土木工程的现状与未来发展趋势综述_方从严

安徽建筑工业学院学报(自然科学版)

JournalofAnhuiInstituteofArchitecture＆Industry

Vo.l13No.2　Apr.2005　

土木工程的现状与未来发展趋势综述

方从严,　梁有峰,　吴　庆

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(1.河海大学土木工程学院,南京　210098;2.芜湖市华润规划建筑设计有限责任公司,芜湖　241000)

摘　要:系统分析了土木工程的建设成就和建筑材料、结构型式、设计理论等方面的研究与应用现状;对土木工程的未来发展方向从复杂结构型式的研究,新材料、新技术开发与应用,岩土锚固技术,基于可靠度的设计理论等方面进行了探讨。提出应加强土木工程各学科间的交流,促进土木工程的更大发展。关键词:土木工程;现状;发展

中图分类号:TU311　　　文献标识码:A　　　文章编号:1006-4540(2005)02-041-05

Ontheactualityanddevelopmentofcivilengineering

FANGCong-yan,　LIANGYou-feng,　WUQing

241000,China)

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2

(1.CollegeofCivilEngineering,HohaiUniv.,Nanjing210098,China;2.WuhuHuarunPlanning＆ArchitecturalDesignCo.Ltd.,Wuhu

Abstract:Theactualityandfuturedevelopmentofcivilengineeringweresystematicanalyzed.Itinvolvescon-structiveachievement,constructionmaterial,structuretype,thetechnologyofgeotechnicalreinforcement,de-signprinciplebasisofreliability,thetechnologyofstructure.Inordertodevelopcivilengineering,itisneces-sarytostrengtheninterflowbetweendifferentsubjec.t

Keywords:civilengineering;actuality;development　　经过多年的发展,目前土木工程的实践和研究已取得显著成就,无论是结构的力学分析,还是结构设计的理论和方法以及结构的施工手段,都有了非常大的突破;特别是近若干年,在高层、大跨结构和钢结构方面成绩尤其惊人。但展望未来,土木工程领域中仍然有许多课题需要我们进一步探讨。

国已建成20层以上高层建筑物10000多栋,超过100m的高楼有500多栋,200m以上的高层建筑50多栋,有20多栋超过300m。目前我国最高的高层建筑为上海浦东金茂大厦,地上88层,高度420.5m,地下3层,其高度在世界已有建筑物中排第3位,为钢筋混凝土和钢构架混合结构。即将动工兴建的上海金融中心大厦地面94层、地下3层,高466m,建成后,其高度将超过目前世界最高的吉隆坡佩重纳斯大厦而成为世界第一高度。在世界上,前10位最高建筑有1998年建成的高382.2m的马来西亚PlzazRakyat,高381.0m的美国纽约帝国大厦,遭袭击倒塌的两栋高417m和415m原美国纽约世界贸易中心,

1　土木工程的现状

1.1　土木工程建设成就巨大

自改革开放以来,我国高层建筑的发展进入了一个崭新的阶段,高层建筑不仅在数量上越来越多,而且在高度上也越来越高。据初步统计,我　　收稿日期:2004-09-27作者简介:方从严(1966-),男,副教授,博士研究生,主要研究方向为结构非线性分析。

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大突破。国内由吕志涛院士领导的课题组及其他研究机构业已开展利用碳纤维布对钢筋混凝土

梁、板、柱进行加固的研究,已取得许多成果,标志着我国在这一领域已处于较为领先的地位。目前,利用碳纤维材料加固修补混凝土结构的技术已在工程中获得应用,其前景非常广阔。1.3　预应力技术的应用

20世纪80年代,我国预应力技术已从单个构件发展到预应力结构的新阶段。预应力技术的应用已扩大到大跨度、大柱网、大开间的多层与高层建筑,连续桥、斜拉桥等桥梁结构,核电站预应力安全壳、大型预应力储仓与储液池,预应力地锚与预应力管桩等特种预应力结构。预应力技术也是建造大跨度公共建筑、大型会议展览中心及大开间住宅的重要技术,也是高层、超高层建筑和承受特重荷载(如转换层结构、重型传力大梁等)的结构中不可缺少的关键技术。预应力技术在解决大、高、重、新建筑工程的设计和建造难题中发挥着其独特的优势。此外,预应力技术还将推动建筑结构的创新,如预应力拉杆替代柱的悬挂建筑结构将获得一定的发展。在公路工程中,预应力技术对解决路面混凝土开裂和减少伸缩缝,提高使用寿命具有良好的应用前景。在桥梁工程中,不论是超大跨的悬索桥(1000m以上,甚至达2000m)、特大跨的斜拉桥(500～1000m),还是大中跨度的系杆拱桥(<500m)、连续梁桥、刚构桥及小跨度的简支梁桥、板桥,都可有效地应用预应力技术。预应力混凝土更是建造海洋工程的最好材料。预应力混凝土抗裂性高、耐久性好等优越性将得到充分的发挥,预应力技术在海洋采油平台、海洋储罐,海上运输船以及海上防波堤、跨海大桥等海洋工程中将发挥更高的效能。此外,预应力技术也将在水利工程或其他工程如旧建筑的加固改造、加层和拆除中也已获得更多的应用。1.4　地下空间的建设与开发

目前世界上最大的地下街是日本东京八重洲地下街,共3层,建筑面积70km;最深的地下街是莫斯科切尔坦沃住宅小区地下商业街,深度在70～100m;最大的地下娱乐中心是苏格兰Varis-su市地下娱乐中心,战时可掩蔽1.1万人。我国也已有约20个城市进行了地铁系统的规划和具体实施阶段,先后提出25项地铁和轻轨项目,总2

吉隆坡高452m的石油双塔楼二栋,芝加哥高442m的Sears塔楼,高374m的香港中环广场大

厦,高368.5m的香港中国银行,高347.5m的高雄T＆C塔楼,高346.3m芝加哥Amoco大厦及上海浦东金茂大厦。在建的台北金融中心,高508m,系钢结构,将超过目前高层建筑世界纪录马来西亚石油双塔楼。

公路、铁路飞速发展,“十五”期间,我国将有公路160万km,其中高速公路2.5万km,2010年,全国高速公路将达3万km。我国第1条国道主干线京沪高速公路于2000年4月20日客运已全线贯通。到2005年,全国铁路营业里程约达7.5万km,首条跨海的粤海铁路通道于1998年8月30日破土动工,全长542.6km;国务院批准建设的青藏铁路,东起青海格尔木,西至西藏拉萨,全长1118km,其中多年冻土地段约600km,海拔高于4000m的地段960多km,将成为世界上海拔最高和最长的高原铁路,是西部大开发的又一项标志性工程。

桥梁工程也取得了惊人的成就,伴随着桥梁类型的不断翻新,主跨跨度一再突破;而斜拉挢的复兴更是桥梁工程的另一个辉煌。日本的时石海峡大桥(1991m悬索桥)、多多罗大桥(890m斜拉桥),丹麦的海带桥(1624m悬索桥),法国诺曼底桥(856m斜拉桥)被公认为是20世纪桥梁的代表作而载入史册。而杨浦大桥、南浦大桥、芜湖长江大桥、南京长江二桥等大跨桥梁的建成都标志着我国的大跨结构达到了一个新的水平,已跨入世界先进行列。目前,我国已建成千米以上大桥3座(尚有2座正在兴建中)、800m以上大桥8座、600m以上大桥15座、400m以上大桥40座,重庆万县单孔跨度达420m的钢筋混凝土拱桥更引起世界同行的莫大兴趣。1.2　新型建筑材料的开发与应用

近年来,随着高标号水泥的大量生产,钢纤维和玻璃纤维混凝土、聚合物浸渍混凝土等快硬、高强、轻质、复合和节能混凝土的研制,复合、新型墙体材料的开发,钢化玻璃、多功能涂层玻璃、双层中空玻璃等建筑用平板玻璃等的发展,都带来了土木工程的结构形式、设计理论和施工技术等方面的新发展。而从20世纪80年代兴起的碳纤维的应用研究,更是土木工程在这一领域的又一重　第2期　　　　　　　　方从严,等:土木工程的现状与未来发展趋势综述长度达到320km正在施工阶段。同时地下空间技术也得到了飞速的发展和提高。目前我国城市地下工程建设主要施工方法有明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉管法、冻结法及注浆法等,这些技术已经达到了国际先进水平,这也为地下空间开发提供了宝贵的经验。1.5　土木工程的可靠度理论的研究应用

长期以来,人们一直习惯于以安全系数作为土木工程的评价指标。然而,安全系数只是一个由确定的信息得到的一个定值,它未能考虑设计变量中任何客观存在的变异性,某一特定的安全系数值,对于不同的工程未必具有同样的意义。考虑实际工程中的不确定因素,对工程进行随机力学分析和可靠度评估具有十分重要的意义。近来,随着土木工程理论的不断发展和人们认识的不断深入,工程随机力学和工程可靠度理论及其应用研究已处于一个热门的研究状态。结构可靠度的计算已由元件可靠度发展到体系可靠度;计算方法上有Monte-Carlo法、近似计算方法、界限估计法发展到Hohenbichler的降维法、Ditlevsen的Taylor展开法、Comell的窄界限法;在实际应用方面,在洪华生(AlfredoH.S.Ang)等国际著名专家的推动下,美国和日本等国家已基于全概率思想,考虑投资风险和效益,进行结构可靠度动力设计方法的研究,其成果已用于若干高楼的设计。

体提升或顶升的施工安装方法;

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(6)钢—混凝土组合结构抗震设计研究(这方面研究国内外都很少开展);

(7)钢结构的抗火设计和防腐设计等。2.2　防震抗风与减灾

随着超高层、超大跨桥梁和大跨结构等大型复杂结构的兴建,结构设计呈现更长、更高、更柔的发展趋势。许多情况下风荷载和地震荷载已成为结构设计的控制因素。因此大型复杂结构体系抗风抗震的设计理论及其相关问题将被进一步关注。相关的研究课题将包括设计地震动及灾害性风荷载的作用机理;超高层建筑结构体系的抗风与抗震,特大跨度桥梁的结构体系及抗风抗震。同时“以柔克刚”的抗震思想在结构振动控制技术中将进一步得到体现,现代振动控制将向自适应控制、智能控制、吸震减震技术研究方向发展;土木结构健康监测、灾害结构响应控制等基础性的研究将会进一步加强。2.3　预应力混凝土材料及技术

预应力混凝土材料及技术本身将有所创新和发展,并将推动新材料、新技术、新理论及新设计方法不断涌现。其应用研究将主要体现在以下几方面:

(1)混凝土将继续朝高强、高性能方向发展;免振混凝土、密筋混凝土可能在结构中试用;

(2)大直径、大截面钢绞线的研制、生产;超过2000级的高强钢绞线也可能推出;镀锌、环氧涂层钢绞线将被采用;不锈钢绞线的应用将有大的增长;耐久、轻质(重量只有钢材的20%)、更高强(>2000MPa)的高性能纤维加强塑料筋将较多地获得应用;碳纤维加劲塑料(CFRP)、玻璃纤维加劲塑料(GFRP)、芳纶纤维加劲塑料(AFRP);

(3)新型无粘结CFRP预应力筋及体外预应力配筋将得到开发和应用;(4)预应力混凝土结构的耐久性、抗火、抗震、抗爆等性能研究及它们的设计方法研究;

(5)预应力混凝土与钢筋混凝土的结合,预应力混凝土与纤维混凝土的结合以及其它材料的结合;

(6)预应力轻混凝土的发展和预应力混凝土结构的计算理论的完善以及预应力混凝土结构的2　未来的发展趋势

2.1　进一步发展高层、大跨结构

钢结构将得到加速发展,相关的问题将成为研究热点:

(1)大跨结构体系及关键技术,大型复杂结构体系的现代设计理;

(2)针对高层钢结构的体系与布置、结构的动力特性、结构的可靠性评价、结构的空间稳定、各种设计荷载和钢结构可靠度的比较研究;

(3)研究和开拓各类杂交空间结构体系和巨型网格结构体系;

(4)研究各类大跨空间结构的实用分析方法,包括结构临界荷载的分析方法,结构实用抗震分析方法,常用曲面风载体型系数的计算等;

(5)革新大跨空间结构的施工方法,发展和推广空间结构的高空悬挑安装法及地面安装、整44安徽建筑工业学院学报(自然科学版)　　　　　　　　　　第13卷

应力的分布,无论采用何种技术措施,都要或多或少地影响到地面原有的建筑物的安全。

又由于地面各种建筑物、市政工程等设施的结构形式、服务年限不同,因此,即便在相同的变形影响下,对各种建筑物的安全影响也不一致,因此,在建设之前要进行整体区域与个别建筑设施评价相结合的方式进行相关的研究和评价,以确保建设区地面的安全。

2.6　岩土锚固技术的应用领域将不断扩大应用研究将进一步拓展:岩土锚固技术除在地下工程、边坡工程、结构抗浮工程、深基坑工程中继续保持着良好的发展势态外,在重力坝加固工程、桥梁工程以及抗倾覆、抗地震工程中的地层锚固则有着长足的进展;同时锚杆锚固机理的相关研究仍为土木工程界的热点和难点,包括锚杆锚固机理的现场实验研究、不同岩体和土体中锚杆锚固机理的数值模拟、锚杆加固边坡和地下开挖洞室内壁的锚固机理的研究、群锚效应的研究、重复荷载与地震效应对锚杆影响的研究。2.7　基于可靠度的结构优化方法的应用研究将

成为土木工程中的一个热门　　结构优化理论是20世纪60年代建立起来的,目前已在飞机、船舶、机械等制造行业和重要的大型土木工程中得到应用,取得显著的经济和社会效益。但这种优化方法尚未在土木工程中得到普遍应用,优化的要求也未能在规范中得到体现。从土木工程的性质来看,工程的优化设计应包括以下内容:

(1)工程项目的可行性分析与论证;(2)工程系统的组成和结构选型;(3)工程系统的全局优化;

(4)基于可靠度的多目标复杂结构优化设计方法;

(5)工程系统与结构的实施规划和施工力学;

(6)工程系统的科学管理和维修;

(7)工程经济学与设计心理学。

结构的可靠度优化设计是在传统的优化设计的基础上发展起来的。国外真正开始这方面的研究始于20世纪70年代后期,随着结构优化研究和可靠度研究工作的深入,基于可靠度的结构优化方法的研究开始针对具体结构,并通过引入随拆除、重建方法以及预应力作为结构加固和调整内力的措施的研究;

(7)发展和推广现代预应力空间结构体系,一是研究和推广应用预应力技术来提升结构刚度,调整结构风力的分布,如预应力网格结构、预应力斜拉网格结构;二是研究通过预应力技术来形成新的空间结构,如张弦梁结构、张拉整体结构和索穹顶结构等。

2.4　大力发展高性能混凝土

美国混凝土学会(ACI)将高性能混凝土(HPC)定义为具有易灌实、易密实,不离析,能长期保持优越的力学性质,早期强度高、韧性好,体积稳定、在恶劣环境下使用寿命长等所要求性能的匀质混凝土。1992年里约热内卢召开的地球峰会将“可持续发展”定义为“与地球生态系统相协调的经济活动”。指出对环境无害的混凝土技术的基础赖以建立的3个主要支柱是对混凝土原材料的节约、混凝土耐久性的提高以及混凝土技术从简约法到整体法的转变。因此发展高性能混凝土必须采用可持续发展的、对环境无害的混凝土技术,在研制各种外加剂和胶凝材料的同时,更应大力研究骨料替代、水泥替代和矿物掺料的使用等利用废弃材料来改善混凝土的性能,提高其耐久性的方法。如:采用轧碎的废弃混凝土代替碎石,用粉煤灰中的飞灰或细灰作硬凝材料;采用炼铁副产品高炉矿碴代替水泥;用粉煤灰及高炉矿碴作水泥的混合料或混凝土的矿物掺料等。2.5　地下空间可持续开发的研究

进行地下空间的开发,主要是改变了地层原始分布状态,从而引发地层内部及地面环境的改变。为使地下空间可持续地开发,需研究以下几个问题:

(1)水文地质条件的改变地下空间结构的建造与形成改变了地下水径流的路线,破坏了原有的补给关系,从而改变了地下水资源的分布形式与赋存状态,并影响到地表的植被生长;

(2)地下空间开发对原有的生态平衡产生破坏作用地下空间开发破坏原有动植物的生态环境,从而影响地理气候条件,欲恢复原有生态平衡要进行相关的研究和改造;

(3)地下空间开发对地面原有建筑物的安全将产生影响地下岩体工程开挖将破坏原有地层　第2期　　　　　　　　方从严,等:土木工程的现状与未来发展趋势综述机有限元法来分析结构进行优化,并通过建立大系统的观点和工程系统的全局优化的思想,进行工程项目的可行性分析和总体布置的决策优化。

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3　结束语

目前,我国土木工程的某些领域已处于世界

先进行列,但我国土木工程的设计、施工和理论研究方面的总体水平与发达国家相比还有一定的差距。展望未来,不仅要加强新型结构型式、新型建筑材料、新的技术手段的理论探索和应用研究,更要加强土木工程二级学科间理论和技术的融合与渗透,实现土木工程的更大突破。参考文献

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