土木工程在未来的发展方向

土木工程在未来的发展方向 摘要系统分析了土木工程的建设成就和建筑材料、结构型式、设计理论等方面的研究与应 用现状对土木工程的代写土木工程论文未来发展方向从复杂结构型式的研究新材料、新技 术开发与应用岩土锚固技术基于可靠度的设计理论等方面进行了探讨。提出应加强土木工 程各学科间的交流促进土木工程的更大发展。 关键词土木工程现状发展 经过多年的发展 目前土木工程的实践和研究已取得显著成就无论是结构的力学分析还是结构设计的理论和 方法以及结构的施工手段都有了非常大的突破特别是近若干年在高层、大跨结构和钢结构 方面成绩尤其惊人。但展望未来土木工程领域中仍然有许多课题需要我们进一步探讨。 1. 土木工程的现状 1.1 土木工程建设成就巨大 自改革开放以来我国高层建筑的发展进入了一 个崭新的阶段高层建筑不仅在数量上越来越多而且在高度上也越来越高。据初步统计我国 已建成 20 层以上高层建筑物 10 000 多栋超过 100 m 的高楼有 500 多栋 200 m 以上的高层 建筑 50 多栋有 20 多栋超过 300 m。目前我国最高的高层建筑为上海浦东金茂大厦地上 88 层高度 420.5 m 地下 3 层其高度在世界已有建筑物中排第 3 位为钢筋混凝土和钢构架混合 结构。即将动工兴建的上海金融中心大厦地面 94 层、地下 3 层高 466 m 建成后其高度将 超过目前世界最高的吉隆坡佩重纳斯大厦而成为世界第一高度。在世界上前 10 位最高建筑 有 1998 年建成的高 382.2 m 的马来西亚 Plzaz Rakyat 高 381.0 m 的美国纽约帝国大厦遭袭 击倒塌的两栋高 417 m 和 415 m 原美国纽约世界贸易中心吉隆坡高 452 m 的石油双塔楼二 栋芝加哥高 442 m 的 Sears 塔楼高 374 m 的香港中环广场大厦高 368.5 m 的香港中国银行 高 347.5 m 的高雄 TC 塔楼高 346.3m 芝加哥 Amoco 大厦及上海浦东金茂大厦。在建的台北 金融中心高 508m 系钢结构将超过目前高层建筑世界纪录马来西亚石油双塔楼。 公路、铁 路飞速发展十五期间我国将有公路 160 万 km 其中高速公路 2.5 万 km2010 年全国高速公路 将达 3 万 km。我国第 1 条国道主干线京沪高速公路于 2000 年 4 月 20 日客运已全线贯通。 到 2005 年全国铁路营业里程约达 7.5 万 km 首条跨海的粤海铁路通道于 1998 年 8 月 30 日 破土动工全长 542.6 km 国务院批准建设的青藏铁路东起青海格尔木西至西藏拉萨全长 1 118 km 其中多年冻土地段约 600 km 海拔高于 4 000 m 的地段 960 多 km 将成为世界上海拔 最高和最长的高原铁路是西部大开发的又一项标志性工程。 桥梁工程也取得了惊人的成就 伴随着桥梁类型的不断翻新主跨跨度一再突破而斜拉挢的复兴更是桥梁工程的另一个辉煌。 日本的时石海峡大桥 1 991 m 悬索桥、多多罗大桥 890 m 斜拉桥丹麦的海带桥 1 624 m 悬 索桥法国诺曼底桥 856 m 斜拉桥被公认为是 20 世纪桥梁的代表作而载入史册。而杨浦大 桥、南浦大桥、芜湖长江大桥、南京长江二桥等大跨桥梁的建成都标志着我国的大跨结构 达到了一个新的水平已跨入世界先进行列。目前我国已建成千米以上大桥 3 座尚有 2 座正 在兴建中、800 m 以上大桥 8 座、600m 以上大桥 15 座、 400m 以上大桥 40 座重庆万县单 孔跨度达 420 m 的钢筋混凝土拱桥更引起世界同行的莫大兴趣。 1.2 新型建筑材料的开发 与应用 近年来随着高标号水泥的大量生产钢纤维和玻璃纤维混凝土、聚合物浸渍混凝土等 快硬、高强、轻质、复合和节能混凝土的研制复合、新型墙体材料的开发钢化玻璃、多功 能涂层玻璃、双层中空玻璃等建筑用平板玻璃等的发展都带来了土木工程的结构形式、设 计理论和施工技术等方面的新发展。而从 20 世纪 80 年代兴起的碳纤维的应用研究更是土 木工程在这一领域的又一重大突破。国内由吕志涛院士领导的课题组及其他研究机构业已 开展利用碳纤维布对钢筋混凝土梁、板、柱进行加固的研究已取得许多成果标志着我国在 这一领域已处于较为领先的地位。 1.3 预应力技术的应用 20 世纪 80 年代我国预应力技术 已从单个构件发展到预应力结构的新阶段。预应力技术的应用已扩大到大跨度、大柱网、 大开间的多层与高层建筑连续桥、斜拉桥等桥梁结构核电站预应力安全壳、大型预应力储 仓与储液池预应力地锚与预应力管桩等特种预应力结构。预应力技术也是建造大跨度公共 建筑、大型会议展览中心及大开间住宅的重要技术也是高层、超高层建筑和承受特重荷载 如转换层结构、重型传力大梁等的结构中不可缺少的关键技术。预应力技术在解决大、高、 重、新建筑工程的设计和建造难题中发挥着其独特的优势。此外预应力技术还将推动建筑 结构的创新如预应力拉杆替代柱的悬挂建筑结构将获得一定的发展。在公路工程中预应力 技术对解决路面混凝土开裂和减少伸缩缝提高使用寿命具有良好的应用前景。在桥梁工程 中不论是超大跨的悬索桥 1 000 m 以上甚至达 2 000 m、特大跨的斜拉桥 5001 000 m 还是 大中跨度的系杆拱桥 500 m、连续梁桥、刚构桥及小跨度的简支梁桥、板桥都可有效地应 用预应力技术。预应力混凝土更是建造海洋工程的最好材料。预应力混凝土抗裂性高、耐 久性好等优越性将得到充分的发挥预应力技术在海洋采油平台、海洋储罐海上运输船以及 海上防波堤、跨海大桥等海洋工程中将发挥更高的效能。此外预应力技术也将在水利工程 或其他工程如旧建筑的加固改造、加层和拆除中也已获得更多的应用。 1.4 地下空间的建 设与开发 目前世界上最大的地下街是日本东京八重洲地下街共 3 层建筑面积 70 km2 最深 的地下街是莫斯科切尔坦沃住宅小区地下商业街深度在 70100 m 最大的地下娱乐中心是苏 格兰 Varissu 市地下娱乐中心战时可掩蔽 1.1 万人。我国也已有约 20 个城市进行了地铁系 统的规划和具体实施阶段先后提出 25 项地铁和轻轨项目总长度达到 320 km 正在施工阶段。 同时地下空间技术也得到了飞速的发展和提高。目前我国城市地下工程建设主要施工方法 有明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉管法、冻结法及注浆法等这些技术已经达到了国 际先进水平这也为地下空间开发提供了宝贵的经验。 1.5 土木工程的可靠度理论的研究应 用 长期以来人们一直习惯于以安全系数作为土木工程的评价指标。然而安全系数只是一个 由确定的信息得到的一个定值它未能考虑设计变量中任何客观存在的变异性某一特定的安 全系数值对于不同的工程未必具有同样的意义。 考虑实际工程中的不确定因素对工程进行 随机力学分析和可靠度评估具有十分重要的意义。近来随着土木工程理论的不断发展和人 们认识的不断深入工程随机力学和工程可靠度理论及其应用研究已处于一个热门的研究状 态。结构可靠度的计算已由元件可靠度发展到体系可靠度计算方法上有 Monte-Carlo 法、 近似计算方法、界限估计法发展到 Hohenbichler 的降维法、Ditlevse 的 Taylor 展开法、 Comell 的窄界限法在实际应用方面在洪华生 AlfredoH.S.Ang 等国际著名专家的推动下美国 和日本等国家已基于全概率思想考虑投资风险和效益进行结构可靠度动力设计方法的研究 其成果已用于若干高楼的设计。 2.未来的发展趋势 2.1 进一步发展高层、大跨结构 钢结 构将得到加速发展相关的问题将成为研究热点 1 大跨结构体系及关键技术大型复杂结构体 系的现代设计理 2 针对高层钢结构的体系与布置、结构的动力特性、结构的可靠性评价、 结构的空间稳定、各种设计荷载和钢结构可靠度的比较研究 3 研究和开拓各类杂交空间结 构体系和巨型网格结构体系 4 研究各类大跨空间结构的实用分析方法包括结构临界荷载的 分析方法结构实用抗震分析方法常用曲面风载体型系数的计算等 5 革新大跨空间结构的施 工方法发展和推广空间结构的高空悬挑安装法及地面安装、整体提升或顶升的施工安装方 法 6 钢-混凝土组合结构抗震设计研究这方面研究国内外都很少开展 7 钢结构的抗火设计 和防腐设计等。 2.2 防震抗风与减灾 随着超高层、超大跨桥梁和大跨结构等大型复杂结构 的兴建结构设计呈现更长、更高、更柔的发展趋势。许多情况下风荷载和地震荷载已成为 结构设计的控制因素。因此大型复杂结构体系抗风抗震的设计理论及其相关问题将被进一 步关注。相关的研究课题将包括设计地震动及灾害性风荷载的作用机理超高层建筑结构体 系的抗风与抗震特大跨度桥梁的结构体系及抗风抗震。 同时以柔克刚的抗震思想在结构振 动控制技术中将进一步得到体现现代振动控制将向自适应控制、智能控制、吸震减震技术 研究方向发展土木结构健康监测、灾害结构响应控制等基础性的研究将会进一步加强。 2.3 预应力混凝土材料及技术 预应力混凝土材料及技术本身将有所创新和发展并将推动新 材料、新技术、新理论及新设计方法不断涌现。其应用研究将主要体现在以下几方面 1 混 凝土将继续朝高强、高性能方向发展免振混凝土、密筋混凝土可能在结构中试用 2 大直径、 大截面钢绞线的研制、生产超过 2000 级的高强钢绞线也可能推出镀锌、环氧涂层钢绞线将 被采用不锈钢绞线的应用将有大的增长耐久、轻质重量只有钢材的 20、更高强 2000MPa 的高性能纤维加强塑料筋将较多地获得应用碳纤维加劲塑料 CFRP、玻璃纤维加劲塑料 GFRP、芳纶纤维加劲塑料 AFRP 3 新型无粘结 CFRP 预应力筋及体外预应力配筋将得到开发 和应用 4 预应力混凝土结构的耐久性、抗火、抗震、抗爆等性能研究及它们的设计方法研 究 5 预应力混凝土与钢筋混凝土的结合预应力混凝土与纤维混凝土的结合以及其它材料的 结合 6 预应力轻混凝土的发展和预应力混凝土结构的计算理论的完善以及预应力混凝土结 构的拆除、重建方法以及预应力作为结构加固和调整内力的措施的研究 7 发展和推广现代 预应力空间结构体系一是研究和推广应用预应力技术来提升结构刚度调整结构风力的分布 如预应力网格结构、预应力斜拉网格结构二是研究通过预应力技术来形成新的空间结构如 张弦梁结构、张拉整体结构和索穹顶结构等。 2.4 大力发展高性能混凝土 美国混凝土学会 ACI 将高性能混凝土 HPC 定义为具有易灌实、易密实不离析能长期保持优越的力学性质早 期强度高、韧性好体积稳定、在恶劣环境下使用寿命长等所要求性能的匀质混凝土。1992 年里约热内卢召开的地球峰会将可持续发展定义为与地球生态系统相协调的经济活动。指 出对环境无害的混凝土技术的基础赖以建立的 3 个主要支柱是对混凝土原材料的节约、混 凝土耐久性的提高以及混凝土技术从简约法到整体法的转变。因此发展高性能混凝土必须 采用可持续发展的、对环境无害的混凝土技术在研制各种外加剂和胶凝材料的同时更应大 力研究骨料替代、水泥替代和矿物掺料的使用等利用废弃材料来改善混凝土的性能提高其 耐久性的方法。如采用轧碎的废弃混凝土代替碎石用粉煤灰中的飞灰或细灰作硬凝材料采 用炼铁副产品高炉矿碴代替水泥用粉煤灰及高炉矿碴作水泥的混合料或混凝土的矿物掺料 等。 2.5 地下空间可持续开发的研究 进行地下空间的开发主要是改变了地层原始分布状态 从而引发地层内部及地面环境的改变。为使地下空间可持续地开发需研究以下几个问题 1 水文地质条件的改变地下空间结构的建造与形成改变了地下水径流的路线破坏了原有的补 给关系从而改变了地下水资源的分布形式与赋存状态并影响到地表的植被生长 2 地下空间 开发对原有的生态平衡产生破坏作用地下空间开发破坏原有动植物的生态环境从而影响地 理气候条件欲恢复原有生态平衡要进行相关的研究和改造 3 地下空间开发对地面原有建筑 物的安全将产生影响地下岩体工程开挖将破坏原有地层应力的分布无论采用何种技术措施 都要或多或少地影响到地面原有的建筑物的安全。 又由于地面各种建筑物、市政工程等设 施的结构形式、服务年限不同因此即便在相同的变形影响下对各种建筑物的安全影响也不 一致因此在建设之前要进行整体区域与个别建筑设施评价相结合的方式进行相关的研究和 评价以确保建设区地面的安全。 2.6 岩土锚固技术的应用领域将不断扩大 应用研究将进一 步拓展岩土锚固技术除在地下工程、边坡工程、结构抗浮工程、深基坑工程中继续保持着 良好的发展势态外在重力坝加固工程、桥梁工程以及抗倾覆、抗地震工程中的地层锚固则 有着长足的进展同时锚杆锚固机理的相关研究仍为土木工程界的热点和难点包括锚杆锚固 机理的现场实验研究、不同岩体和土体中锚杆锚固机理的数值模拟、锚杆加固边坡和地下 开挖洞室内壁的锚固机理的研究、群锚效应的研究、重复荷载与地震效应对锚杆影响的研 究。 2.7 基于可靠度的结构优化方法的应用研究将成为土木工程中的一个热门 结构优化理 论是 20 世纪 60 年代建立起来的目前已在飞机、船舶、机械等制造行业和重要的大型土木 工程中得到应用取得显著的经济和社会效益。但这种优化方法尚未在土木工程中得到普遍 应用优化的要求也未能在规范中得到体现。从土木工程的性质来看工程的优化设计应包括 以下内容 1 工程项目的可行性分析与论证 2 工程系统的组成和结构选型 3 工程系统的全 局优化 4 基于可靠度的多目标复杂结构优化设计方法 5 工程系统与结构的实施规划和施工 力学 6 工程系统的科学管理和维修 7 工程经济学与设计心理学。 结构的可靠度优化设计 是在传统的优化