第12章高新技术在土木工程中的应用.ppt

1 了解计算机与仿真技术 2 了解现代结构试验技术 3 了解结构抗震控制技术 4 了解结构健康检测与安全预警技术 12 1计算机与仿真技术12 2现代结构试验技术12 3结构抗震控制技术12 4结构健康检测与安全预警技术 本章目录 基本要求 第12 1节计算机与仿真技术 概述 了解计算机与仿真技术 本节目录 基本要求 模拟 Modeling 是指选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征 用另一个系统来表示他们的过程 仿真 Simulation 是指用另一个数据处理系统 主要用硬件来全部或部分地模仿某一数据处理系统 以至于模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据 执行同样的程序 获得同样的结果 在土木工程领域 计算机仿真技术也得到了广泛的应用 在岩土工程中 对于地下开挖的全过程可以通过计算机仿真来预示和防止出现基坑支护倒塌 管涌或流砂等问题 在防灾工程中的于洪水灾害 可以通过已有洪水泛滥淹没区发展过程的显示软件 该软件预先储存了洪水泛滥区的地形 地貌和地物 并拥有高程数据 运用计算机仿真输入洪水标准 并根据水量 流速及区域面积和高程数据 计算出不同时刻淹没的区域和高程 并在图上显示出来 人们可以从屏幕上看到水势从低处到高处逐渐淹没的过程 从而做出防洪规划及遭遇洪水时指导人员的疏散 对一个工程技术系统进行模拟仿真 主要包括三个步骤 即建立模型 实验求解和结果分析 1 建立模型 建立模型是指用模型模拟来代替真实系统进行实验和研究 建模的过程其实是一个信息处理的过程 根据建模所用的不同类型的信息 可以将建模方法归纳为两类 演绎法建模和归纳法建模 2 试验求解 实验求解是值对所建立的仿真模型进行数值实验和求解计算的过程 不同的模型有不同的求解方法 3 结果分析 要想通过模拟仿真得出正确有效的结论 必须对仿真结果进行科学的分析 现代仿真软件广泛采用了可视化技术 通过图形 图表 甚至动画 生动逼真地显示出被仿真对象的各种状态 使模拟仿真的输出信息更加丰富 更加详尽 更加有利于对仿真结果的科学分析 第12 2节现代结构试验技术 1 概述2 结构试验的分类3 结构试验技术的发展 1 了解现代结构试验技术的分类与发展 本节目录 基本要求 12 2 1概述 结构实验是研究和发展结构新材料 新体系 新工艺以及探索结构设计新理论的重要手段 在工程结构科学研究和技术革新等方面起着重要的作用 土木工程结构中的建筑结构 桥梁结构 地下结构 隧道结构等都是以各种工程材料为主题构成不同类型的承重构件相互连接而成的组合体 在一定的经济条件制约下 为满足结构在功能及使用上的要求 必须使得这些结构在规定的使用期内安全有效地承受外部及内部形成的各种作用 在进行结构应力分析时 一方面可以利用传统的力学理论计算方法解决 另一方面也可以利用试验方法 即通过结构试验 采用试验应力分析方法解决 12 2 2结构试验的分类 1 按试验目的不同分类 结构试验按试验目的可分为生产性试验和科研性试验 生产性试验通常是具有直接的生产目的 以实际建筑物或结构构件为试验对象 经过试验对具体结构作出正确的技术结论 科研性试验的目的通常在于验证结构设计计算的各种假定 制定各种设计规范 发展新的设计理论 改进设计计算方法 为发展和推广新结构 新材料及新工艺提供理论与实践的经验 2 按荷载性质不同分类 结构试验按荷载性质可分为静力试验和动力试验 静力试验是结构试验中最常见的基本试验 一般可通过重力或各种类型的加载设备来实现并满足加载要求 动力试验是为了解结构在动力荷载作用下的工作性能而进行的试验 通过动力加载设备直接对结构构件施加动力荷载 静力试验的最大优点是加载设备相对比较简单 荷载可以逐步施加 并根据试验要求分阶段观测结构的受力及变形的发展情况 给人们以最明确和清晰的破坏概念 静力试验的缺点是不能反映应变速率对结构的影响 特别是在结构抗震试验中与任意一次确定性的非线性地震反应相差很远 相比之下 动力试验要比静力试验复杂的多 在结构抗震性能的研究中 直接施加动力荷载进行试验比采用静力加载模拟更为理想 3 按试验对象不同分类 结构试验按试验对象的不同可分为原型试验 模型试验和小构件试验 原型试验的试验对象是实际结构或构件 一般用于生产鉴定性试验 原型试验投资大 周期长 并且测量精度容易受环境因素等影响 在经济上或技术上往往会存在一定困难 模型试验 即仿照原型并按一定比例关系复制而成的试验代表物 具有实际结构的全部或部分特征 这类试验的模型通常要求有比较严格的模拟条件 做到几何相似 力学相似和材料相似 目前在试验室内进行的大量结构试验均属于模型试验 4 按试验周期长短不同分类 结构试验按试验进行时间的长短可分为短期荷载试验和长期荷载试验 对于主要承受静力荷载的结构构件实际上荷载是长期作用的 但是在进行结构试验时限于试验条件 时间和基于解决问题的步骤 我们不得不大量采用短期荷载试验 即荷载从零开始施加到最后结构破坏或到某阶段进行卸荷的时间总和只有几十分钟 几小时或者几天 对于研究结构在长期荷载作用下的性能 如混凝土结构的徐变 预应力结构中钢筋的松弛等就必须要进行静力荷载的长期试验 5 按试验场合不同分类 结构试验按试验场合可分为试验室试验和现场试验 试验室试验由于具备良好的工作条件 可以应用精密和灵敏的仪器设备 具有较高的准确度 甚至可以认为地创造一个适宜的工作环境 以减少或消除各种不利因素对试验的影响 所以适宜于进行研究性试验 现场试验多数用以解决生产性的问题 所以大量的试验是在生产和施工现场进行 有时研究的对象是已经使用或将要使用的结构物 现场试验也可获得实际工作状态下的数据资料 12 2 3结构试验技术的发展 结构试验始于17世纪初伽利略的梁弯曲试验 随后胡克进行了弹簧试验并建立了胡克定律 18世纪库仑进行了扭转试验 并建立了剪切的基本概念 19世纪杨氏通过试验测定了拉伸与剪切的弹性模量 确立了弹性模量的基本概念 19世纪后期 在纳维叶 泊松 圣维南等人都的努力下 使弹性理论发展到一个较为成熟的阶段 我国对于结构试验也极为重视 并在这方面做了许多工作 1953年在长春对25 3米高的酒杯形输电铁塔进行了简单的原型试验 这是新中国成立后第一次规模较大的结构试验 1986年各大学开始设置结构实验课程 各建筑学研究机构和高等学校也开始建立结构实验室 同时开始生产一些测试仪器 全国各地开始对结构构件进行试验 我国也初步拥有了一支既掌握一定试验技术又具有一定装备的结构试验专业队伍 国外试验技术的发展特点是测试方法的多样化和测试仪器的高精度 小型化和电气化 近年来 随着现代测试技术的发展 计算机在试验控制 数据采集及数据处理上的应用都使结构试验有了质的飞跃 今后应着重于对结构试验载荷系统进行研究 逐步提高量测精度和测试自动化程度 引用现代物理学上的新成就和其他先进技术来解决应力 位移 裂缝及振动的量测问题 开展结构模型试验理论 方法和结构非破损试验技术的研究 使建筑结构试验技术达到现代化水平 更好地适应和满足建筑结构科学发展的要求 第12 3节结构抗震控制技术 1 被动控制2 主动控制技术3 混合控制技术4 半主动控制技术 1 了解结构抗震控制技术 本节目录 基本要求 结构控制示意图 12 3 1被动控制 1 基础隔震技术 在建筑物或构筑物基底设置控制机构来隔离地震能量向上部结构传输 使结构振动减轻 防止地震破坏 这就是基础隔震 近年来 世界隔震技术的发展主要有以下特点 隔震技术的应用范围越来越广 数量越来越多 隔震建筑的结构形式日趋多样化 已经从早期主要应用于砌体结构 钢筋混凝土结构发展到钢结构 组合结构和木结构 可供选择的隔震装置越来越多 新的隔震方法也不断提出 采用混合隔震技术已成为发展趋势 隔震设计法规日趋完善 隔震技术的合作研究已成为趋势 2 耗能减震技术 耗能减震技术是把结构物种的某些构件 如支撑 剪力墙等 设计成耗能部件或在结构物的某些部位 节点或连接处 装设阻尼器 在风荷载和小震作用下 耗能杆件和阻尼器处于弹性状态 结构体系具有足够的抗侧移刚度以满足要求 在强烈地震作用时 耗能杆件或阻尼器率先进入非弹性状态 大量耗散输入结构的地震能量 使主体结构避免进入明显的非弹性状态 从而保护主体结构在强震中免于受损 3 吸振减震技术 吸振减震技术是在主体结构中附加子结构 使结构的振动发声转移 即使结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配 从而达到减小结构振动的目的 目前主要的吸振减震装置有调谐质量阻尼系统 调谐液体阻尼系统 调谐液柱式阻尼系统等 12 3 2主动控制技术 结构主动控制理论的研究是以各种控制算法为主线 采用计算分析和模拟方法研究结构主动控制的可行性 结构在不同控制率控制下对不同输入的响应 控制系统的时滞效应和时滞补偿 控制参数对控制效果的影响 结构参数的不确定性及控制机构与结构的相互作用对控制效果的影响等问题 目前已提出的比较有应用前景的主动控制装置系统有主动拉索系统 ATS 主动支撑系统 ABS 主动可变刚性系统 AVSS 主动质量阻尼系统 AMD 主动调谐质量阻尼系统 ATMD 12 3 3混合控制技术 混合控制是在结构中联合施加主动控制和被动控制 以减少结构在外界荷载作用下的动力响应 提高结构的抗震 抗风能力 这种系统综合了主动控制和被动控制的优点 具有较好的控制效果 目前主要有同时采用AMD 主动质量阻尼系统 和TMD 调谐质量阻尼系统 的混合控制系统 主动控制和基础隔震相结合的混合控制系统 主动控制和耗能装置相联合的混合控制系统 12 3 4半主动控制技术 被动控制具有构造简单 造价低廉及效果显著等优点 但仍有一定的局限性 近些年提出了半主动控制系统 这种系统以被动控制为主 只是应用少量能量对被动控制系统的工作状态进行切换 以适应系统对最优状态的跟踪 抗震控制是结构抗震的新对策 新技术 其中主动控制是高新技术 抗震控制技术在实际工程中具有广泛的应用前景 而21世纪的建筑抗震对策是以抗震控制为主体 并被众多学者称之为 抗震控制的世纪 第12 4节结构健康检测与安全预警技术 1 概述 1 了解结构健康检测与安全预警技术 本节目录 基本要求 结构健康检测是指利用现场的无损传感技术 分析通过包括结构响应在内的结构系统特性 达到检测结构损伤或退化的一些变化 工程结构一般会受到两种损伤 即突然损伤和积累损伤 突然损伤由地震 洪水 飓风等自然或认为灾害等突发事件引起 积累损伤则一般是结构在经过长时期使用后缓慢累积的损伤 具有缓慢累积的性质 对于损伤识别主要是判断结构中是否有损伤产生 损伤定位 识别损伤类型 量化损伤的严重程度 评估结构的剩余寿命 结构健康检测是一种实时的在线检测技术 一般健康检测系统包括传感器子系统 数据采集与处理及传输子系统 损伤识别 模型修正和安全评定与安全预警子系统和数据管理子系统 健康检测系统各子系统之间的关系与流程 结构健康检测技术是一个多领域跨学科的综合性技术 包括土木工程 动力学 材料学 传感技术 测试技术 信号处理 网络通讯通信技术 计算机技术 模式识别等多方面的知识 随着科技的进步 对结构检测的软件与硬件不断得到开发 进而开发出相应的智能故障预警软件系统 实现对