形状记忆合金自预应力技术

形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）是一种能够在温度和应力作用下发生相变的新型功能材料，具有独特的形状记忆效应、相变伪弹性等特性。

当对预变形的SMA进行升温激励时，由于形状记忆效应的存在，无约束的SMA将回到变形前的状态，有约束的SMA中将产生回复应力，回复应力相当于SMA施加在约束体上的预应力。因此，这一技术也被形象的称为自预应力技术。

基于SMA的自预应力技术原理

凭借自预应力的特点，智能材料SMA在工程结构智慧修复等领域展现出了良好的应用潜力。自21世纪初，全国范围内掀起了SMA智能修复结构方面的研究热潮。然而，随着研究的进行，人们意识到传统镍钛基形状记忆合金（NiTi-SMA）提供的预应力并不稳定且成本高昂，这使得基于SMA的基础设施智慧修复理念迟迟无法得到规模化应用。

实际上，具有形状记忆效应的合金有很多种。近年来兴起的铁基形状记忆合金（Iron-based Shape Memory Alloy，Fe-SMA）是一种以铁为主要构成元素的形状记忆合金材料，相比于传统的NiTi-SMA，Fe-SMA具有价格低廉、极限强度和弹性模量相对较高以及所产生的回复应力稳定等诸多优点。随着近年来Fe-SMA材料不断得到改进和发展，其在土木工程领域的应用价值逐渐得到重视。

东大

力量

在上述背景下，聚焦混凝土结构智慧运维领域，东南大学自2020 年以来围绕Fe-SMA自预应力技术成体系地开展了若干初步研究和应用工作，在此与各位专家同行们分享交流，期待与大家共同推动Fe-SMA自预应力技术在土木工程领域的规模化应用。

一、Fe-SMA材料研发

近年来，瑞士联邦材料科学与技术研究所（EMPA）围绕Fe-SMA材料在工程领域的应用开展了持续研究，并通过产-学-研合作，成立了名为re-fer AG的公司，初步形成了小规模的商业化生产和工程服务能力。此外，韩国、加拿大、美国等国家的学者们也都关注到Fe-SMA自预应力技术的应用潜力，基于re-fer AG公司原材料或自研原材料，陆续开展了若干工程应用技术研究。

国内天津大学、四川大学、西南交通大学、同济大学等高校也不同程度地对Fe-SMA的应用展开了相关研究，包括Fe-SMA管接头、Fe-SMA板条加固钢结构、Fe-SMA阻尼器等方面。但是，总体上还处于实验室和验证性应用阶段，有待进一步深入研究。目前，国内尚无商业化Fe-SMA产品销售，且国外产品暂不向中国市场开放。

为推动Fe-SMA在国内土木工程领域的应用，也为避免原材料的卡脖子问题，东南大学Fe-SMA自预应力技术研发团队（以下简称“团队”）通过与四川大学冶金领域专家合作，并联合柳州欧维姆机械股份有限公司成立了“东大~欧维姆~川大智能金属材料联合研发共同体”，致力于产业化生产国产Fe-SMA材料及其规模化工程应用。

通过自主研发的绞线捻拉同步热处理装置，研发了7丝Φ5（直径15.2 mm）通用型Fe-SMA绞线，该绞线可以产生223~357 MPa的自预应力。借助合作的特钢厂家制备了吨级Fe-SMA板材，并可在200°C的瞬时激励温度下产生约300 MPa的自预应力。

国产Fe-SMA材料制备和相关产品

二、Fe-SMA工程应用装备平台开发

与传统的预应力张拉工艺不同，Fe-SMA自预应力的产生需要采用升温的方式来激发它的形状记忆效应，需要特定的激励装备。例如，瑞士re-fer AG公司针对Fe-SMA的施工配置了大电流通电激励装备和火焰激励设备等。为此，团队在柳州欧维姆机械股份有限公司的支持下，也对相关的装备进行了设计和初步的研发。所设计的升温激励设备根据原理不同分为三类：1）基于电阻发热的通电加热设备；2）基于热传导的陶瓷片铠甲；3）基于热辐射的红外热辐射灯组。

其中，面向新建结构的通电激励装备——“自预应力形状记忆合金大电流低压激励装备”于2022年10月经专家组验收通过，可用于激励埋置在混凝土内部的Fe-SMA。

除研发Fe-SMA配套激励设备外，团队还搭建了试验室内Fe-SMA预拉伸和回复应力测试平台，实现了对Fe-SMA激励温度、激励时间、激励电流、激励电压、回复应力等相关参数的控制和测试。

自预应力形状记忆合金大电流低压激励装备

三、Fe-SMA工程应用关键技术研究

面向新建和既有混凝土结构的智慧运维，团队结合上述材料和装备体系，开展了系列应用关键技术研究。具体如下：

01

面向新建结构的Fe-SMA应用技术

由于具有免张拉、自预应力的特点，Fe-SMA可以作为一种预应力储备预埋于新建混凝土结构中。在结构出现损伤时，激活Fe-SMA产生自预应力，对工程结构进行智慧修复。然而，Fe-SMA与普通钢筋的绝缘问题、升温激励对Fe-SMA与混凝土界面粘结损伤评估是其应用的关键技术难题。为此，团队开展了相关试验和测试研究工作，提出了将Fe-SMA筋与耐高温砂浆和塑料波纹管相组合，有效解决了Fe-SMA筋在新建结构中应用时的绝缘隔热需求。通过试验测试了新型组合方式下的有效自预应力和界面粘结性能。

新型绝缘隔热Fe-SMA筋应用形式

升温激励对Fe-SMA筋界面粘结性能影响试验研究

02

面向既有结构的Fe-SMA应用技术

Fe-SMA具有的便捷施加预应力的特性使其在既有结构加固领域也具有巨大的应用价值，团队在Fe-SMA环向主动加固混凝土墩柱和环向主动加固预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简称PCCP）等领域开展了探索研究。在加固混凝土墩柱领域，针对传统非预应力环向加固存在受力滞后、材料利用率低等问题，团队提出一种新型环向套箍Fe-SMA条带的加固方式，通过Fe-SMA产生的自预应力，对墩柱施加侧向围压，约束混凝土的横向变形，实现不中断交通前提下的墩柱主动加固，延长桥梁服役寿命。此外，团队针对埋设在地下的PCCP的加固修复需求，发明了一种在役PCCP原位体外智能缠绕自预应力加固的方法并申请了专利，利用Fe-SMA的主动环向预应力作用，可对运营中的PCCP进行免开挖、不停水原位预应力主动加固修复。

基于Fe-SMA的环向主动加固研究

03

升温激励过程的多物理场仿真模拟研究

对于埋设在混凝土中的Fe-SMA，目前通常采用通电加热这种简单高效的方式进行激励。为获取Fe-SMA表面的温度以控制激励过程，需要在Fe-SMA表面粘贴热电偶，这对于工程应用来说较为不便。准确获取和控制Fe-SMA材料的温度对回复应力的产生至关重要，这就需要我们选择合适的激励电流和通电时间，而目前尚无相关的技术手册或施工标准，故对于通电激励参数的选取仍然比较粗糙，这极大降低了激励过程的效率和准确性。为此，团队基于COMSOL平台建立了一种多物理场有限元模型，对混凝土中Fe-SMA的通电激励过程进行分析，并与试验进行对比验证了模型的有效性。模型可准确分析通电激励过程中Fe-SMA和混凝土的温度和应力分布，并形成了混凝土中Fe-SMA的通电激励操作指南，可给出Fe-SMA通电激励相关参数为施工过程提供参考。

四、Fe-SMA自预应力技术试点应用

在上述材料-装备-技术的支撑下，东南大学Fe-SMA研发团队依托所承担的国家重点研发计划（2020YFD1100400）子课题“东南传统民居低干预加固关键技术与装备研究”任务，完成了国内首个砖砌体墙Fe-SMA自预应力嵌缝加固示范工程。试点应用工程位于江苏省兴化市陈堡镇蒋庄村蚌蜒河畔，为一传统民居，有一百多年历史。加固示范工程完成后，获得当地镇政府以及附近居民的高度评价，媒体进行了现场视频采访报道，且兴化日报要闻版面刊登出名为《古宅加固为百姓留住乡愁》的文章，对团队的加固工作进行了充分肯定。

Fe-SMA自预应力嵌缝加固砖砌体墙示范工程

五、携手共进

此外，团队在Fe-SMA用于后张预应力混凝土结构锚固区、装配式混凝土结构节点区、超高性能混凝土、预应力拉索护套等方面进行了诸多有益探索，在此不一一详述，感兴趣的读者可通过点击识别文章结尾处二维码查阅相关资料。

材料是土木工程的基石，行业内有着“一代材料，一代工程”的说法。在智能化时代背景下，智能Fe-SMA材料在土木工程领域大有可为，尚有大量研究工作需要开展，期待更多专家学者们关注该领域，大家一起携手推动Fe-SMA的研究和工程应用，服务国家发展。

东南大学Fe-SMA自预应力技术研发团队

团队带头人

团队骨干

学生骨干

协作单位

素材来源：东南大学Fe-SMA自预应力技术研发团队

成果资料

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1-Fe-SMA材料研发：

(1)Ziqing Liu, Zhiqiang Dong*, Hong Zhu**, Gang Wu, Yuhua Wen. Stress recovery behaviour of a large-diameter Fe-SMA stranded wire developed for structural prestressing loss compensation. Advances in Structural Engineering. 2022. DOI:10.1177/13694332221149475

(2)董志强，吴刚，朱虹，刘子卿，文玉华。工程结构智慧自修复—新型铁基形状记忆合金自预应力技术的研发，江苏省科学技术协会，“科创江苏”创新创业大赛决赛，二等奖，2021。（省级奖励）

(3)董志强，朱虹，吴刚。一种用于实验室内定制大直径形状记忆合金绞线的装置及方法。2022-07-01。中国。ZL 202011071972.1 （授权发明专利）

2-Fe-SMA工程应用装备平台开发：

“自预应力形状记忆合金大电流低压激励装备”专家验收意见。

3.1-面向新建结构的Fe-SMA应用技术：

(1)Ziqing Liu; Zhiqiang Dong*; Yu Sun; Hong Zhu; Gang Wu; Changjun Sun; Chee-Kiong Soh. Effect of resistive heating on the bond properties between iron-based shape memory bars and cement mortar. Journal of Building Engineering, 2023: 105895. DOI:10.1016/j.jobe.2023.105895

(2)刘子卿, 朱虹*, 董志强, 吴刚. 基于铁基SMA的新型预应力技术的研究与应用，全国建筑物鉴定与加固改造第十五届学术交流会议论文集（内部会议，非公开发表）

(3)朱虹, 刘子卿, 董志强, 吴刚, 文玉华 . 基于铁基形状记忆合金的新型预应力技术及其工程应用[J]. 东南大学学报 (自然科学版), 2022, 52(2).

(4)刘子卿, 董志强*, 朱虹, 吴刚. 铁基形状记忆合金回复性能及其在结构加固中的应用，第九届江苏省工程结构鉴定与加固改造学术会议论文集（内部会议，非公开发表）

3.2-面向既有结构的Fe-SMA应用技术：

(1)董志强；韩天昊；吴刚；姬江豪；朱虹. 包覆FRP-塑管-铁基SMA及橡胶混凝土的墩柱加固方法, CN114922099A. （公开中发明专利）

3.3-升温激励过程的多物理场仿真模拟研究：

(1)Zheng Yi-Chuan, Dong Zhi-Qiang, Zhu Hong, Liu Zi-Qing, Wu Gang. Multi-physical simulation of reinforced concrete bars strengthened with iron-based shape memory alloys. Smart Monitoring, Assessment and Rehabilitation of Civil Structures, 2022-9.6-9.8 (国际会议，中国上海)

4-Fe-SMA自预应力技术试点应用：

(1)朱虹；宁旺；吴刚，董志强；梁汉斌；刘子卿. 基于Fe-SMA自预应力的砌体结构整体加固方法, CN115199076A. （公开中发明专利）

5-其他应用探索：

(1)Jianghao Ji; Zhiqiang Dong*; Ziqing Liu; Yu Sun; Hong Zhu; Gang Wu; Chee-Kiong Soh. Feasibility of using Fe-SMA rebar as cracking resistance spiral stirrup in the anchorage zone of post-tensioned prestressed concrete. Structures, 48(2023): 823-838. DOI: 10.1016/j.istruc.2023.01.011

(2)Jianghao Ji; Zhiqiang Dong*; Yu Sun; Hong Zhu; Gang Wu; Zi-Qing Liu; Chang Wu. Numerical Analysis of the Crack Resistance of Post-tensioned Prestressed Concrete Anchorage Zone with spiral Fe-SMA stirrup. Smart Monitoring, Assessment, and Rehabilitation of Civil structures. 2022-9.6-9.8 (国际会议，中国上海)

(3)董志强；石伟；朱虹；吴刚；李胡兵；郑国坤；朱永权。附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索及锚固方法, CN115094754A （公开中发明专利）

(4)朱虹；李胡兵；王强；梁汉斌；董志强。基于Fe-SMA套管的预应力复材筋附加铝肋成型方法, CN114925467A （公开中发明专利）

(5)董志强，范家俊，朱虹，吴刚。设置形状记忆合金筋材的装配整体式梁柱节点及施工方法。2022-05-13。中国。ZL 202011060195.0 （授权发明专利）

(6)董志强，刘子卿，朱虹，吴刚。一种混掺形状记忆合金纤维的抗高温爆裂UHPC及制备方法。2022-06-17。中国。ZL 202011622968.X （授权发明专利）

(7)董志强；姬江豪；韩天昊；吴刚；朱虹；窦勇芝. 一种基于无人机搭载的桥梁体外自预应力加固装置和方法, CN115162216A（公开中发明专利）

(8)董志强，吴刚，朱虹，窦勇芝。一种内夹形状记忆合金丝的拉索HDPE抗裂护套及其制备方法。2022-01-14。中国。ZL 202010352702.1 （授权发明专利）

(9)董志强，朱虹，吴刚。预应力SMA增强薄壁UHPC工字梁及制备方法。2021-10-19。中国。ZL 202010601591.3 （授权发明专利）

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本文转载自公众号：铁基SMA自预应力

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