報告者：李惠教授
筆記整理：馬騁
日期：20160229

概述

土木工程從業(yè)務(wù)過程可以分為：

• 設(shè)計
• 建造
• 維護(hù)
• 報廢

以下從這四個方面討論土木工程的學(xué)術(shù)前沿問題。

設(shè)計

土木工程的設(shè)計階段主要考慮

• 材料
• 構(gòu)件
• 結(jié)構(gòu)體系
• 研究手段

材料

材料是土木工程的根基，材料層面的創(chuàng)新是最根本的創(chuàng)新?；炷梁弯摬牡纳a(chǎn)和推廣誕生了現(xiàn)代的混凝土和鋼結(jié)構(gòu)。

材料分類：

• 結(jié)構(gòu)材料，承重，承擔(dān)荷載；
• 維護(hù)材料，墻面，屋頂；
• 功能材料；

案例：

• Apple公司的玻璃建筑；
• 黑色瀝青路面對青藏高原凍土的影響；
• 石墨烯除冰材料，鋪設(shè)在有水的地方，通電之后迅速融冰；

材料方向的研究很容易產(chǎn)生影響土木工程發(fā)展的重大成果。

構(gòu)件

構(gòu)件是結(jié)構(gòu)的基本單元，構(gòu)件層面的研究主要根據(jù)工程的需求，研究設(shè)計性能更好的構(gòu)件構(gòu)造。

剪力墻的改進(jìn)案例：

• 鋼筋混凝土剪力墻，地震容易局部損壞；
• 鋼板剪力墻，四角容易屈曲；
• 組合剪力墻（鋼板嵌入混凝土），施工不便；
• 組合剪力墻（鋼板中間夾混凝土），鋼板外側(cè)不受約束；
• 組合剪力墻（鋼板兩側(cè)螺栓錨固），混凝土受約束，鋼板防屈曲，性能最優(yōu)化；

構(gòu)件的研究是面對工程問題不斷改進(jìn)的過程，優(yōu)化的結(jié)果由力學(xué)性能和成本決定。

結(jié)構(gòu)體系

構(gòu)件的合理搭配形成結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)工程的前沿：

• 裝配體系

現(xiàn)澆施工工期太長，人員成本高。裝配體系在工程預(yù)制構(gòu)件，現(xiàn)場拼裝，未來的結(jié)點也可以預(yù)制，現(xiàn)場通過螺栓裝配連接。
裝配體系需要研究構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度組合，使得裝配結(jié)構(gòu)在以我們預(yù)期的破壞形態(tài)破壞。
橋梁結(jié)構(gòu)的建造早就采用了裝配施工。

• 組合結(jié)構(gòu)

組合結(jié)構(gòu)研究的目的是結(jié)合混凝土與鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，降低制造成本提高結(jié)構(gòu)性能。歐美發(fā)達(dá)國家很少做組合結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)允許，主要做鋼結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)體系的研究目標(biāo)是：在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的全壽命周期實現(xiàn)性能和經(jīng)濟(jì)的平衡。
全壽命 = 設(shè)計 + 建造 + 監(jiān)測 + 維修 + 報廢

• 自恢復(fù)結(jié)構(gòu)

在地震作用下，不僅耗能減振，還能在地震結(jié)束后恢復(fù)殘余變形，回到原點。
特征滯回曲線向原點閉合，基本的原理如同形狀記憶合金。

• 可更換結(jié)構(gòu)

關(guān)鍵耗能構(gòu)件可更換，災(zāi)害后更換構(gòu)件，即可恢復(fù)正常使用。

力學(xué)分析

力學(xué)的分析包括：

• 靜力分析，傳統(tǒng)分析手段
  • 強(qiáng)度
  • 剛度
  • 穩(wěn)定性，鋼結(jié)構(gòu)的細(xì)長桿
• 動力分析
  • 疲勞
  • 地震工程，非線性分析，動力學(xué)，
    此處的非線性+動力學(xué)實際是經(jīng)典非線性動力學(xué)，而非現(xiàn)代非線性動力學(xué)；
  • 風(fēng)工程，流體力學(xué)+空氣動力學(xué)；
  • 熱力，爆炸、火災(zāi)

以上動力分析的抗風(fēng)、抗震、爆炸問題屬于災(zāi)害學(xué)領(lǐng)域。

災(zāi)害學(xué)

災(zāi)害學(xué)的前沿是多災(zāi)害防御，多災(zāi)害并非多種災(zāi)害同時發(fā)生，而是多種災(zāi)害在邏輯和時間上存在關(guān)聯(lián)。典型的多災(zāi)害問題：

• 地震+海嘯

海洋地震往往誘發(fā)海嘯，地震海嘯是海洋結(jié)構(gòu)經(jīng)常遇到的問題。地震造成結(jié)構(gòu)損傷后，海嘯帶來二次破壞，破壞機(jī)理值得研究。
海洋結(jié)構(gòu): 海洋平臺，海洋風(fēng)力電塔；

• 地震+火災(zāi)

鋼材怕火，一般有混凝土保護(hù)層，但在地震之后，混凝土往往開裂，地震誘發(fā)火災(zāi)會直接侵害鋼筋和鋼材。
高強(qiáng)混凝土不耐火。

• 風(fēng)雨振

在低風(fēng)速（5-12m/s）+中等降雨情況下，斜拉橋拉索會激發(fā)強(qiáng)烈顫振。
風(fēng)雨振 ~= 最大風(fēng)+最大降雨
我們往往關(guān)注最大風(fēng)速和最大降雨，但風(fēng)雨振問題需要研究特定風(fēng)雨組合的概率分布。

研究手段

土木工程的研究手段主要有：

• 實驗（experiment）
• 數(shù)值模擬（simulation）
• 理論推導(dǎo)（theory）
• 現(xiàn)場試驗-結(jié)構(gòu)監(jiān)測（structural monitoring）

土木工程的研究手段（工具）本身也是研究對象。

實驗技術(shù)

縮尺的模型實驗不能反映正式結(jié)構(gòu)的狀況：

• 雷諾數(shù)差數(shù)量級；
• 導(dǎo)流板尺寸效應(yīng)；

由此產(chǎn)生了兩種現(xiàn)代結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)：

• 擬動力子結(jié)構(gòu)試驗

最早源于日本，在結(jié)構(gòu)中取出受力的關(guān)鍵部位（如抗震研究，取出結(jié)構(gòu)底層），進(jìn)行設(shè)備加載，其余結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字計算求解。數(shù)值模擬與試驗交互，降低成本，提高分析效率。

• 混合試驗

美國提出混合試驗，將大型結(jié)構(gòu)分解為多個子結(jié)構(gòu)，在不同的試驗機(jī)構(gòu)（大學(xué)、研究所）分別進(jìn)行試驗。實際運行效果不好，難以協(xié)同。沒有帶來實際的技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)已停止項目。

數(shù)值模擬

數(shù)值模擬的的核心是提出或改進(jìn)算法。
國外的研究者普遍自行編制研究程序，而不采用成熟的商業(yè)有限元軟件。數(shù)值計算問題還有很多難點有待解決。

理論推導(dǎo)

一流的研究成果一定要達(dá)到數(shù)學(xué)的層面。
解析解一定是最漂亮的。理論推導(dǎo)貫穿研究的全局。

2004訪學(xué)Caltech，那邊教授的研究成果均以公式推導(dǎo)的形式展示。

現(xiàn)場試驗

現(xiàn)代的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，在真實的結(jié)構(gòu)，真實的荷載下獲得結(jié)構(gòu)響應(yīng)輸出，其實質(zhì)相當(dāng)于現(xiàn)場試驗（歐進(jìn)萍院士提出）。

現(xiàn)場試驗與傳統(tǒng)試驗的差別：

• 試驗對象，真實結(jié)構(gòu)vs模型構(gòu)件
• 試驗荷載，真實的車輛荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載 vs 實驗室理想荷載
• 數(shù)據(jù)處理，海量數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)方法處理 vs 小量數(shù)據(jù)，人工處理

結(jié)構(gòu)監(jiān)測實現(xiàn)的現(xiàn)場試驗在內(nèi)涵上與傳統(tǒng)試驗完全不同。

振動控制

提高結(jié)構(gòu)抗震性能的手段：

• 加強(qiáng)設(shè)計
• 振動控制

振動控制，1968年產(chǎn)生于日本，發(fā)展于美國。從發(fā)展階段可以分為：

• 耗能減震

通過附屬結(jié)構(gòu)吸收地震能量，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。
最早由日本的公司提出，由于日本公司控制技術(shù)論文寫作，不為學(xué)術(shù)界所知。

• 主動控制

1972，美國Purdue大學(xué)Yan Zhiping 將自動控制原理應(yīng)用于土木工程，通過設(shè)備主動作用力控制結(jié)構(gòu)振動。主動控制的問題在于耗電，在實際的地震災(zāi)害中，很難保證電能供應(yīng)。
日本的主動控制技術(shù)主要應(yīng)用于高層結(jié)構(gòu)抗風(fēng)，通過主動控制，減少結(jié)構(gòu)風(fēng)振，提高舒適感。國內(nèi)應(yīng)用：廣州電視塔。

• 智能控制

智能控制解決主動控制對電能的依賴。智能材料在很小的電流影響下，材料的阻尼性質(zhì)發(fā)生很大改變，從降低結(jié)構(gòu)振動。
大多數(shù)結(jié)構(gòu)不需要智能控制，拉索減振等特殊問題需要智能控制來解決。

• 隔振

隔振方法主要用于中低層建筑，李惠教授博士論文研究課題。

振動控制的反思

李惠教授在后期研究較少關(guān)注控制問題，從結(jié)構(gòu)動力學(xué)出發(fā)，結(jié)構(gòu)的振動特性僅由M、C、K矩陣決定。各種振動控制方法的實質(zhì)都是改變結(jié)構(gòu)阻尼，具體的差別在于采用什么裝置，加多少阻尼。隔振除外，其基本原理是改變剛度。

施工

本校在施工技術(shù)方面研究較少，東南、清華長于施工技術(shù)。

未來的施工技術(shù)趨勢：

• 工廠制造；
• 機(jī)器人，施工；
• 虛擬現(xiàn)實，反饋控制，參見IBM虛擬現(xiàn)實視頻；

機(jī)器人與虛擬現(xiàn)實技術(shù)也是維修監(jiān)測的重要手段。

維護(hù)

土木工程的維護(hù)包括檢測、監(jiān)測和加固，主要應(yīng)用于橋梁和海洋平臺結(jié)構(gòu)。

• 海洋平臺，工作環(huán)境惡劣，腐蝕沖擊嚴(yán)重，投資大，風(fēng)險高；
• 橋梁，直接承受車輛荷載，冗余度小，每一個構(gòu)件都是關(guān)鍵構(gòu)件，每個構(gòu)件損壞都會危及整體安全；
• 建筑結(jié)構(gòu)，冗余度很高，高次超靜定，即使拆除一些承重墻柱，也不會影響正常使用的安全；

檢測和監(jiān)測的目的是評定結(jié)構(gòu)狀態(tài)，為維修和預(yù)警提供決策支持。

檢測

橋梁工程一般2年進(jìn)行定檢，維修。
未來的檢測將采用電子巡檢技術(shù)，檢測人員掃描二維碼確認(rèn)檢測。
機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，將在一定程度取代人工檢測，覆蓋人工難以到達(dá)的死角。

監(jiān)測

智慧橋梁，預(yù)期實現(xiàn)監(jiān)測感知、自動控制，正在向交通部提議立項。

加固

加固技術(shù)采用的材料一般與原結(jié)構(gòu)不同，

• 高強(qiáng)；
• 快速；
  如水下橋墩的修補(bǔ)，必須采用水下自密實混凝土。

加固設(shè)計是在既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的重新設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)的承載能力達(dá)到預(yù)期的可靠度指標(biāo)。
加固問題是一個經(jīng)濟(jì)決策問題。