土木工程前沿结构与创新

结构工程学科前沿2021/5/91

结构工程学科结构工程学科体系结构工程学科研究前沿结构工程学科发展重点结构工程随着社会生产的发展和人类活动的需要而发展，其基本内涵包括结构分析、结构实验、结构设计、结构施工、结构检测与维护等诸方面。2021/5/92结构性能控制结构可靠度理论结构抗灾性能研究结构分析、计算与设计理论结构工程基础理论研究结构健康监测、诊断与安全评估数字模拟试验技术动力与拟动力试验技术静力试验技术结构试验技术研究地下结构及隧道工程桥梁结构新型建筑结构钢-混凝土混合结构钢结构混凝土结构工程结构应用研究施工控制施工力学新工艺、新工程、新理论、新方法施工技术研究1、结构工程学科体系2021/5/932.1挑战结构极限2、结构工程学科研究前沿（1）更高层的建筑：建成于西方经济危机时期，成为美国经济复苏的象征。

当时世界最高双子塔；911事件中，在恐怖袭击中相继崩塌。

目前世界最高的双子塔；两主楼间有一座长58.4米、距地面170米高的空中天桥。1998年吉隆坡双子塔452m地上88层1931年美国纽约帝国大厦高381m102层1972年美国纽约世贸中心高417m110层1974年芝加哥西尔斯大厦高442m110层2003年台北市101大厦508m101层在89-92楼层挂置一个重达66吨的巨大钢球，利用摆动来减低建筑物的晃幅。2008年美国纽约新世贸中心自由塔541m

目前世界第一高楼，耗资近20亿美元，拥有最高的游泳池和清真寺。2010年阿联酋迪拜塔828m162层2021/5/94钢筋混凝土薄壳、空间网架结构快速发展。20世纪后期，随着新材料、新工艺的开发，特别是计算机技术的广泛应用，空间结构形式更加丰富多彩。（2）更大跨度的空间结构：2.1挑战结构极限美国路易斯安娜圆顶体育馆(直径208m，1975年)中国国家大剧院（212m×144m，2007年）2021/5/95更大的跨度：研究大跨度桥梁在气动、地震和行车动力作用下其结构的安全和稳定性，拟将截面做成适应气动要求的各种流线型加劲梁，以增大特大跨度桥梁的刚度；正在建设的著名大桥有土耳其伊兹米特海湾大桥（悬索桥，主跨1668米）；已获批准修建的意大利与西西里岛之间墨西拿海峡大桥，主跨3300米悬索桥。更柔的承载：采用以斜缆为主的空间网状承重体系；采用悬索加斜拉的混合体系；采用轻型而刚度大的复合材料做加劲梁，采用自重轻、强度高的碳纤维材料做主缆。重视桥梁美学及环境保护：桥梁结构必将更加重视建筑艺术造型，重视桥梁美学和景观设计，重视环境保护，达到人文景观同环境景观的完美结合。（3）更大跨度的桥梁结构：2.1挑战结构极限2021/5/96（4）复杂组合结构：2.1挑战结构极限组合结构：同一截面或各杆件由两种或两种以上材料制作的结构称组合结构。多见的钢与混凝土组合结构，使混凝土与型钢形成整体共同受力。英国伦敦·格林威治半岛·千年穹顶混凝土+钢+张力膜(玻璃纤维织物)结构

组合结构已经和钢结构、木结构、钢筋混凝土结构、砌体结构并称五大结构。组合结构主要包括压型钢板与混凝土组合板、组合梁、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构等。2021/5/972.2新型材料的研究应用2、结构工程学科研究前沿在历史上，工程材料的进步往往使结构发生质的变化。从使用土、木、石料到使用钢材、混凝土材料，结构工程实现了一次飞跃。随着材料科学的发展，有望产生能供人类大量使用的、高效、环保、节能的新型材料。转炉炼钢法(1859年)和钢筋混凝土(1867年)的问世，促进了近代土木工程的发展。1886年美国首先采用了钢筋混凝土楼板。1900后开始出现大量的高层建筑和公共建筑：纽约帝国大厦（102层，1931年）。2021/5/98新型建筑材料是在传统建筑材料基础上产生的新一代建筑材料。新型建筑材料主要包括新型建筑结构材料、新型墙体材料、保温隔热材料、防水密封材料和装饰装修材料。凡具有轻质高强和多功能的建筑材料，均属于新型建筑材料。即使是传统建筑材料，为满足某种建筑功能需要而再复合或组合所制成的材料，也属于新型建筑材料。

新型材料具有轻质、耐久、高强、高弹模等特点，但在新材料的发展仍处于酝酿阶段的过程中，钢材与混凝土等传统材料的改进仍将占据重要地位，高性能混凝土、高性能钢材等材料的发展和进步仍将受到人们的高度重视。2.2新型材料的研究应用2021/5/99混凝土按强度大致可分为三类:①普通混凝土:20~60MPa;②高强混凝土:60~150MPa;③甚高强度混凝土:大于150MPa。普通混凝土目前已普遍使用，高强混凝土正进入使用阶段，甚高强度混凝土尚处于试验研究阶段。在高强混凝土中，高效减水剂的使用使混凝土水灰比达到其需水量的最低值，且又保持良好的流动度，可以用预拌方式生产甚至用泵送工艺浇注。而超细硅粉的掺入填充了混凝土内的空隙，消除了混凝土中的微小气孔。通过掺加粉煤灰、硅灰、磨细高炉矿渣等工业废料作为辅助胶凝材料，使这种混凝土不仅高强，而且具有很好的抗渗性和体积稳定性。2.2新型材料的研究应用——高强混凝土2021/5/910

高强混凝土正在推广应用,如1982年美国芝加哥商业交易楼混凝土强度达96MPa。高强混凝土的应用,使结构截面大大减小,如C120混凝土立柱的截面可比C60混凝土立柱的截面减少68%。高强混凝土早期强度增长快,110MPa的高强混凝土在12h后即可达到40MPa强度,这就可以缩短构件的拆模周期,及早施加预应力,同时简化混凝土施工工艺。由于高强混凝土材料结构非常致密,能增加其抵抗化学侵蚀能力及耐磨性能。高强混凝土又能承受较高的预压应力,所以能增大施加的预应力,并减小结构尺寸。2.2新型材料的研究应用——高强混凝土2021/5/9112.2新型材料的研究应用——高流动度混凝土桥梁结构的复杂性，对高强混凝土在预拌中的工作性能提出了更高的要求:良好的和易性，优良的可泵送性及较少的塌落度损失。

硅粉及粉煤灰的玻璃微粒对预拌混凝土产生微集料效应，起到润滑混凝土料的作用。各种减水剂的应用使混凝土具有良好的和易性,可改善混凝土的泵送性能,减少混凝土的离析和泌水。为了减少施工过程中的塌落度损失,在预拌混凝土中掺入1%~3%的载体流化剂,可控制其塌落度在2.5h内不变。2021/5/912阻滞裂纹扩展、消耗裂纹扩展能是增加高强混凝土韧性的有效途径。应用聚合物、纤维材料、柔性粉末材料作为掺合料的混凝土改性复合材料,可使混凝土的韧性、抗冲击性能、抗拉强度、耐久性得到明显提高。

聚合物混凝土，是在混凝土生产过程中掺加一定数量的聚合物乳液形成的一种混凝土,可以较好地提高混凝土的抗折强度、耐久性、抗腐蚀能力,降低脆性。在混凝土中掺入1%~2%(混凝土体积比)的钢纤维形成的钢纤维混凝土，明显地提高了混凝土的抗拉、抗折强度,增加它的延性和韧性,改善抗冲击、抗震性能。粉煤灰陶粒钢纤维混凝土复合材料兼有陶粒混凝土的轻质和钢纤维混凝土的优良性质。柔性粉粒(如橡胶粉)能有效地提高混凝土的抗冲击性能。选择合适的掺加材料,可改善材料与混凝土的界面性能,促使材料在混凝土基体中高度分散,使高强混凝土既有高强度,又有良好的韧性和耐久性。返回2.2新型材料的研究应用——混凝土复合材料2021/5/913

在过去的十余年，FRP（FiberReinforcedPlastics、纤维增强复合塑料）在结构工程中的应用及其相关的研究即得到了迅速的发展，在国内外形成了令人瞩目的热点。从最初作为结构加固补强材料，到向作为主要结构受力材料发展，FRP复合材料与结构正在经历一个迅速发展的时期。

CFRP碳纤维增强复合材料(CarbonFiberReinforcedPlastic)的缩写，特点是轻质高强，比如F1赛车、波音787客机……GFRP（GlassfiberReinforcedPlastic，玻璃纤维增强塑料，或玻璃钢）。GFRP具有良好的电绝缘性能和粘结性能，较高的机械强度和耐热性，可塑性极强，成型收缩率小，体积较轻，施工方便。AFRP：芳纶纤维增强复合材料。2.2新型材料的研究应用—FRP2021/5/914碳纤维瓦玻璃钢雕塑2021/5/915FRP复合材料在土木工程领域的应用快速增长，可用于包括柱、墙、梁、板及面板的抗震及补强加固，新的增强构件、结构形式及结构体系也正在研究、开发和应用。1、建筑工程应用结构设计正转向基于性能的设计，对结构及材料性能的要求也提高了。FRP材料已用于新建结构的框架以提高其结构性能，还被大量应用于旧有民用建筑的维修加固。2、岩土工程应用FRP纤维复合材料在长期恶劣的地质条件下具有良好的耐腐蚀性能，已广泛用于加筋土中；FRP复合材料易被掘进机具切断，故可用于盾构法掘进竖井的混凝土墙、土钉及临时支护用的复合材料地锚，如用钢锚则会导致挖掘机机头的断裂。因GFRP复合材料价格低廉，安装方便，耐久性强，已用于潮汐变化的干湿交替的挡土墙、地基锚杆及喷射混凝土筋等。2021/5/9163、桥梁工程中应用FRP复合材料应用于桥梁工程起始于70年代末和80年代初期。可用作悬索桥及斜拉桥的缆索、预应力混凝土桥中的预应力筋，甚至可以用于整个桥梁体系；另外在桥梁补强加固方面也有应用。4、海洋结构和近海结构应用海洋结构和近海结构的腐蚀问题一直比较突出，对于钢结构更是如此，因而采用抗腐蚀性能良好的FRP可以很好地解决该问题，具有很好的发展前景。在建的海洋钢筋混凝土结构，采用最厚的混凝土保护层（一般为150mm左右，相当于陆地混凝土结构保护层的5倍以上）及防腐措施，其对内部钢筋防氯盐腐蚀也仅有15年左右，这与永久或半永久性的海洋结构耐久要求相距甚远。采用FRP混凝土或FRP-混凝土组合结构就可以从根本上解决海洋工程中的钢筋（钢材）腐蚀问题，其重大意义不言而喻。2021/5/917板材类注重环保

砌块类增加抗震砖类产品

门窗节能节能屋面保温绿化

外墙外保温挤塑板

六类新材料2.2新型材料的研究应用——建筑材料2021/5/918一、外墙外保温，挤塑板效果最好

外保温技术就像给建筑穿上了一层棉袄，节能效果明显大于保温技术。（通过空调孔可直接观察其使用材料）挤塑聚苯板聚苯板钢丝网架聚苯板2021/5/919二、屋面保温，兼具绿化功能中空玻璃种植屋面三、门窗节能，隔音效果好2021/5/920碧桂园集团新总部大楼位于广东佛山市顺德区碧桂园大道1号。2021/5/921四、砖类产品一般常见的砖类主要有空心砖、加气砖、多孔砖等。形状为方型，以孔洞数量和材料决定节能高低。节能砖主要以粘土、页岩、煤矿石、粉煤灰等材料为主要原料，经熔烧或压制成型。由于成本问题，多数建筑在施工过程中，使用多孔砖较多。节能砖保温隔热性能好，导热系数一般为红砖的四分之一至五分之一。多孔砖加气砖空心砖2021/5/922五、砌块类产品，增加抗震能力

多用于住宅和公共建筑的非承重墙体，砌块外部密封，内部多为空心材料，形状为多排孔、矩形条孔等。体积比砖体积大，砖体壁厚>30cm用于承重墙，<30cm用于非承重墙。保温砌块石膏砌块2021/5/923六、板材类产品，注重环保

用在室内隔墙或分户隔墙，属于节能板材类产品，厚度一般在90mm以上，因此一般墙体都会显得很“单薄”，敲起来回音比较大。轻质隔墙使用较多的有纤维水泥板，轻集料混凝土条板，纸面石膏板，石膏空心板（卫生间禁用）等。这种材料对隔音、保温、强度的要求较高，墙体内部填充介质要求较严。纤维水泥板

纸面石膏板2021/5/9242.3结构实验技术的发展2、结构工程学科研究前沿结构实验：对工程结构或构件采用加载或其他方式进行试验，测量结构或构件的内力、变形、转角、支座位移、频率、振幅等，用以核对其设计要求或检验其是否安全可靠，并为探索结构新领域和发展工程结构理论的手段和基础。结构工程学科发展进程中，结构实验及其技术的发展具有基础性的地位。

18世纪法国科学家用简支木梁沿中性轴上横断面开槽，塞入硬木块，作受弯承载能力试验，证明了跨中截面上翼缘受压、下翼缘受拉、中间有一中性层，使材料力学中受弯构件截面应力分布计算式在1940年代得以确立。

19世纪初，工程结构得以用试加荷载的方法探求其工作状态和可靠性。由于生产和运输业的发展，仪器设备的研究和改进，大跨结构的出现，促使工程结构试验开始建立定量试验方法，并推动工程结构计算理论的发展，使工程结构试验成为一门独立学科。

20世纪后期，结构实验技术最重要的进展体现在拟动力实验技术、多轴和快速加载技术、多种灾害与作用的综合模拟技术（如水下振动台、振动台和快速拟动力结合的混合实验技术）等。2021/5/9252021/5/9262021/5/927结构试验的目的：研究性试验鉴定性试验检测类试验试验目的验证基本假定和计算理论创立新的结构理论制定过程技术标准检验产品、设计和施工质量确定已建结构的承载能力验证结构设计的安全度①材料强度值②内部缺陷（裂缝、空洞等）③几何尺寸（钢筋位置，保护层厚度，板厚等）④匀质性检测与控制⑤建筑物理特性（热工、隔声、防水等）2.3结构实验技术的发展2021/5/928结构试验的分类：试验对象原型试验模型试验小构件试验足尺、现场（投资大、加载复杂、周期长）通常缩尺（符合相似理论：几何、力学、材料）构件试验与计算对比（可以不符合相似理论）荷载持时混凝土的徐变、预应力钢筋的松弛、结构受温度变化的影响（几个月或几年时间）

中国建筑科学研究院短期荷载试验长期荷载试验只有几十分钟、几小时或者几天2.3结构实验技术的发展2021/5/929静力试验动力试验荷载性质单调静力荷载试验低周反复荷载试验（伪静力）拟动力试验疲劳试验动力特性试验地震模拟振动台试验风洞试验静力试验的特点：

加载设备相对来讲比较简单，荷载可以逐步施加，还可以停下来仔细观察结构变形的发展，给人们以最明确、最清晰的破坏概念。动力试验的特点：

由于荷载特性不同，动力试验的加载设备和测试手段与静力试验有很大的差别，而且要比静力试验复杂得多。结构试验的分类：2.3结构实验技术的发展2021/5/930大型化电液伺服压力试验机（5000t）振动台大型风洞大型离心机大型火灾模拟试验系统

多向、不同步（行波、多点输入）、动力美国——“远程地震模拟网络”

结构工程+地震工程

+计算机科学+信息技术+网络技术

测试技术——传感器和数据采集技术高精度、抗干扰、性能可靠无线通信智能传感器——健康检测高速数据采集仪——爆炸、冲击试验长时间、大容量数据存储计算机仿真远程化智能化2.3结构实验技术的发展2021/5/931互联网技术的快速发展，为结构实验技术的发展提供了新的机遇。基于互联网的通讯技术可以提供大量数据传输和共享的功能，能为异地实验室、设备之间的控制和反馈提供接近实时的通讯手段。这一背景，为利用互联网进行远程结构协同实验提供了可能，正在形成世界范围内的关注焦点。2003年，美国国家自然科学基金启动的“地震模拟联网”（NetworkforEarthquakeEngineeringSimulation）建设计划，即是在这一思想背景下的产物。该项目总投资达到八千多万美元，设备站点建设项目涉及美国20所高校与科研机构。2004年，日本与韩国合作，启动了日韩“远程拟动力实验系统”建设。同年，我国国家自然科学基金支持的重点项目“土木工程现代结构实验技术与方法”中，将远程结构协同实验列为重要研究内容。

与此同时，大型多功能实验机、多点多自由度地震模拟振动台、模拟复杂环境的结构实验室、现场试验技术等，近年以来也正在成为实验技术发展的新的亮点。2.3结构实验技术的发展2021/5/9322.4结构耐久性及结构健康监测2、结构工程学科研究前沿

【结构耐久性】在预定作用和预期的维护与使用条件下，结构及其部件能在预定的期限内维持其所需的最低性能要求的能力。【结构健康监测】是指对工程结构实施损伤检测和识别。我们这里所说的损伤包括材料特性改变或结构体系的几何特性发生改变，以及边界条件和体系的连续性，体系的整体连续性对结构的服役能力有至关重要的作用。工程结构的安全性与可靠性，应当综合考虑材料性能、环境作用、施工技术等因素，还应综合考虑结构管理、维护、维修与加固改造技术的发展。因此，需要根据结构在其生命周期各个阶段所面临的风险以及功能要求的不同，建立综合考虑工程建造、结构使用和老化结构三个阶段的“全寿命周期综合设计”新理念。其中，对于结构的耐久性和结构健康监测的研究，构成了近年来结构工程研究发展的热点。2021/5/933在结构耐久性的研究中，关于混凝土结构的耐久性研究引起了广泛的关注。根据结构工作环境情况、破损机理、形态以及传统经验，可将混凝土结构的工作环境分成6大类：①大气环境；②土壤环境；③海洋环境；④受环境水影响的环境；⑤化学物质侵蚀环境；⑥特殊工作环境。混凝土结构产生耐久性失效，系源于混凝土在外部环境作用下，材料物理、化学性质渐渐的发生变化，从而导致结构承载能力逐渐退化，最终影响到整个结构的安全。

根据不同的设计使用年限及其相应的极限状态和不同的环境类别及其作用等级进行；同一结构中的不同构件或同一构件中的不同部位由于所处的局部环境条件有异，应予区别对待；结构的耐久性设计必须考虑施工质量控制与质量保证对结构耐久性的影响，必须考虑结构使用过程中的维修与检测要求。2.4结构耐久性及结构健康监测2021/5/934由于重大工程结构和城市生命线工程基础设施的服役年限较长，在服役期内要经受各种环境作用、腐蚀效应及材料老化等因素的影响，结构与系统在服役期内将不可避免地产生损伤、演化与损伤累积。在一定条件下，这种累积过程可能导致突发的灾难性事故。因此，如何有效地进行重大工程结构的健康监测、损伤识别、运行可靠性评估与结构安全预警，开始成为当代结构工程研究的重要课题，并已开始出现了成功应用的范例。例如：1995年，美国投资1.44亿美元在90座大坝上配备了安全监测设备。2002年，日本在一些高层建筑上布设健康监测系统，用以监测结构的完整性与地震反应。2003年，意大利在将要举行2006年冬季奥运会的Susa河谷，对其生命线工程系统初步布设了监测系统。

国内目前发展的：桥梁监测、大坝监测、管道、地铁、高速铁路、高层房屋监测等。2.4结构耐久性及结构健康监测2021/5/9352021/5/936结构工程与其它学科的交叉、融合引发出的新概念、新理论和新方法，为创造新的结构形式和体系提供了重要基础。结构健康监测技术发展密切相关的智能结构的发展。智能结构系统包括了结构健康监测与诊断系统、结构控制系统和结构损伤修复系统，所涉及的领域包括结构状态的信息采集、传输和处理技术，结构状态及损伤的分析与识别理论，结构控制技术和智能工程材料等，体现了现代学科交叉、融合的特征，是一个值得加以推动的重要研究方向。近年来，混凝土结构的耐久性设计方法成为研究的重点方向。提出了基于性能的耐久性设计方法。建立考虑多种因素的结构承载力和变形的经时变化模型，准确描述工程结构在使用周期中耐久性能的变化规律，是混凝土耐久性研究的重点、热点与难点。现有的混凝土结构耐久性的研究状况表明：目前的研究成果主要还局限在构件层次，结构层次上的耐久性研究，则刚刚起步。结构耐久性及结构健康监测发展趋势2021/5/9372.5精细化的结构分析理论2、结构工程学科研究前沿在传统静力线性分析问题得到基本解决的基础上，20世纪后期结构分析理论的研究与进展主要集中在结构动力分析、非线性分析、结构稳定性分析、结构优化和结构可靠度研究方面。对这些关键科学问题的研究，直至今天，仍然属于结构工程领域的前沿与热点问题。结构动力分析：主要集中于与工程相结合的地震工程与风工程研究。随机振动分析虚拟激励法密度演化理论结构非线性分析：结构物理非线性问题、结构性态软化后数值分析难题、本构关系尚未达到足以反映结构复杂受力性态的水准。结构稳定性分析：静力稳定分析动力稳定性问题结构可靠性分析：将结构荷载效应与结构抗力统一起来，并定量加以描述、形成结构设计基础。（同济大学李杰）

2021/5/9382.6精细化的结构分析理论2、结构工程学科研究前沿在20世纪初叶，许用应力设计，分析的基本理论依据是弹性理论。20世纪40～50年代，主要是出于经济性的考虑，开始接受承载力极限状态设计思想，采用结构塑性分析理论。20世纪70年代中期，在极限状态设计思想基础上，逐步加入了对于结构荷载、材料性质不确定性的考虑，发展了基于概率的极限状态设计理论。20世纪90年代中期，在地震工程领域内提出了基于性能设计的观点。2021/5/939为了实现基于性能设计理念，下述研究工作将是基本的：（1）结构性态水准的确定：需要在结构受力全过程和结构寿命全过程范围内研究不同层次、不同目标的结构性态水准；（2）投资－效益准则的研究：需要针对不同类型结构，在工程结构－工程系统两个层面上分别建立投资－效益准则。在风险分析的基础上，依据投资－效益准则确定结构设防标准；（3）结构可靠性的确定：利用结构可靠度，统一结构荷载效应与结构抗力性能，实现结构层次的可靠度分析与评价。在这里，不仅