報告者：李惠教授
筆記整理：馬騁
日期：20160229

概述

土木工程從業務過程可以分為：

• 設計
• 建造
• 維護
• 報廢

以下從這四個方面討論土木工程的學術前沿問題。

設計

土木工程的設計階段主要考慮

• 材料
• 構件
• 結構體系
• 研究手段

材料

材料是土木工程的根基，材料層面的創新是最根本的創新。混凝土和鋼材的生產和推廣誕生了現代的混凝土和鋼結構。

材料分類：

• 結構材料，承重，承擔荷載；
• 維護材料，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生影響土木工程發展的重大成果。

構件

構件是結構的基本單元，構件層面的研究主要根據工程的需求，研究設計性能更好的構件構造。

剪力墻的改進案例：

• 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），鋼板外側不受約束；
• 組合剪力墻（鋼板兩側螺栓錨固），混凝土受約束，鋼板防屈曲，性能最優化；

構件的研究是面對工程問題不斷改進的過程，優化的結果由力學性能和成本決定。

結構體系

構件的合理搭配形成結構。

結構工程的前沿：

• 裝配體系

現澆施工工期太長，人員成本高。裝配體系在工程預制構件，現場拼裝，未來的結點也可以預制，現場通過螺栓裝配連接。
裝配體系需要研究構件的強度、剛度組合，使得裝配結構在以我們預期的破壞形態破壞。
橋梁結構的建造早就采用了裝配施工。

• 組合結構

組合結構研究的目的是結合混凝土與鋼結構的優勢，降低制造成本提高結構性能。歐美發達國家很少做組合結構，經濟允許，主要做鋼結構。
結構體系的研究目標是：在結構系統的全壽命周期實現性能和經濟的平衡。
全壽命 = 設計 + 建造 + 監測 + 維修 + 報廢

• 自恢復結構

在地震作用下，不僅耗能減振，還能在地震結束后恢復殘余變形，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。

• 可更換結構

關鍵耗能構件可更換，災害后更換構件，即可恢復正常使用。

力學分析

力學的分析包括：

• 靜力分析，傳統分析手段
  • 強度
  • 剛度
  • 穩定性，鋼結構的細長桿
• 動力分析
  • 疲勞
  • 地震工程，非線性分析，動力學，
    此處的非線性+動力學實際是經典非線性動力學，而非現代非線性動力學；
  • 風工程，流體力學+空氣動力學；
  • 熱力，爆炸、火災

以上動力分析的抗風、抗震、爆炸問題屬于災害學領域。

災害學

災害學的前沿是多災害防御，多災害并非多種災害同時發生，而是多種災害在邏輯和時間上存在關聯。典型的多災害問題：

• 地震+海嘯

海洋地震往往誘發海嘯，地震海嘯是海洋結構經常遇到的問題。地震造成結構損傷后，海嘯帶來二次破壞，破壞機理值得研究。
海洋結構: 海洋平臺，海洋風力電塔；

• 地震+火災

鋼材怕火，一般有混凝土保護層，但在地震之后，混凝土往往開裂，地震誘發火災會直接侵害鋼筋和鋼材。
高強混凝土不耐火。

• 風雨振

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

研究手段

土木工程的研究手段主要有：

• 實驗（experiment）
• 數值模擬（simulation）
• 理論推導（theory）
• 現場試驗-結構監測（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

縮尺的模型實驗不能反映正式結構的狀況：

• 雷諾數差數量級；
• 導流板尺寸效應；

由此產生了兩種現代結構試驗技術：

• 擬動力子結構試驗

最早源于日本，在結構中取出受力的關鍵部位（如抗震研究，取出結構底層），進行設備加載，其余結構進行數字計算求解。數值模擬與試驗交互，降低成本，提高分析效率。

• 混合試驗

美國提出混合試驗，將大型結構分解為多個子結構，在不同的試驗機構（大學、研究所）分別進行試驗。實際運行效果不好，難以協同。沒有帶來實際的技術進步，現已停止項目。

數值模擬

數值模擬的的核心是提出或改進算法。
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有限元軟件。數值計算問題還有很多難點有待解決。

理論推導

一流的研究成果一定要達到數學的層面。
解析解一定是最漂亮的。理論推導貫穿研究的全局。

2004訪學Caltech，那邊教授的研究成果均以公式推導的形式展示。

現場試驗

現代的結構健康監測，在真實的結構，真實的荷載下獲得結構響應輸出，其實質相當于現場試驗（歐進萍院士提出）。

現場試驗與傳統試驗的差別：

• 試驗對象，真實結構vs模型構件
• 試驗荷載，真實的車輛荷載、風荷載、溫度荷載 vs 實驗室理想荷載
• 數據處理，海量數據，大數據方法處理 vs 小量數據，人工處理

結構監測實現的現場試驗在內涵上與傳統試驗完全不同。

振動控制

提高結構抗震性能的手段：

• 加強設計
• 振動控制

振動控制，1968年產生于日本，發展于美國。從發展階段可以分為：

• 耗能減震

通過附屬結構吸收地震能量，保護主體結構。
最早由日本的公司提出，由于日本公司控制技術論文寫作，不為學術界所知。

• 主動控制

1972，美國Purdue大學Yan Zhiping 將自動控制原理應用于土木工程，通過設備主動作用力控制結構振動。主動控制的問題在于耗電，在實際的地震災害中，很難保證電能供應。
日本的主動控制技術主要應用于高層結構抗風，通過主動控制，減少結構風振，提高舒適感。國內應用：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，材料的阻尼性質發生很大改變，從降低結構振動。
大多數結構不需要智能控制，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注控制問題，從結構動力學出發，結構的振動特性僅由M、C、K矩陣決定。各種振動控制方法的實質都是改變結構阻尼，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

本校在施工技術方面研究較少，東南、清華長于施工技術。

未來的施工技術趨勢：

• 工廠制造；
• 機器人，施工；
• 虛擬現實，反饋控制，參見IBM虛擬現實視頻；

機器人與虛擬現實技術也是維修監測的重要手段。

維護

土木工程的維護包括檢測、監測和加固，主要應用于橋梁和海洋平臺結構。

• 海洋平臺，工作環境惡劣，腐蝕沖擊嚴重，投資大，風險高；
• 橋梁，直接承受車輛荷載，冗余度小，每一個構件都是關鍵構件，每個構件損壞都會危及整體安全；
• 建筑結構，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；

檢測和監測的目的是評定結構狀態，為維修和預警提供決策支持。

檢測

橋梁工程一般2年進行定檢，維修。
未來的檢測將采用電子巡檢技術，檢測人員掃描二維碼確認檢測。
機器人技術的發展，將在一定程度取代人工檢測，覆蓋人工難以到達的死角。

監測

智慧橋梁，預期實現監測感知、自動控制，正在向交通部提議立項。

加固

加固技術采用的材料一般與原結構不同，

• 高強；
• 快速；
  如水下橋墩的修補，必須采用水下自密實混凝土。

加固設計是在既有結構基礎上的重新設計，使得結構的承載能力達到預期的可靠度指標。
加固問題是一個經濟決策問題。