《智能材料与结构》：智能合金助力桥梁道路抵御地震灾害

这一幕或许将是很长一段时间内，让全中国人最揪心和痛心的画面。通过科学技术进步，让人类在未来面临同样的灾难时，能够多一份安全和自信，将是科学家不懈努力的目标。

 
美国科学家最近检验了一种设想，即利用一种智能合金作为固定桥梁道路的缆绳，它能在地震过程中伸长，而在震后重新收紧并将桥梁道路拉回原来的位置。这样，高架桥梁道路就有可能避免在地震中四分五裂。
 
领导该项研究的是佐治亚理工学院的土木工程学家Reginald DesRoches，他和里诺大学、莱斯大学同事通过实验首次证明，利用镍钛诺形状记忆合金（shape memory alloy，SMA）制成的缆索能够有助于抵御地震或者飓风。相关论文发表在《智能材料与结构》（Smart Materials and Structures）杂志上。
 
地震中，由钢筋混凝土制成的桥梁道路往往会从支撑物上脱离，造成断裂坍塌，这对桥上和桥下的人而言都是灾难性的。道路的毁坏还会严重影响交通，令救援无法到达，紧急物资无法运送。为了解决这一问题，科学家已经尝试过用钢缆将桥梁道路和支座绑定在一起，不过，这种方法有两个缺陷，一是桥梁支架在地震中会承受破坏性的巨大力量，二是被拉长的钢缆必须换掉，代价较为昂贵。
 
科学家想到了形状记忆合金，它们能够承受相当的应力，同时不发生永久性形变。DesRoches说，“它们可以像橡皮筋一样弹回来，没有任何损坏。”因此，由SMA制成的超弹性缆索可以让桥梁路面在连接处“弯曲”，地震消散后又很快恢复到支座支撑的位置。
 
与此前的一些小规模模拟实验相比，DesRoches和同事进行的最新研究在大尺度上检验了SMA缆索在真实桥梁道路上的表现。他们利用一个巨大的“摇震台”来模拟地震时地面的运动方式。结果表明，用镍钛诺（一种SMA，镍和钛的非磁性合金）制成的缆索可以将桥梁道路的移位限制在2.5厘米，而钢缆的这一数字为10厘米。
 
资助该项研究的加州交通部地震工程办公室负责人表示，尽管要在现有的桥梁上应用SMA缆索成本很高，但如果考虑到灾难后快速的功能恢复对区域经济的积极影响，这种代价还是可以理解和接受的。
 
英国布里斯托尔大学地震工程研究中心主任Colin Taylor认为，新的结果看起来很有希望，但还需要进一步的研究。“我们需要弄清形状记忆材料的详细特性，以及它们如何响应各种类型地震的力学模式——毕竟地震的发生还是比较随机的。”（科学网 任霄鹏/编译）
 
（《智能材料与结构》（Smart Materials and Structures），17 035018(10pp), doi: 10.1088/0964-1726/17/3/035018，Rita Johnson, Reginald DesRoches and M Saiid Saiidi）
 
更多阅读（英文）
 
《智能材料与结构》论文摘要
 
Reginald DesRoches个人主页