《智能材料與結構》：智能合金助力橋梁道路抵御地震災害

這一幕或許將是很長一段時間內，讓全中國人最揪心和痛心的畫面。通過科學技術進步，讓人類在未來面臨同樣的災難時，能夠多一份安全和自信，將是科學家不懈努力的目標。

 
美國科學家最近檢驗了一種設想，即利用一種智能合金作為固定橋梁道路的纜繩，它能在地震過程中伸長，而在震后重新收緊并將橋梁道路拉回原來的位置。這樣，高架橋梁道路就有可能避免在地震中四分五裂。
 
領導該項研究的是佐治亞理工學院的土木工程學家Reginald DesRoches，他和里諾大學、萊斯大學同事通過實驗首次證明，利用鎳鈦諾形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）制成的纜索能夠有助于抵御地震或者颶風。相關論文發表在《智能材料與結構》（Smart Materials and Structures）雜志上。
 
地震中，由鋼筋混凝土制成的橋梁道路往往會從支撐物上脫離，造成斷裂坍塌，這對橋上和橋下的人而言都是災難性的。道路的毀壞還會嚴重影響交通，令救援無法到達，緊急物資無法運送。為了解決這一問題，科學家已經嘗試過用鋼纜將橋梁道路和支座綁定在一起，不過，這種方法有兩個缺陷，一是橋梁支架在地震中會承受破壞性的巨大力量，二是被拉長的鋼纜必須換掉，代價較為昂貴。
 
科學家想到了形狀記憶合金，它們能夠承受相當的應力，同時不發生永久性形變。DesRoches說，“它們可以像橡皮筋一樣彈回來，沒有任何損壞。”因此，由SMA制成的超彈性纜索可以讓橋梁路面在連接處“彎曲”，地震消散后又很快恢復到支座支撐的位置。
 
與此前的一些小規模模擬實驗相比，DesRoches和同事進行的最新研究在大尺度上檢驗了SMA纜索在真實橋梁道路上的表現。他們利用一個巨大的“搖震臺”來模擬地震時地面的運動方式。結果表明，用鎳鈦諾（一種SMA，鎳和鈦的非磁性合金）制成的纜索可以將橋梁道路的移位限制在2.5厘米，而鋼纜的這一數字為10厘米。
 
資助該項研究的加州交通部地震工程辦公室負責人表示，盡管要在現有的橋梁上應用SMA纜索成本很高，但如果考慮到災難后快速的功能恢復對區域經濟的積極影響，這種代價還是可以理解和接受的。
 
英國布里斯托爾大學地震工程研究中心主任Colin Taylor認為，新的結果看起來很有希望，但還需要進一步的研究。“我們需要弄清形狀記憶材料的詳細特性，以及它們如何響應各種類型地震的力學模式——畢竟地震的發生還是比較隨機的。”（科學網 任霄鵬/編譯）
 
（《智能材料與結構》（Smart Materials and Structures），17 035018(10pp), doi: 10.1088/0964-1726/17/3/035018，Rita Johnson, Reginald DesRoches and M Saiid Saiidi）
 
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《智能材料與結構》論文摘要
 
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