土木工程前沿 第2章 结构解析

《土木工程前沿 第2章 结构解析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土木工程前沿 第2章 结构解析（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、结构工程学科前沿 陈 勇 三峡大学土木与建筑学院 土木工程学科前沿 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。 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

2、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 2.1 挑战结构极限 2、结构工程学科研究前沿 u（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381m 102层 1972年 美国纽约 世贸中心 高417m 110层 1974年 芝加哥 西尔斯 大厦 高442m 110层 2003年 台北市 101大厦 5

3、08m 101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 828m 162层 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。 u（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（212m144m，2007年） 更大的跨度：研究大跨度桥梁在气动、地

4、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。 u（3）更大跨度的桥梁结构： 2.1 挑战结构极限

5、 u（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。 2.2 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

6、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。 u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。 u1886年美国首先采用了钢筋混凝土楼板。 u1900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）。 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

7、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 混凝土按强度大致可分为三类: 普通混凝土:2060 MPa; 高强混凝土:60150 MPa; 甚高强度混凝土:大于150 MPa。 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

8、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 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96 MPa。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,110 MPa的 高强混凝土在12h后即可达到40 MPa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

9、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 2.2 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 2.5 h内不变。 阻滞裂纹扩

10、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

11、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。 n n 返回返回 2.2 新型材料的研究应用混凝土复合材料 在过去的十余年，FRP（Fiber Reinforced Plastics、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。 uCFRP碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic )的缩写， 特

12、点是轻质高强，比如F1赛车、单体壳、波音787客机 uGFRP（Glassfiber Reinforced Plastic，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。 uAFRP：芳纶纤维增强复合材料。 2.2新型材料的研究应用FRP 碳纤维瓦 玻璃钢雕塑 FRP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。 FR

13、P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。 3、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

14、；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。 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

15、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 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 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 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

16、一般为红砖的四 分之一至五分之一。 多孔砖 加气砖 空心砖 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 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 2.3 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