本论文的研究课题来源于国家自然科学基金重点项目(项目编号：50238040)。 混凝土是土木工程中应用最广泛的结构材料，重大工程结构的使用期长达几十年、甚至上百年。但常见的混凝土工程结构往往处在环境、气候较为恶劣的情况下，尤其是水工混凝土建筑物如混凝土坝等结构，温度荷载是其主要荷载之一，温度的正负交替会引起结构的不均匀变形、裂缝、冻融破坏、疲劳破坏等，这些因素将影响结构的正常使用甚至引发灾难性的事故。另外，混凝土结构在长期的服役过程中，由于荷载的作用、徐变、结构内部温差等多种因素的影响，存在结构变形，这种变形有时会影响结构的正常工作。如常磁悬浮列车的线路路面的苛刻平整度要求问题，由于温度变化所引起的路面桥梁结构的徐变而影响列车的速度和全天候运行。因此，重大土木工程结构和基础设施的诊断与控制方法与技术已成为土木工程领域的重要研究课题。 以混凝土结构的温度、变形自调节为目的，研制了集功能特性与结构性能于一体的机敏混凝土叠层梁结构，并从理论分析、数值模拟、实验等多方面进行结构的驱动、传感功能以及结构自检测、自调节等若干问题的研究。本文的主要成果及创新之处如下： 1、利用碳纤维机敏混凝土的功能特性，并利用叠层结构的功能可复合性与材料特性可设计性，研制了集传感与驱动等功能特性和结构性能于一体的碳纤维(毡)机敏混凝土叠层结构，并通过实验研究分析了叠层梁的电热效应和电热响应，得到叠层梁的电热驱动规律，为结构的温差、变形调节提供实验依据。 2、将输入功率处理为热传导边界条件，建立了机敏混凝土叠层梁电-热-力耦合问题的数学模型，并结合热弹性理论获得了机敏混凝土梁结构内部温度场、应力场及变形响应的解析解。结果显示：碳纤维机敏混凝土覆层电热效应驱动下的梁内温升及变形与输入功率成正比，变形主要由梁上下表面的温差引起，稳定温差导致梁稳定的变形；并将该解析解与实验进行了对比，其结果与实验结果规律相同。该解析解为机敏混凝土结构温差与变形自调节提供了重要理论基础。 3、建立了混凝土叠层梁电一热一力祸合的有限元平面和三维模型，利用Marc有限元软件进行数值计算，将所得结果与解析结果及实验结果进行比较，进一步验证了理论模型的可行性和有限元数值模拟的有效性。在有限元数值模拟过程中，分别对有钢筋和无钢筋的机敏混凝土结构的电、热性能的影响进行了分析。结果显示:由于混凝土的热学参数与力学参数与钢筋相差甚远，导致有筋叠层梁的电热温度场及变形与无筋叠层梁不同，在箍筋附近的表面，发热面温度比无筋处略低，而低温面则相反:梁的变形比无筋叠层梁小;但钢筋对结构的电性能无明显影响。该问题的研究为实际钢筋混凝土结构的运用打下必要的基础。 4、通过对碳纤维机敏混凝土的温敏性、以及温敏混凝土的布置设计研究，从结构层次上首次实施了碳纤维水泥基复合材料的温度、温差、变形自监测、温度与变形自调节的功能。具体研究了短切碳纤维(毡)混凝土叠层梁的温敏性和Seebeck效应，并实施了温度、温差在线检测;提出了在温度调节过程中，叠层梁变形检测的温度补偿。 5、针对电热作动系统大惯性、大迟延的特点，提出了采用模糊与神经网络相结合的控制方法对叠层梁的温差、变形进行调节:并通过实验研究了叠层梁的温差与变形的自调节，从实验结果可知，利用碳纤维机敏混凝土覆层的电热效应及热力效应，能有效、准确地实现梁结构的温差、变形调节。 本文研究成果，对机敏混凝土结构的自诊断与自调节的应用具有重要指导意义，对智能混凝土的发展具有一定的推动作用。