土木工程前沿結(jié)構(gòu)與創(chuàng)新

結(jié)構(gòu)工程學(xué)科前沿2021/5/91

結(jié)構(gòu)工程學(xué)科結(jié)構(gòu)工程學(xué)科體系結(jié)構(gòu)工程學(xué)科研究前沿結(jié)構(gòu)工程學(xué)科發(fā)展重點(diǎn)結(jié)構(gòu)工程隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展和人類活動的需要而發(fā)展，其基本內(nèi)涵包括結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)施工、結(jié)構(gòu)檢測與維護(hù)等諸方面。2021/5/92結(jié)構(gòu)性能控制結(jié)構(gòu)可靠度理論結(jié)構(gòu)抗災(zāi)性能研究結(jié)構(gòu)分析、計(jì)算與設(shè)計(jì)理論結(jié)構(gòu)工程基礎(chǔ)理論研究結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、診斷與安全評估數(shù)字模擬試驗(yàn)技術(shù)動力與擬動力試驗(yàn)技術(shù)靜力試驗(yàn)技術(shù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù)研究地下結(jié)構(gòu)及隧道工程橋梁結(jié)構(gòu)新型建筑結(jié)構(gòu)鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究施工控制施工力學(xué)新工藝、新工程、新理論、新方法施工技術(shù)研究1、結(jié)構(gòu)工程學(xué)科體系2021/5/932.1挑戰(zhàn)結(jié)構(gòu)極限2、結(jié)構(gòu)工程學(xué)科研究前沿（1）更高層的建筑：建成于西方經(jīng)濟(jì)危機(jī)時(shí)期，成為美國經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的象征。

當(dāng)時(shí)世界最高雙子塔；911事件中，在恐怖襲擊中相繼崩塌。

目前世界最高的雙子塔；兩主樓間有一座長58.4米、距地面170米高的空中天橋。1998年吉隆坡雙子塔452m地上88層1931年美國紐約帝國大廈高381m102層1972年美國紐約世貿(mào)中心高417m110層1974年芝加哥西爾斯大廈高442m110層2003年臺北市101大廈508m101層在89-92樓層掛置一個重達(dá)66噸的巨大鋼球，利用擺動來減低建筑物的晃幅。2008年美國紐約新世貿(mào)中心自由塔541m

目前世界第一高樓，耗資近20億美元，擁有最高的游泳池和清真寺。2010年阿聯(lián)酋迪拜塔828m162層2021/5/94鋼筋混凝土薄殼、空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)快速發(fā)展。20世紀(jì)后期，隨著新材料、新工藝的開發(fā)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，空間結(jié)構(gòu)形式更加豐富多彩。（2）更大跨度的空間結(jié)構(gòu)：2.1挑戰(zhàn)結(jié)構(gòu)極限美國路易斯安娜圓頂體育館(直徑208m，1975年)中國國家大劇院（212m×144m，2007年）2021/5/95更大的跨度：研究大跨度橋梁在氣動、地震和行車動力作用下其結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性，擬將截面做成適應(yīng)氣動要求的各種流線型加勁梁，以增大特大跨度橋梁的剛度；正在建設(shè)的著名大橋有土耳其伊茲米特海灣大橋（懸索橋，主跨1668米）；已獲批準(zhǔn)修建的意大利與西西里島之間墨西拿海峽大橋，主跨3300米懸索橋。更柔的承載：采用以斜纜為主的空間網(wǎng)狀承重體系；采用懸索加斜拉的混合體系；采用輕型而剛度大的復(fù)合材料做加勁梁，采用自重輕、強(qiáng)度高的碳纖維材料做主纜。重視橋梁美學(xué)及環(huán)境保護(hù)：橋梁結(jié)構(gòu)必將更加重視建筑藝術(shù)造型，重視橋梁美學(xué)和景觀設(shè)計(jì)，重視環(huán)境保護(hù)，達(dá)到人文景觀同環(huán)境景觀的完美結(jié)合。（3）更大跨度的橋梁結(jié)構(gòu)：2.1挑戰(zhàn)結(jié)構(gòu)極限2021/5/96（4）復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)：2.1挑戰(zhàn)結(jié)構(gòu)極限組合結(jié)構(gòu)：同一截面或各桿件由兩種或兩種以上材料制作的結(jié)構(gòu)稱組合結(jié)構(gòu)。多見的鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)，使混凝土與型鋼形成整體共同受力。英國倫敦·格林威治半島·千年穹頂混凝土+鋼+張力膜(玻璃纖維織物)結(jié)構(gòu)

組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)和鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)并稱五大結(jié)構(gòu)。組合結(jié)構(gòu)主要包括壓型鋼板與混凝土組合板、組合梁、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等。2021/5/972.2新型材料的研究應(yīng)用2、結(jié)構(gòu)工程學(xué)科研究前沿在歷史上，工程材料的進(jìn)步往往使結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)的變化。從使用土、木、石料到使用鋼材、混凝土材料，結(jié)構(gòu)工程實(shí)現(xiàn)了一次飛躍。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，有望產(chǎn)生能供人類大量使用的、高效、環(huán)保、節(jié)能的新型材料。轉(zhuǎn)爐煉鋼法(1859年)和鋼筋混凝土(1867年)的問世，促進(jìn)了近代土木工程的發(fā)展。1886年美國首先采用了鋼筋混凝土樓板。1900后開始出現(xiàn)大量的高層建筑和公共建筑：紐約帝國大廈（102層，1931年）。2021/5/98新型建筑材料是在傳統(tǒng)建筑材料基礎(chǔ)上產(chǎn)生的新一代建筑材料。新型建筑材料主要包括新型建筑結(jié)構(gòu)材料、新型墻體材料、保溫隔熱材料、防水密封材料和裝飾裝修材料。凡具有輕質(zhì)高強(qiáng)和多功能的建筑材料，均屬于新型建筑材料。即使是傳統(tǒng)建筑材料，為滿足某種建筑功能需要而再復(fù)合或組合所制成的材料，也屬于新型建筑材料。

新型材料具有輕質(zhì)、耐久、高強(qiáng)、高彈模等特點(diǎn)，但在新材料的發(fā)展仍處于醞釀階段的過程中，鋼材與混凝土等傳統(tǒng)材料的改進(jìn)仍將占據(jù)重要地位，高性能混凝土、高性能鋼材等材料的發(fā)展和進(jìn)步仍將受到人們的高度重視。2.2新型材料的研究應(yīng)用2021/5/99混凝土按強(qiáng)度大致可分為三類:①普通混凝土:20~60MPa;②高強(qiáng)混凝土:60~150MPa;③甚高強(qiáng)度混凝土:大于150MPa。普通混凝土目前已普遍使用，高強(qiáng)混凝土正進(jìn)入使用階段，甚高強(qiáng)度混凝土尚處于試驗(yàn)研究階段。在高強(qiáng)混凝土中，高效減水劑的使用使混凝土水灰比達(dá)到其需水量的最低值，且又保持良好的流動度，可以用預(yù)拌方式生產(chǎn)甚至用泵送工藝澆注。而超細(xì)硅粉的摻入填充了混凝土內(nèi)的空隙，消除了混凝土中的微小氣孔。通過摻加粉煤灰、硅灰、磨細(xì)高爐礦渣等工業(yè)廢料作為輔助膠凝材料，使這種混凝土不僅高強(qiáng)，而且具有很好的抗?jié)B性和體積穩(wěn)定性。2.2新型材料的研究應(yīng)用——高強(qiáng)混凝土2021/5/910

高強(qiáng)混凝土正在推廣應(yīng)用,如1982年美國芝加哥商業(yè)交易樓混凝土強(qiáng)度達(dá)96MPa。高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用,使結(jié)構(gòu)截面大大減小,如C120混凝土立柱的截面可比C60混凝土立柱的截面減少68%。高強(qiáng)混凝土早期強(qiáng)度增長快,110MPa的高強(qiáng)混凝土在12h后即可達(dá)到40MPa強(qiáng)度,這就可以縮短構(gòu)件的拆模周期,及早施加預(yù)應(yīng)力,同時(shí)簡化混凝土施工工藝。由于高強(qiáng)混凝土材料結(jié)構(gòu)非常致密,能增加其抵抗化學(xué)侵蝕能力及耐磨性能。高強(qiáng)混凝土又能承受較高的預(yù)壓應(yīng)力,所以能增大施加的預(yù)應(yīng)力,并減小結(jié)構(gòu)尺寸。2.2新型材料的研究應(yīng)用——高強(qiáng)混凝土2021/5/9112.2新型材料的研究應(yīng)用——高流動度混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對高強(qiáng)混凝土在預(yù)拌中的工作性能提出了更高的要求:良好的和易性，優(yōu)良的可泵送性及較少的塌落度損失。

硅粉及粉煤灰的玻璃微粒對預(yù)拌混凝土產(chǎn)生微集料效應(yīng)，起到潤滑混凝土料的作用。各種減水劑的應(yīng)用使混凝土具有良好的和易性,可改善混凝土的泵送性能,減少混凝土的離析和泌水。為了減少施工過程中的塌落度損失,在預(yù)拌混凝土中摻入1%~3%的載體流化劑,可控制其塌落度在2.5h內(nèi)不變。2021/5/912阻滯裂紋擴(kuò)展、消耗裂紋擴(kuò)展能是增加高強(qiáng)混凝土韌性的有效途徑。應(yīng)用聚合物、纖維材料、柔性粉末材料作為摻合料的混凝土改性復(fù)合材料,可使混凝土的韌性、抗沖擊性能、抗拉強(qiáng)度、耐久性得到明顯提高。

聚合物混凝土，是在混凝土生產(chǎn)過程中摻加一定數(shù)量的聚合物乳液形成的一種混凝土,可以較好地提高混凝土的抗折強(qiáng)度、耐久性、抗腐蝕能力,降低脆性。在混凝土中摻入1%~2%(混凝土體積比)的鋼纖維形成的鋼纖維混凝土，明顯地提高了混凝土的抗拉、抗折強(qiáng)度,增加它的延性和韌性,改善抗沖擊、抗震性能。粉煤灰陶粒鋼纖維混凝土復(fù)合材料兼有陶?；炷恋妮p質(zhì)和鋼纖維混凝土的優(yōu)良性質(zhì)。柔性粉粒(如橡膠粉)能有效地提高混凝土的抗沖擊性能。選擇合適的摻加材料,可改善材料與混凝土的界面性能,促使材料在混凝土基體中高度分散,使高強(qiáng)混凝土既有高強(qiáng)度,又有良好的韌性和耐久性。返回2.2新型材料的研究應(yīng)用——混凝土復(fù)合材料2021/5/913

在過去的十余年，F(xiàn)RP（FiberReinforcedPlastics、纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料）在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用及其相關(guān)的研究即得到了迅速的發(fā)展，在國內(nèi)外形成了令人矚目的熱點(diǎn)。從最初作為結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)材料，到向作為主要結(jié)構(gòu)受力材料發(fā)展，F(xiàn)RP復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)正在經(jīng)歷一個迅速發(fā)展的時(shí)期。

CFRP碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CarbonFiberReinforcedPlastic)的縮寫，特點(diǎn)是輕質(zhì)高強(qiáng)，比如F1賽車、波音787客機(jī)……GFRP（GlassfiberReinforcedPlastic，玻璃纖維增強(qiáng)塑料，或玻璃鋼）。GFRP具有良好的電絕緣性能和粘結(jié)性能，較高的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性，可塑性極強(qiáng)，成型收縮率小，體積較輕，施工方便。AFRP：芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。2.2新型材料的研究應(yīng)用—FRP2021/5/914碳纖維瓦玻璃鋼雕塑2021/5/915FRP復(fù)合材料在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用快速增長，可用于包括柱、墻、梁、板及面板的抗震及補(bǔ)強(qiáng)加固，新的增強(qiáng)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)體系也正在研究、開發(fā)和應(yīng)用。1、建筑工程應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正轉(zhuǎn)向基于性能的設(shè)計(jì)，對結(jié)構(gòu)及材料性能的要求也提高了。FRP材料已用于新建結(jié)構(gòu)的框架以提高其結(jié)構(gòu)性能，還被大量應(yīng)用于舊有民用建筑的維修加固。2、巖土工程應(yīng)用FRP纖維復(fù)合材料在長期惡劣的地質(zhì)條件下具有良好的耐腐蝕性能，已廣泛用于加筋土中；FRP復(fù)合材料易被掘進(jìn)機(jī)具切斷，故可用于盾構(gòu)法掘進(jìn)豎井的混凝土墻、土釘及臨時(shí)支護(hù)用的復(fù)合材料地錨，如用鋼錨則會導(dǎo)致挖掘機(jī)機(jī)頭的斷裂。因GFRP復(fù)合材料價(jià)格低廉，安裝方便，耐久性強(qiáng)，已用于潮汐變化的干濕交替的擋土墻、地基錨桿及噴射混凝土筋等。2021/5/9163、橋梁工程中應(yīng)用FRP復(fù)合材料應(yīng)用于橋梁工程起始于70年代末和80年代初期?？捎米鲬宜鳂蚣靶崩瓨虻睦|索、預(yù)應(yīng)力混凝土橋中的預(yù)應(yīng)力筋，甚至可以用于整個橋梁體系；另外在橋梁補(bǔ)強(qiáng)加固方面也有應(yīng)用。4、海洋結(jié)構(gòu)和近海結(jié)構(gòu)應(yīng)用海洋結(jié)構(gòu)和近海結(jié)構(gòu)的腐蝕問題一直比較突出，對于鋼結(jié)構(gòu)更是如此，因而采用抗腐蝕性能良好的FRP可以很好地解決該問題，具有很好的發(fā)展前景。在建的海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用最厚的混凝土保護(hù)層（一般為150mm左右，相當(dāng)于陸地混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層的5倍以上）及防腐措施，其對內(nèi)部鋼筋防氯鹽腐蝕也僅有15年左右，這與永久或半永久性的海洋結(jié)構(gòu)耐久要求相距甚遠(yuǎn)。采用FRP混凝土或FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)就可以從根本上解決海洋工程中的鋼筋（鋼材）腐蝕問題，其重大意義不言而喻。2021/5/917板材類注重環(huán)保

砌塊類增加抗震磚類產(chǎn)品

門窗節(jié)能節(jié)能屋面保溫綠化

外墻外保溫?cái)D塑板

六類新材料2.2新型材料的研究應(yīng)用——建筑材料2021/5/918一、外墻外保溫，擠塑板效果最好

外保溫技術(shù)就像給建筑穿上了一層棉襖，節(jié)能效果明顯大于保溫技術(shù)。（通過空調(diào)孔可直接觀察其使用材料）擠塑聚苯板聚苯板鋼絲網(wǎng)架聚苯板2021/5/919二、屋面保溫，兼具綠化功能中空玻璃種植屋面三、門窗節(jié)能，隔音效果好2021/5/920碧桂園集團(tuán)新總部大樓位于廣東佛山市順德區(qū)碧桂園大道1號。2021/5/921四、磚類產(chǎn)品一般常見的磚類主要有空心磚、加氣磚、多孔磚等。形狀為方型，以孔洞數(shù)量和材料決定節(jié)能高低。節(jié)能磚主要以粘土、頁巖、煤礦石、粉煤灰等材料為主要原料，經(jīng)熔燒或壓制成型。由于成本問題，多數(shù)建筑在施工過程中，使用多孔磚較多。節(jié)能磚保溫隔熱性能好，導(dǎo)熱系數(shù)一般為紅磚的四分之一至五分之一。多孔磚加氣磚空心磚2021/5/922五、砌塊類產(chǎn)品，增加抗震能力

多用于住宅和公共建筑的非承重墻體，砌塊外部密封，內(nèi)部多為空心材料，形狀為多排孔、矩形條孔等。體積比磚體積大，磚體壁厚>30cm用于承重墻，<30cm用于非承重墻。保溫砌塊石膏砌塊2021/5/923六、板材類產(chǎn)品，注重環(huán)保

用在室內(nèi)隔墻或分戶隔墻，屬于節(jié)能板材類產(chǎn)品，厚度一般在90mm以上，因此一般墻體都會顯得很“單薄”，敲起來回音比較大。輕質(zhì)隔墻使用較多的有纖維水泥板，輕集料混凝土條板，紙面石膏板，石膏空心板（衛(wèi)生間禁用）等。這種材料對隔音、保溫、強(qiáng)度的要求較高，墻體內(nèi)部填充介質(zhì)要求較嚴(yán)。纖維水泥板

紙面石膏板2021/5/9242.3結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展2、結(jié)構(gòu)工程學(xué)科研究前沿結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)：對工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件采用加載或其他方式進(jìn)行試驗(yàn)，測量結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力、變形、轉(zhuǎn)角、支座位移、頻率、振幅等，用以核對其設(shè)計(jì)要求或檢驗(yàn)其是否安全可靠，并為探索結(jié)構(gòu)新領(lǐng)域和發(fā)展工程結(jié)構(gòu)理論的手段和基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)工程學(xué)科發(fā)展進(jìn)程中，結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)及其技術(shù)的發(fā)展具有基礎(chǔ)性的地位。

18世紀(jì)法國科學(xué)家用簡支木梁沿中性軸上橫斷面開槽，塞入硬木塊，作受彎承載能力試驗(yàn)，證明了跨中截面上翼緣受壓、下翼緣受拉、中間有一中性層，使材料力學(xué)中受彎構(gòu)件截面應(yīng)力分布計(jì)算式在1940年代得以確立。

19世紀(jì)初，工程結(jié)構(gòu)得以用試加荷載的方法探求其工作狀態(tài)和可靠性。由于生產(chǎn)和運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，儀器設(shè)備的研究和改進(jìn)，大跨結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，促使工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)開始建立定量試驗(yàn)方法，并推動工程結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的發(fā)展，使工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)成為一門獨(dú)立學(xué)科。

20世紀(jì)后期，結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)技術(shù)最重要的進(jìn)展體現(xiàn)在擬動力實(shí)驗(yàn)技術(shù)、多軸和快速加載技術(shù)、多種災(zāi)害與作用的綜合模擬技術(shù)（如水下振動臺、振動臺和快速擬動力結(jié)合的混合實(shí)驗(yàn)技術(shù)）等。2021/5/9252021/5/9262021/5/927結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的目的：研究性試驗(yàn)鑒定性試驗(yàn)檢測類試驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證基本假定和計(jì)算理論創(chuàng)立新的結(jié)構(gòu)理論制定過程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)產(chǎn)品、設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量確定已建結(jié)構(gòu)的承載能力驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全度①材料強(qiáng)度值②內(nèi)部缺陷（裂縫、空洞等）③幾何尺寸（鋼筋位置，保護(hù)層厚度，板厚等）④勻質(zhì)性檢測與控制⑤建筑物理特性（熱工、隔聲、防水等）2.3結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展2021/5/928結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的分類：試驗(yàn)對象原型試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)小構(gòu)件試驗(yàn)足尺、現(xiàn)場（投資大、加載復(fù)雜、周期長）通?？s尺（符合相似理論：幾何、力學(xué)、材料）構(gòu)件試驗(yàn)與計(jì)算對比（可以不符合相似理論）荷載持時(shí)混凝土的徐變、預(yù)應(yīng)力鋼筋的松弛、結(jié)構(gòu)受溫度變化的影響（幾個月或幾年時(shí)間）

中國建筑科學(xué)研究院短期荷載試驗(yàn)長期荷載試驗(yàn)只有幾十分鐘、幾小時(shí)或者幾天2.3結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展2021/5/929靜力試驗(yàn)動力試驗(yàn)荷載性質(zhì)單調(diào)靜力荷載試驗(yàn)低周反復(fù)荷載試驗(yàn)（偽靜力）擬動力試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)動力特性試驗(yàn)地震模擬振動臺試驗(yàn)風(fēng)洞試驗(yàn)靜力試驗(yàn)的特點(diǎn)：

加載設(shè)備相對來講比較簡單，荷載可以逐步施加，還可以停下來仔細(xì)觀察結(jié)構(gòu)變形的發(fā)展，給人們以最明確、最清晰的破壞概念。動力試驗(yàn)的特點(diǎn)：

由于荷載特性不同，動力試驗(yàn)的加載設(shè)備和測試手段與靜力試驗(yàn)有很大的差別，而且要比靜力試驗(yàn)復(fù)雜得多。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的分類：2.3結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展2021/5/930大型化電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)（5000t）振動臺大型風(fēng)洞大型離心機(jī)大型火災(zāi)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

多向、不同步（行波、多點(diǎn)輸入）、動力美國——“遠(yuǎn)程地震模擬網(wǎng)絡(luò)”

結(jié)構(gòu)工程+地震工程

+計(jì)算機(jī)科學(xué)+信息技術(shù)+網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

測試技術(shù)——傳感器和數(shù)據(jù)采集技術(shù)高精度、抗干擾、性能可靠無線通信智能傳感器——健康檢測高速數(shù)據(jù)采集儀——爆炸、沖擊試驗(yàn)長時(shí)間、大容量數(shù)據(jù)存儲計(jì)算機(jī)仿真遠(yuǎn)程化智能化2.3結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展2021/5/931互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，為結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的通訊技術(shù)可以提供大量數(shù)據(jù)傳輸和共享的功能，能為異地實(shí)驗(yàn)室、設(shè)備之間的控制和反饋提供接近實(shí)時(shí)的通訊手段。這一背景，為利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)協(xié)同實(shí)驗(yàn)提供了可能，正在形成世界范圍內(nèi)的關(guān)注焦點(diǎn)。2003年，美國國家自然科學(xué)基金啟動的“地震模擬聯(lián)網(wǎng)”（NetworkforEarthquakeEngineeringSimulation）建設(shè)計(jì)劃，即是在這一思想背景下的產(chǎn)物。該項(xiàng)目總投資達(dá)到八千多萬美元，設(shè)備站點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目涉及美國20所高校與科研機(jī)構(gòu)。2004年，日本與韓國合作，啟動了日韓“遠(yuǎn)程擬動力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”建設(shè)。同年，我國國家自然科學(xué)基金支持的重點(diǎn)項(xiàng)目“土木工程現(xiàn)代結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法”中，將遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)協(xié)同實(shí)驗(yàn)列為重要研究內(nèi)容。

與此同時(shí)，大型多功能實(shí)驗(yàn)機(jī)、多點(diǎn)多自由度地震模擬振動臺、模擬復(fù)雜環(huán)境的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場試驗(yàn)技術(shù)等，近年以來也正在成為實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的新的亮點(diǎn)。2.3結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展2021/5/9322.4結(jié)構(gòu)耐久性及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測2、結(jié)構(gòu)工程學(xué)科研究前沿

【結(jié)構(gòu)耐久性】在預(yù)定作用和預(yù)期的維護(hù)與使用條件下，結(jié)構(gòu)及其部件能在預(yù)定的期限內(nèi)維持其所需的最低性能要求的能力。【結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測】是指對工程結(jié)構(gòu)實(shí)施損傷檢測和識別。我們這里所說的損傷包括材料特性改變或結(jié)構(gòu)體系的幾何特性發(fā)生改變，以及邊界條件和體系的連續(xù)性，體系的整體連續(xù)性對結(jié)構(gòu)的服役能力有至關(guān)重要的作用。工程結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性，應(yīng)當(dāng)綜合考慮材料性能、環(huán)境作用、施工技術(shù)等因素，還應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)管理、維護(hù)、維修與加固改造技術(shù)的發(fā)展。因此，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)在其生命周期各個階段所面臨的風(fēng)險(xiǎn)以及功能要求的不同，建立綜合考慮工程建造、結(jié)構(gòu)使用和老化結(jié)構(gòu)三個階段的“全壽命周期綜合設(shè)計(jì)”新理念。其中，對于結(jié)構(gòu)的耐久性和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究，構(gòu)成了近年來結(jié)構(gòu)工程研究發(fā)展的熱點(diǎn)。2021/5/933在結(jié)構(gòu)耐久性的研究中，關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究引起了廣泛的關(guān)注。根據(jù)結(jié)構(gòu)工作環(huán)境情況、破損機(jī)理、形態(tài)以及傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，可將混凝土結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境分成6大類：①大氣環(huán)境；②土壤環(huán)境；③海洋環(huán)境；④受環(huán)境水影響的環(huán)境；⑤化學(xué)物質(zhì)侵蝕環(huán)境；⑥特殊工作環(huán)境?；炷两Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生耐久性失效，系源于混凝土在外部環(huán)境作用下，材料物理、化學(xué)性質(zhì)漸漸的發(fā)生變化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力逐漸退化，最終影響到整個結(jié)構(gòu)的安全。

根據(jù)不同的設(shè)計(jì)使用年限及其相應(yīng)的極限狀態(tài)和不同的環(huán)境類別及其作用等級進(jìn)行；同一結(jié)構(gòu)中的不同構(gòu)件或同一構(gòu)件中的不同部位由于所處的局部環(huán)境條件有異，應(yīng)予區(qū)別對待；結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)必須考慮施工質(zhì)量控制與質(zhì)量保證對結(jié)構(gòu)耐久性的影響，必須考慮結(jié)構(gòu)使用過程中的維修與檢測要求。2.4結(jié)構(gòu)耐久性及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測2021/5/934由于重大工程結(jié)構(gòu)和城市生命線工程基礎(chǔ)設(shè)施的服役年限較長，在服役期內(nèi)要經(jīng)受各種環(huán)境作用、腐蝕效應(yīng)及材料老化等因素的影響，結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)在服役期內(nèi)將不可避免地產(chǎn)生損傷、演化與損傷累積。在一定條件下，這種累積過程可能導(dǎo)致突發(fā)的災(zāi)難性事故。因此，如何有效地進(jìn)行重大工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測、損傷識別、運(yùn)行可靠性評估與結(jié)構(gòu)安全預(yù)警，開始成為當(dāng)代結(jié)構(gòu)工程研究的重要課題，并已開始出現(xiàn)了成功應(yīng)用的范例。例如：1995年，美國投資1.44億美元在90座大壩上配備了安全監(jiān)測設(shè)備。2002年，日本在一些高層建筑上布設(shè)健康監(jiān)測系統(tǒng)，用以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的完整性與地震反應(yīng)。2003年，意大利在將要舉行2006年冬季奧運(yùn)會的Susa河谷，對其生命線工程系統(tǒng)初步布設(shè)了監(jiān)測系統(tǒng)。

國內(nèi)目前發(fā)展的：橋梁監(jiān)測、大壩監(jiān)測、管道、地鐵、高速鐵路、高層房屋監(jiān)測等。2.4結(jié)構(gòu)耐久性及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測2021/5/9352021/5/936結(jié)構(gòu)工程與其它學(xué)科的交叉、融合引發(fā)出的新概念、新理論和新方法，為創(chuàng)造新的結(jié)構(gòu)形式和體系提供了重要基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)的智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展。智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與診斷系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)系統(tǒng)，所涉及的領(lǐng)域包括結(jié)構(gòu)狀態(tài)的信息采集、傳輸和處理技術(shù)，結(jié)構(gòu)狀態(tài)及損傷的分析與識別理論，結(jié)構(gòu)控制技術(shù)和智能工程材料等，體現(xiàn)了現(xiàn)代學(xué)科交叉、融合的特征，是一個值得加以推動的重要研究方向。近年來，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)方法成為研究的重點(diǎn)方向。提出了基于性能的耐久性設(shè)計(jì)方法。建立考慮多種因素的結(jié)構(gòu)承載力和變形的經(jīng)時(shí)變化模型，準(zhǔn)確描述工程結(jié)構(gòu)在使用周期中耐久性能的變化規(guī)律，是混凝土耐久性研究的重點(diǎn)、熱點(diǎn)與難點(diǎn)?，F(xiàn)有的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究狀況表明：目前的研究成果主要還局限在構(gòu)件層次，結(jié)構(gòu)層次上的耐久性研究，則剛剛起步。結(jié)構(gòu)耐久性及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測發(fā)展趨勢2021/5/9372.5精細(xì)化的結(jié)構(gòu)分析理論2、結(jié)構(gòu)工程學(xué)科研究前沿在傳統(tǒng)靜力線性分析問題得到基本解決的基礎(chǔ)上，20世紀(jì)后期結(jié)構(gòu)分析理論的研究與進(jìn)展主要集中在結(jié)構(gòu)動力分析、非線性分析、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)可靠度研究方面。對這些關(guān)鍵科學(xué)問題的研究，直至今天，仍然屬于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的前沿與熱點(diǎn)問題。結(jié)構(gòu)動力分析：主要集中于與工程相結(jié)合的地震工程與風(fēng)工程研究。隨機(jī)振動分析虛擬激勵法密度演化理論結(jié)構(gòu)非線性分析：結(jié)構(gòu)物理非線性問題、結(jié)構(gòu)性態(tài)軟化后數(shù)值分析難題、本構(gòu)關(guān)系尚未達(dá)到足以反映結(jié)構(gòu)復(fù)雜受力性態(tài)的水準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析：靜力穩(wěn)定分析動力穩(wěn)定性問題結(jié)構(gòu)可靠性分析：將結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力統(tǒng)一起來，并定量加以描述、形成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。（同濟(jì)大學(xué)李杰）

2021/5/9382.6精細(xì)化的結(jié)構(gòu)分析理論2、結(jié)構(gòu)工程學(xué)科研究前沿在20世紀(jì)初葉，許用應(yīng)力設(shè)計(jì)，分析的基本理論依據(jù)是彈性理論。20世紀(jì)40～50年代，主要是出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，開始接受承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)思想，采用結(jié)構(gòu)塑性分析理論。20世紀(jì)70年代中期，在極限狀態(tài)設(shè)計(jì)思想基礎(chǔ)上，逐步加入了對于結(jié)構(gòu)荷載、材料性質(zhì)不確定性的考慮，發(fā)展了基于概率的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理論。20世紀(jì)90年代中期，在地震工程領(lǐng)域內(nèi)提出了基于性能設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)。2021/5/939為了實(shí)現(xiàn)基于性能設(shè)計(jì)理念，下述研究工作將是基本的：（1）結(jié)構(gòu)性態(tài)水準(zhǔn)的確定：需要在結(jié)構(gòu)受力全過程和結(jié)構(gòu)壽命全過程范圍內(nèi)研究不同層次、不同目標(biāo)的結(jié)構(gòu)性態(tài)水準(zhǔn)；（2）投資－效益準(zhǔn)則的研究：需要針對不同類型結(jié)構(gòu)，在工程結(jié)構(gòu)－工程系統(tǒng)兩個層面上分別建立投資－效益準(zhǔn)則。在風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)投資－效益準(zhǔn)則確定結(jié)構(gòu)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)；（3）結(jié)構(gòu)可靠性的確定：利用結(jié)構(gòu)可靠度，統(tǒng)一結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)層次的可靠度分析與評價(jià)。在這里，不僅