦機制的韌性構造，如下圖。它所輸出的力學行為就是高剛度，高耗能的自復位特性，這種特性的性能優勢遠遠超過僅基于SMA 的構造，而且它的成本劃算，那么在這種情況下，我們必須回答一個問題，我們為什么要用SMA？如果不能很好的回答這個問題，似乎在我們研究中始終會有一點點小小的缺陷吧。那么回答這個問題，就是我們的潛在的研究對象吧。