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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 施工力学 新工艺
2、、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,（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。,1931年 美国纽约 帝国大厦 高381m 102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。,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。,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
3、是计算机技术的广泛应用，空间结构形式更加丰富多彩。,（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
4、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。,（3）更大跨度的桥梁结构：,2.1 挑战结构极限,（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
5、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。,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。 1886年美国首先采用了钢筋混凝土楼板。 1900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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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。,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。,CFRP
11、碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic )的缩写，特点是轻质高强，比如F1赛车、单体壳、波音787客机 GFRP（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。 AFRP：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
12、、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。FRP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
13、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；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。,2.2 新型
14、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，
15、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
16、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段和基础。结构工程学科发展进程中，结构实验及其技术的发展具有基础性的地位。 18世纪法国科学家用简支木梁沿中性轴上横断面开槽，塞入硬木块，作受弯承载能力试验，证明了跨中截面上翼缘受压、下翼缘受拉、中间有一中性层，使材料力学中受弯构件截面应力分布计算式在1940年代得以确立。 19世纪初，工程结构得以用试加荷载的方法探求其工作状态和可靠性。由于生产和运输业的发展，仪器设备的研究和改进，大跨结构的出现，促使工程结构试验开始建立定量试验方法，并推动工程结构计算理论的发展，使工程结构试验成为一门独立学科。 20世纪后期，结构实验技术最重要的进展体现在拟动力实验技术、多轴和快速加载技术、多种灾害与作用的综合模拟技术（如水下振动台、振动台和快速拟动力结合的混合实验技术）等。,结构试验的目的：,研究性试验 鉴定性试验 检测类试验,试验目的,验证基本假定和计算理论 创立新的
