浅谈21世纪土木工程的发展趋势

浅谈21世纪土木工程的发展趋势

21世纪是高科技时代。有人说,21世纪是信息科学时代,也有人说,新世纪是生命科学时代。但是,工业要发展,人民生活要提高,要建厂房、造住宅,要挖隧道、架桥梁。因此,土木工程将继续发展。那么,21世纪的土木工程将如何发展?土木工程在21世纪将引进更多的高新技术,促进提高、创新和发展;同时,它将保持其自身的特点,不可能完全偏离已有的方向发展。因此,对中国土木工程发展现状的了解是十分重要的,只有认识现状,才有可能预测未来。1年中国工程发展概况中国的土木工程建设从20世纪50年代起一直没有停过,且发展很快,尤其在改革开放20年间,发展极为迅猛,几乎整个中国成了一个大的建设工地。新的高楼大厦、展览中心、铁路、公路及桥梁、港口航道及大型水利工程在中国各地如雨后春笋般地涌现,新结构、新材料、新技术大力研究、开发和应用。发展之快,数量之巨,令世界各国惊叹不已。1.1结构体系及转换层结构应用人们往往会把高楼大厦与现代化联系在一起,这是自然的。随着经济的发展,城市化程度将越来越高,随之,城市用地日趋紧张。因此,在城市中心区,不得不大量建造高层建筑,并且越建越高。据不完全的统计数字,中国大陆已建成的20层及以上的高层建筑已超过10000幢,而超过100m的高楼已超过500幢,其中,上海金茂大厦,88层,高421m;上海环球金融中心大厦,95层,高460m,十分突出。最近20年,高层建筑不仅越建越多,越建越高,而且其结构体系及布置形式也日趋多样化。以往,多为框架结构剪力墙结构和框架—剪力墙结构以及框架—筒体结构等体系;近几年,巨型结构、转换层结构、悬挑结构及高层大跨框架结构等体系也相继出现。如深圳香格里拉大酒店,33层,114m高,采用了巨型框架结构,每隔6层设置一道大梁,将6层的楼面荷载传至巨柱上,巨柱由筒体形成。最近,正在设计建设中的南京多媒体通讯大楼,32层,140.5m高,也为巨型框架结构,四角的电梯井筒为其四根巨柱,整个大楼有4道大梁(实为钢—混凝土组合桁架)。长沙中心百货大楼,则为悬挑结构,总高115m,共三道预应力混凝土悬挑大梁,每道挑起6层楼面。重庆中建大厦也为悬挑结构,52层,高192m,中央电梯井筒作为承载柱,悬挑部分为预应力混凝土桁架,每层悬挑结构分别承托8层楼面。前几年建成的苏州八面风商厦,为24层高楼。这是中国第一次在高层建筑中采用24m跨的大跨预应力混凝土框架结构体系,在国外也难见这种结构体系。从抗震考虑,两边的巨柱采用了分体式柱,该高楼的基础也采用预应力技术,为预应力混凝土壁框结构。试验和使用表明,该结构体系性能良好。连体高层建筑在深圳、上海、广州和北京等地相继建成。这类建筑结构体系,体型复杂,改变了单一的方盒子体型格局,很有特色,但其计算分析和结构构造也较复杂。为满足一幢高楼不同用途的需要,常常建造成上面是小开间的住宅、客房,下层为大跨度的宴会厅或商业用房,为此,出现了转换层结构。最近十多年,这种多用途的转换层结构在高层建筑中得到了极广泛的应用。在南京夫子庙地区建成转换层结构体系高楼之后,这种转换层结构体系在江苏高楼建设中被广泛采用,且转换层结构形式也多种多样,江苏省公安厅大楼、苏州工业园区国际大厦、南京娄子巷高层商住楼以及南京山西路金山大厦等高楼中采用的转换层结构体系,分别为预应力混凝土曲梁转换层、预应力混凝土交叉梁系转换层、预应力混凝土厚板转换层、预应力钢—混凝土组合结构转换层。1.2组合钢结构建筑的特点改革开放以来,中国建成了大量大跨建筑、大空间建筑,有单层的,也有多层的。它们大多采用预应力混凝土结构、空间钢结构。现举出部分工程实例。1.2.1跨也是18m20世纪80年初建成的上海色织四厂工程是国内最早、最有影响的大跨多层预应力混凝土结构工程,为6层,双跨,每跨20m的预应力混凝土框架结构,柱距7.2m,解决了“布机上楼”问题,推动了纺织厂房向多层方向的发展。珠海海关联检大楼,连接澳门特区,为大柱网预应力混凝土双向框架结构,纵向7跨,每跨18m,横向5跨,每跨也是18m,即(7×18m)×(5×18m),为三层建筑。这一建筑的另一特点是不设伸缩缝。珠海玻璃纤维厂主厂房,为单层厂房,平面的纵向和横向尺寸都超过100m,采用了大跨度部分预应力混凝土门式刚架结构,由4跨连续组成,31.5m+33.0m+31.5m+14.0m。并且对预应力筋的配置由常见的两段交叉式改为连续的折线式,从而,节省了一半锚具和大量预应力筋。上海闵行影剧院工程,为大空间建筑,平面为正六边形,对角线长28m,采用了预应力混凝土平面交叉梁系屋盖结构。前几年,中国建成了不少大跨度预应力混凝土马鞍形壳板屋盖单层建筑,跨度最大的达30m,并编制有国家标准图。因为它是一种预制的薄壁空间结构,又是直线预应力筋,所以,理论上是很经济的,但因某些原因,目前已很少被采用。北京西客站主站房门楼跨度为45m,其大梁为45m跨的预应力钢桁架结构,其上弦、下弦和腹杆均采用焊接H型钢断面。根据吊装阶段和使用阶段受力的不同,分别在下弦跨中区段、边部受拉斜腹杆和上弦端部区设置了预应力钢索。从而大大减少了用钢量,又改善了使用功能。1.2.2大跨空间结构中国很大部分空间建筑采用了多种形式的钢结构,尤其以网架结构和网壳结构最多。如,首都体育馆、上海体育馆都是大跨度网架结构;而天津体育馆采用了双层球形网壳结构,直径达135m;黑龙江速滑馆的主体结构也采用了双层网壳,其平面轮廓尺寸为86.2m×191.2m采用了由中央圆柱面与两端半圆球组成的双层网壳。中国的大跨空间结构中,悬索结构体系也有一定的发展。如无锡体育馆、吉林滑冰馆都采用了空间双层索系,且在国外索桁架体系基础有所创新。最近几年,随着经济的发展和对外交流的需要,各地纷纷建造展览中心等大型大跨建筑。从而,巨型空间曲线形钢(桁架、拱)屋盖得到了应用和发展。如:正在建设中的南京国际展览中心,建筑面积8.9×104m2,长243m,宽110m,屋盖采用了曲线形空间桁架式钢管结构。楼面则为预应力混凝土结构。1.3建设阶段1999年—公路中国公路建设始于20世纪初,虽不算晚,但是,在1949年之前,发展缓慢。1949年,全国能通车的公路仅8.0×104km。中华人民共和国成立后,公路建设事业逐步发展,并迈入现代化建设时期。到1999年,全国公路通车总里程已达1.34×106km。中国的高速公路起步较晚。经过20世纪70年的规划论证,20世纪80年代中期实现零的突破之后,20世纪90年代得到了较大发展。到1996年底,高速公路通车里程有3400多km,1999年已达1.3×104km。到2001年底,中国将建成高等级公路2.0×104多km。在已建成的高速公路中,沥青路面占主导地位,水泥混凝土路面仅占一小部分。直到1997、1999年分别在南京和徐州出现了两段预应力混凝土试验路。1.4中国地铁现状过去,穿越日本北海道和本州之间海峡的青函铁路隧道(长54km)和穿越阿尔卑斯山的瑞士圣奇达公路隧道长16km)是世界上两条最长的隧道。然而,1999年中国建成了长18.4km的西康铁路秦岭隧道。地下铁道发展也很快。目前,中国已有4个城市(北京、天津、上海、广州)拥有地铁。最近,南京等城市也已经国务院审批,第一期工程正在建设中。1.5中国桥桥的多元建造技术石桥、钢筋混凝土桥和钢桥的类型是多种多样的,中国对各类桥都曾建造过,有的达到国际先进水平或创造了世界纪录。现对拱桥、刚架桥、斜拉桥和悬索桥作简单介绍。1.5.1川万县桥中国已建成跨度100m及以上的石拱桥10座,它们都属于世纪纪录。湖南乌巢河双肋石拱桥跨度为120m。在建的山西晋城—河南焦作高速公路上的石拱桥,跨度达146m。可见中国石拱桥建设屡创辉煌。1997年建成通车的318国道上的四川万县桥是用钢筋混凝土作骨架浇成三室单箱截面的,钢管不外露,桥总长856m,其中主桥结构为上承式、敞肩式拱桥。采用间距为3.8m的5榀钢管混凝土拱架,钢管(无缝钢管)直径为406mm,壁厚16mm,用作拱架的上下弦杆,垂直腹杆和斜腹杆采用型钢。1990年中国建成的宜宾金沙江钢筋混凝土拱桥,跨度为240m,创中承式拱桥世界纪录。这一纪录为1996年建成的广西邕宁邕江桥所突破,其跨度达312m,创中承式混凝土拱桥新的世界纪录。中国还建成多座钢管混凝土作骨架的大跨拱桥,如四川雅砻江170m上承式肋拱桥,浙江金华双龙168m中承式箱肋拱桥。可以认为中国拱桥建造居世界领先地位。1.5.2预应力混凝土连续刚构桥中国虎门大桥系由东引桥、主桥(跨度为880m的悬索桥)、中引桥、辅航道桥和西引桥组成,其中辅航道桥跨度达270m,为两座单桥组成,都为单室单箱预应力混凝土连续刚构桥,行车道宽14.25m,于1997年7月建成通车,当时创了预应力混凝土刚架桥的世界纪录。1.5.3重庆长江二桥1993年1月建成通车的上海杨浦组合(混凝土面板与钢架劲大梁共同工作)斜拉桥,世界注目。1995年1月18日通车前,杨浦桥为斜拉桥世界纪录。1996年中国建成的重庆长江二桥为预应力混凝土斜拉桥,主跨444m,双向4车道,桥面宽24m,跨长居世界预应力混凝土斜拉桥第2位。目前,中国铁路预应力混凝土斜拉桥中,跨度最大的为1981年通车的广西红水河桥,主跨96m。在建的中国芜湖长江大桥主桥,主跨为312m,公铁两用钢斜拉桥。2001年建成,它将改变中国大陆铁路斜拉桥现状。1.5.4日本明石桥已建成的主跨为1385m的江阴长江公路悬索桥已于1999年9月28日通车,按跨长,它仅居世界悬索桥的第4位(前三位为1991m的日本明石海峡桥,1624m的丹麦大海带桥,1410m的英国恒伯尔桥),但其北岸混凝土锚碇的沉井为51m×69m×58m,体积达2.04×105m3,是当今世界上最大的悬索锚碇沉井。正在设计中的镇—扬长江大桥也采用了悬索和斜拉桥组合方案。1.6伊泰普:大型重力坝利用水力发电成本低,不污染环境,尽管其投资大,建设周期长,但仍是发展方向。中国水利资源丰富,亟待开发。长江三峡水利枢纽的大坝为重力坝,高度虽只有190m,但库容大,故建成后的装机容量将超过现今世界最大的巴西和巴拉圭所共有的伊泰普水电站的装机容量(1.26×107kW)约1.5倍,达1.82×107kW。黄河小浪底水利枢纽是另一项巨大的水利工程。其大坝为斜墙堆石坝,最大坝高154m,总装机容量为1.8×106kW。四川二滩双曲拱坝于1998年建成投产,坝高242m,装机容量为3.3×106kW。1.7高400m以上的火炬限于篇幅,本文仅以混凝土电视塔为例来说明。中国20世纪80年代中期陆续建成高度在300m以上的电视塔多座,而高318.5m的南京塔和高468m、居世界第3位的上海塔都是创新的空间框架结构。南京塔则为世界第一座这种形式的电视塔。目前世界最高的电视塔为高553m的加拿大多伦多预应力混凝土电视塔。2延续时间的延续性新世纪,中国的经济将继续快速发展,因此,土木工程建设将继续增长,建设高潮不会突然停止,但会有起伏,也不会无限期地延续下去,不过,还将延续相当长一段时间。譬如,为迎接西部大开发,甘肃省集中力量,全方位地加强基础设施建设,即大搞土木工程,近期全面加快公路、铁路、机场、水利、能源、天然气管道、通讯、广播等建设,2000年固定资产投资将首次突破400亿元。2.1新型高层建筑结构体系的建设将有较大的发展空间21世纪,随着中国对外贸易的迅速发展,外商投资的迅猛增加,贸易中心、金融中心之类的高层、超高层建筑将继续兴建。尽管一些城市(如南京)已作出规定,为保持历史名城和古城风貌,为改善市民的居住环境,不允许在城市中心区继续兴建高楼。但是,从节约土地考虑,高层建筑将继续在城市中兴建。并且,其结构体系将会有新的发展。如:具有优良的抗震、抗风性能的预应力悬挂结构、采用H型钢的钢结构以及钢—混凝土组合结构等新型高层建筑结构体系将会出现。新世纪的建筑,仍将以混凝土结构为主,但是,钢结构,包括型钢混凝土和钢管混凝土等组合结构在高层建筑中的应用将获得推广。混凝土高层建筑或混凝土内芯和周边钢框架组成的高层建筑或桁筒式高层建筑高度可能达到或超过500m。外伸结构在中国的应用将有所推广。局部钢管混凝土柱高层建筑高度可能达到或超过380m,全钢管混凝土高层建筑可能达到或超过350m。随着经济的发展,国际化进程的加快,各、省、市自治区的国际展览中心等大跨度现代建筑将会大力兴建。因此,满足透明等现代要求的第三代玻璃幕墙结构将有较大的发展和应用。住宅建设将朝大开间结构及节能、节材、改善生态环境的绿色建筑的方向发展。运用电子信息科技,加快建筑智能化。不论是高层建筑,大跨建筑还是住宅建筑,在设计和建造中都将更加重视结构抗震及控制。同时,既有建筑物的加固、改造任务将不断增加。采用碳纤维作结构加固材料的技术将被大力推广、应用。2.2中国公路的公路建设缓慢改革开放以来,公路建设尽管有了迅速的发展,但与发达国家相比,还有很大差距,尤其人均公路里程是最落后的,比巴西、印度都少。这意味着今后中国公路建设的任务还相当繁重。譬如,甘肃省为适应西部大开发,加强交通基础建设,仅1999年完成投资达41亿元,其中公路重点建设完成投资30多亿元。可见,公路建设大发展还将持续一段时期。2.3建设西南铁路“五段”中国已有铁道5×104多km。近几年,运输任务日益繁重,列车载重量逐步提高,铁路运输已成为国民经济发展的瓶颈之一。因此,中国铁道建设任务还很艰巨。譬如,中国还将在世界屋脊建设青藏铁路,全长达1100km,在昆明至拉萨间建滇藏铁路,全长达1654km,桥隧总长将达710km。同时,提高列车运行速度,也是中国铁道部门的当务之急。中国第一条150km/h的准高速铁路——广深线1994年投入运营以来,客运量稳步提高。铁路列车提速很有竞争力。因此,中国将会同日本、法国、德国、西班牙及意大利等国那样修建高速铁路。日本已把建设高速铁路的目标从“满足运输需要”发展到“满足国土开发需要”。法国巴黎至里尔的北方线,速度已达300km/h。高速铁路具有速度快、耗能少、安全好、污染小及占地少等优势,也是现代高新技术产业的发展方向。不过,我认为,中国应接受德国的经验教训,他们搞了30多年的磁悬浮高速列车试验,终因经济等原因下了马。2.4结构斜拉桥结构中承式钢管混凝土拱桥跨度可能达到或超过400m;用钢管混凝土作支承骨架的上承式混凝土箱形截面拱桥跨度可能达到或超过450m;格式组合拱桥跨度将超过350m。刚架桥跨度可能达到或超过320m。钢结构斜拉桥跨度可能达到或接近1000m;预应力混凝土斜拉桥将可能达到或接近600m;独塔单索面预应力混凝土斜拉桥跨度可能超过250m。中国铁路隧道将可能超过20km,公路隧道在现有基础上将增大25%~50%。将可能有10多个城市开通地铁,而有些城市将发展轻轨。跨海桥的建造将增多,中国也将是这样。直布罗陀海峡桥将可能兴建。新世纪可能建造3000m或以上的悬索和斜拉组合的钢桥,但索可能采用抗拉强度高的碳纤维或芳纶纤维代替钢材以大幅度减轻(与钢索比较轻80%)其重量。中国也将建成纤维悬索桥。如同建筑物那样,旧有桥梁结构采用纤维加固的场合将越来越多。越江隧道将会在南京、武汉等地的长江江面之下建成。2.5凝土拱坝坝坝区的划分更多地开发水力发电,中国将建设更多的薄拱坝(t/H=0.1~0.15)。混凝土拱坝高度将可能达到或超过300m。发展有混凝土面板的堆石坝(高度可能接近180~200m)和碾压混凝土坝(高度超过155m)。在复杂地形上及震区建坝,坝基处理将更为完善;坝的计算更趋合理,非线性有限元的分析将更为普遍。2.6设计高度约合预应力混凝土筒形电视塔高度将达到或超过560m,预应力空间框架电视塔设计高度将达到或超过500m。预应力混凝土地上储罐的容量将超过2.0×105m3。2.7预应力配筋应用展望以上的工程发展将推动新材料、新技术及新理论、新设计方法的不断涌现。混凝土仍是土木工程中最为重要的结构材料。混凝土将继续朝高强、高性能方向发展。各国都在开展这方面研究。C120强度的混凝土在工地上使用已不是新纪录。称为高强活性粉末混凝土的抗压强度可达200MPa~800MPa,但在工程中实用只能期望150MPa或稍高些。免振混凝土、密筋混凝土可能在结构中试用。纤维加强塑料筋将较多地获得应用,中国也将试用。人们通常称的“RC”即为钢筋混凝土。近年来,人们开始使用碳纤维加劲塑料(CFRP)、玻璃纤维加劲塑料(GFRP)、芳纶纤维加劲塑料(AFRP)。这时,RC就不再单指钢筋混凝土,它可以是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维加劲塑料混凝土。预制预应力混凝土和无粘结预应力筋将分别获得发展和广泛的采用。新型无粘结CFRP预应力筋将得到开发和应用。在中国房屋建筑和桥梁中体外预应力配筋将获得较多应用。同时,新结构的研究和开发面将拓宽,房屋结构与桥梁各种结构之间的交叉、借鉴也将有所发展。由于计算机的发展,结构体系将更多地考虑空间作用和非线性。此外,建筑废弃物也将在一定程度上得到处理及利用。3促进可持续发展的原则在土木工程的各项专业活动中,都应考虑可持续发展。这些专业活动包括:建筑物、公路、铁路、桥梁、机场等工程的建设,海洋、水、能源的利用以及废弃物的处理等等。现代社会经济的高速发展,特别是城市化进程的加快,以混凝土、钢铁和玻璃幕墙为代表的现代城市建筑正在无节制地扩张,造成了环境破坏和人与自然的不协调。因此,建筑师和土木工程师应努力树立可持续发展的建筑观,推行有效利用自然资源(如太阳能、自然通风、节能技术、材料循环利用等)的设计技术,实现现代建筑的建设以保障生态系统的良性循环为原则,真正使绿色建筑走近人们的