报告者：李惠教授
笔记整理：马骋
日期：20160229

概述

土木工程从业务过程可以分为：

• 设计
• 建造
• 维护
• 报废

以下从这四个方面讨论土木工程的学术前沿问题。

设计

土木工程的设计阶段主要考虑

• 材料
• 构件
• 结构体系
• 研究手段

材料

材料是土木工程的根基，材料层面的创新是最根本的创新。混凝土和钢材的生产和推广诞生了现代的混凝土和钢结构。

材料分类：

• 结构材料，承重，承担荷载；
• 维护材料，墙面，屋顶；
• 功能材料；

案例：

• Apple公司的玻璃建筑；
• 黑色沥青路面对青藏高原冻土的影响；
• 石墨烯除冰材料，铺设在有水的地方，通电之后迅速融冰；

材料方向的研究很容易产生影响土木工程发展的重大成果。

构件

构件是结构的基本单元，构件层面的研究主要根据工程的需求，研究设计性能更好的构件构造。

剪力墙的改进案例：

• 钢筋混凝土剪力墙，地震容易局部损坏；
• 钢板剪力墙，四角容易屈曲；
• 组合剪力墙（钢板嵌入混凝土），施工不便；
• 组合剪力墙（钢板中间夹混凝土），钢板外侧不受约束；
• 组合剪力墙（钢板两侧螺栓锚固），混凝土受约束，钢板防屈曲，性能最优化；

构件的研究是面对工程问题不断改进的过程，优化的结果由力学性能和成本决定。

结构体系

构件的合理搭配形成结构。

结构工程的前沿：

• 装配体系

现浇施工工期太长，人员成本高。装配体系在工程预制构件，现场拼装，未来的结点也可以预制，现场通过螺栓装配连接。
装配体系需要研究构件的强度、刚度组合，使得装配结构在以我们预期的破坏形态破坏。
桥梁结构的建造早就采用了装配施工。

• 组合结构

组合结构研究的目的是结合混凝土与钢结构的优势，降低制造成本提高结构性能。欧美发达国家很少做组合结构，经济允许，主要做钢结构。
结构体系的研究目标是：在结构系统的全寿命周期实现性能和经济的平衡。
全寿命 = 设计 + 建造 + 监测 + 维修 + 报废

• 自恢复结构

在地震作用下，不仅耗能减振，还能在地震结束后恢复残余变形，回到原点。
特征滞回曲线向原点闭合，基本的原理如同形状记忆合金。

• 可更换结构

关键耗能构件可更换，灾害后更换构件，即可恢复正常使用。

力学分析

力学的分析包括：

• 静力分析，传统分析手段
  • 强度
  • 刚度
  • 稳定性，钢结构的细长杆
• 动力分析
  • 疲劳
  • 地震工程，非线性分析，动力学，
    此处的非线性+动力学实际是经典非线性动力学，而非现代非线性动力学；
  • 风工程，流体力学+空气动力学；
  • 热力，爆炸、火灾

以上动力分析的抗风、抗震、爆炸问题属于灾害学领域。

灾害学

灾害学的前沿是多灾害防御，多灾害并非多种灾害同时发生，而是多种灾害在逻辑和时间上存在关联。典型的多灾害问题：

• 地震+海啸

海洋地震往往诱发海啸，地震海啸是海洋结构经常遇到的问题。地震造成结构损伤后，海啸带来二次破坏，破坏机理值得研究。
海洋结构: 海洋平台，海洋风力电塔；

• 地震+火灾

钢材怕火，一般有混凝土保护层，但在地震之后，混凝土往往开裂，地震诱发火灾会直接侵害钢筋和钢材。
高强混凝土不耐火。

• 风雨振

在低风速（5-12m/s）+中等降雨情况下，斜拉桥拉索会激发强烈颤振。
风雨振 ~= 最大风+最大降雨
我们往往关注最大风速和最大降雨，但风雨振问题需要研究特定风雨组合的概率分布。

研究手段

土木工程的研究手段主要有：

• 实验（experiment）
• 数值模拟（simulation）
• 理论推导（theory）
• 现场试验-结构监测（structural monitoring）

土木工程的研究手段（工具）本身也是研究对象。

实验技术

缩尺的模型实验不能反映正式结构的状况：

• 雷诺数差数量级；
• 导流板尺寸效应；

由此产生了两种现代结构试验技术：

• 拟动力子结构试验

最早源于日本，在结构中取出受力的关键部位（如抗震研究，取出结构底层），进行设备加载，其余结构进行数字计算求解。数值模拟与试验交互，降低成本，提高分析效率。

• 混合试验

美国提出混合试验，将大型结构分解为多个子结构，在不同的试验机构（大学、研究所）分别进行试验。实际运行效果不好，难以协同。没有带来实际的技术进步，现已停止项目。

数值模拟

数值模拟的的核心是提出或改进算法。
国外的研究者普遍自行编制研究程序，而不采用成熟的商业有限元软件。数值计算问题还有很多难点有待解决。

理论推导

一流的研究成果一定要达到数学的层面。
解析解一定是最漂亮的。理论推导贯穿研究的全局。

2004访学Caltech，那边教授的研究成果均以公式推导的形式展示。

现场试验

现代的结构健康监测，在真实的结构，真实的荷载下获得结构响应输出，其实质相当于现场试验（欧进萍院士提出）。

现场试验与传统试验的差别：

• 试验对象，真实结构vs模型构件
• 试验荷载，真实的车辆荷载、风荷载、温度荷载 vs 实验室理想荷载
• 数据处理，海量数据，大数据方法处理 vs 小量数据，人工处理

结构监测实现的现场试验在内涵上与传统试验完全不同。

振动控制

提高结构抗震性能的手段：

• 加强设计
• 振动控制

振动控制，1968年产生于日本，发展于美国。从发展阶段可以分为：

• 耗能减震

通过附属结构吸收地震能量，保护主体结构。
最早由日本的公司提出，由于日本公司控制技术论文写作，不为学术界所知。

• 主动控制

1972，美国Purdue大学Yan Zhiping 将自动控制原理应用于土木工程，通过设备主动作用力控制结构振动。主动控制的问题在于耗电，在实际的地震灾害中，很难保证电能供应。
日本的主动控制技术主要应用于高层结构抗风，通过主动控制，减少结构风振，提高舒适感。国内应用：广州电视塔。

• 智能控制

智能控制解决主动控制对电能的依赖。智能材料在很小的电流影响下，材料的阻尼性质发生很大改变，从降低结构振动。
大多数结构不需要智能控制，拉索减振等特殊问题需要智能控制来解决。

• 隔振

隔振方法主要用于中低层建筑，李惠教授博士论文研究课题。

振动控制的反思

李惠教授在后期研究较少关注控制问题，从结构动力学出发，结构的振动特性仅由M、C、K矩阵决定。各种振动控制方法的实质都是改变结构阻尼，具体的差别在于采用什么装置，加多少阻尼。隔振除外，其基本原理是改变刚度。

施工

本校在施工技术方面研究较少，东南、清华长于施工技术。

未来的施工技术趋势：

• 工厂制造；
• 机器人，施工；
• 虚拟现实，反馈控制，参见IBM虚拟现实视频；

机器人与虚拟现实技术也是维修监测的重要手段。

维护

土木工程的维护包括检测、监测和加固，主要应用于桥梁和海洋平台结构。

• 海洋平台，工作环境恶劣，腐蚀冲击严重，投资大，风险高；
• 桥梁，直接承受车辆荷载，冗余度小，每一个构件都是关键构件，每个构件损坏都会危及整体安全；
• 建筑结构，冗余度很高，高次超静定，即使拆除一些承重墙柱，也不会影响正常使用的安全；

检测和监测的目的是评定结构状态，为维修和预警提供决策支持。

检测

桥梁工程一般2年进行定检，维修。
未来的检测将采用电子巡检技术，检测人员扫描二维码确认检测。
机器人技术的发展，将在一定程度取代人工检测，覆盖人工难以到达的死角。

监测

智慧桥梁，预期实现监测感知、自动控制，正在向交通部提议立项。

加固

加固技术采用的材料一般与原结构不同，

• 高强；
• 快速；
  如水下桥墩的修补，必须采用水下自密实混凝土。

加固设计是在既有结构基础上的重新设计，使得结构的承载能力达到预期的可靠度指标。
加固问题是一个经济决策问题。