第11章 高新技术应用

1、 土木工程概论土木工程概论本 章 内 容 11.1 11.1 概概 述述 11.2 11.2 计算机与仿真技术计算机与仿真技术 11.3 11.3 现代结构试验技术现代结构试验技术 11.4 11.4 结构振动控制技术结构振动控制技术 11.5 11.5 结构健康监测与安全预警技术结构健康监测与安全预警技术11.1 11.1 概概 述述 二十世纪以来人类防灾、减灾能力落后于经济发展能力的现象，已成为制约社会的重要矛盾之一。解决这一矛盾行之有效的方法是将现代高新技术现代高新技术应用于土木工程。l现代高新技术在土木工程中应用，已经成为现代土木工程发展的重要标志之一。l进入20世纪中叶以来，土木工程

2、的发展呈现了传统建造技术与现代高新技术相结合的基本特征。11.2 11.2 计算机与仿真技术计算机与仿真技术11.2.111.2.1土木工程中计算机应用技术土木工程中计算机应用技术 计算机应用于土木工程始于20世纪50年代，早期主要用于复杂的工程计算，随着计算机硬件和软件水平的不断提高，应用范围已逐步扩大到土木工程设计、施工管理、仿真分析等各个方面。计算机辅助设计的概念以及相应软件计算机辅助设计的概念以及相应软件 l计算机辅助设计计算机辅助设计英文 Computer Aided Design 简称CAD 20世纪60年代，美国麻省理工学院（MIT）的Sutherland首先提出了人机交互图形通

3、讯系统，直到80年代，一些通用的CAD图形交互软件成功地移植到微型机上，从而开始在微机上应用CAD。上世纪90年代开始，设计院逐步甩掉图板，进行计算机辅助设计，极大提高工作效率掌握计算机辅助设计是土木工程专业学生必备的基本技能。图11.1 PKPM软件界面土木工程的力学分析土木工程的力学分析 受荷结构如果具有足够的强度与刚度，那么结构就不会发生较大的变形或破坏。对于细长的构件来说，还有失稳和屈曲问题。因此，对于结构构件进行力学分析与计算也是土木工程专业学生必须掌握的一项重要技能。 常用的结构分析计算软件有：我国北京大学研制开发的SAP84，大连理工大学研制开发的JIEFEX，美国的ABAQUS

4、、ANSYS、ADINA等。 （a）体育场屋盖 (b)高层建筑图11.2 有限元计算模型土木工程信息管理系统土木工程信息管理系统 l应用现代信息技术现代信息技术建立高效的行业管理、工程项目管理、企业管理方面的信息管理系统，可以方便有效地对行业的有关情况进行统计分析，制定合理的产业发展政策、产业技术政策、产业发展规划和发展战略提供了全新的条件与可能。l信息技术实现更宽范围的人力资源管理，更准确的会计管理、成本管理、融资管理、投资管理，更优化的决策管理、计划管理，更高效的项目施工管理。l工程项目的管理必须依靠整套先进的管理理念，采用管理软件进行管理。11.2.211.2.2土木工程中仿真技术土木工

5、程中仿真技术 工程结构在各种荷载作用下破坏特征和极限承载力是人们所关心的。l解决模型试验或现场试验的不足 当结构形式特殊、荷载及材料特性复杂时，模型试验往往受到场地和设备的限制，难以全面真实模拟实际工况。l仿真与虚拟现实技术，则可以进行足够尺寸的试验，还可以很方便地修改参数。l采用计算机模拟仿真试验，则可观察其破坏的全过程，便于破坏机理的研究。图图11.3 11.3 结构倒塌计算机仿真结构倒塌计算机仿真11.2.3 BIM11.2.3 BIM技术的概念和特点技术的概念和特点 区别于以往的设计模式，BIM技术为工程建筑行业带来的最大变革就是能够让建筑设计的整个过程处于三维模式中，随时调整，随时评

6、估。 BIM（Building Information Modeling）技术，中文名称建筑信息模型，是对工程项目信息的数字化表达。基本思想是，在计算机上进行建筑设计时，不再是对线段、弧线、圆等基本图元进行操作，而是对带有属性信息的建筑构件进行操作直接添加或删除一根带有其材料属性的柱子。它具有可视化，协调性，模拟性，优化性和可出图性五大特点。 BIM不仅是一个工具，它更代表着工程建筑行业未来“信息化”的发展方向和趋势。图图11.4 11.4 某工程施工的某工程施工的BMIBMI模型模型 在设计阶段，使用相应的BIM软件建立了三维设计模型，各专业设计之间可以共享三维设计模型数据，避免数据重复录入

7、；二维设计图纸可以从三维设计模型自动生成。使用专门的软件，可以对设计是否符合规范进行自动校核。另外，可以自动地将三维设计模型的数据导入到各种分析软件，例如能耗分析、绿色建筑分析、日照分析、风环境分析等软件中，快速地进行各种分析和模拟，还可以快速计算工程量并进一步进行工程成本的预测。在施工阶段，通过使用相应的软件，利用三维设计模型数据，进行虚拟建造。虚拟建造最重要的目的是：对建造过程进行预演，发现实际过程中可能出现的问题，及时改进，防患于未然。例如，可以综合建筑、结构、设备等各专业设计，进行碰撞检查。一旦发现构件之间的碰撞，可以及时调整设计，而不用等到施工时发现问题才进行设计变更。BIMBIM技

8、术的应用技术的应用 BIM技术的产业化应用，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。美国斯坦福大学整合设施工程中心（CIFE）根据329个项目总结了使用BIM技术的如下效果：消除40%预算外变更l造价估算耗费时间缩短80%；l通过发现和解决冲突，合同价格降低10%；l项目工期缩短7%，及早实现投资回报。BIMBIM技术的应用的效果技术的应用的效果11.3 11.3 现代结构试验技术现代结构试验技术11.3.1 11.3.1 结构抗震试验技术结构抗震试验技术 20世纪70年代初，美国学者将拟静力实验方法用于获取构件的数学模型，为结构的计算机分析提供构件模型，并通过地震模拟振动台实验对结构模型参数

9、作进一步的修正。 20 世纪70年代初在日本开发的拟动力实验方法是结构抗震实验研究中的一个里程碑, 特别是闭环控制的电液伺服实验系统提高了控制载荷和位移的精度； 新型传感器如位移计、应变计、光纤和激光设备的采用可以精确测量结构响应；数据采集和分析处理系统能够准确地用几十或几百个传感器来记录结构的实验过程；大型反力墙和反力台座允许进行大型构件甚至原型结构的实验。 工程结构试验技术起源于19世纪初。现代结构试验技术对于人们研究工程结构受外部作用而发生变形与破坏的基本原理、发展结构分析理论与设计理论，起到至关重要的基础性作用。（a)模拟地震振动台 （b）拟动力试验装置图11.5 结构抗震模型试验11

10、.3.2 11.3.2 结构风洞试验技术结构风洞试验技术 风洞风洞是一种模拟大气流动的试验装置。最初的风洞是为了航空航天研究而建造。 典型的风洞试验装置包括风机、气流扩散段、湍流模拟装置、试验区段、计算机控制与数据采集系统等内容。用于土木工程抗风试验的风洞主要用于模拟大气边界层内的空气流动过程，因此又被称为大气边界层风洞。图11.6 风洞模型试验 典型的抗火试验装置包括燃烧器、试验炉、加载系统、计算机控制系统和数据采集系统等部分。近年来我国许多高校科研机构开展火灾实验室的建设。11.3.3 11.3.3 结构抗火试验技术结构抗火试验技术 建筑火灾往往对建筑物内人员的生命安全造成很大威胁，为了保

11、证在火灾中建筑物内的人员具有足够时间逃生，并尽量保证在消防技术支持下结构不致出现严重破坏或倒塌，就需要进行结构抗火设计。建立结构抗火理论与方法的重要途径之一，是发展结构抗火试验技术。图11.7 结构抗火试验炉体和加载架11.4 11.4 结构振动控制技术结构振动控制技术 结构减震控制技术结构减震控制技术的发展是抗震理论和实践发展到一定阶段的产物，它是土木工程、地震工程、材料科学、计算机技术、控制技术等学科的交叉点。 由于主动控制技术的复杂性和对外部能量的供给需求，它的推广应用受到了一定的限制。11.4.1 11.4.1 被动控制被动控制l概念：概念：被动控制是一种不需要外部能源的结构控制技术，

12、一般是指在结构的某个部位附加一个子系统，或对结构自身的某些构件做构造上的处理以改变结构体系的动力特性。被动控制因其构造简单、造价低、易于维护且无需外部能源支持等优点而引起了广泛的关注，并已在实际工程中得到应用。l分类分类：被动控制从控制机理上可分为基础隔震和耗能吸能减振两大类。l概念概念：基础隔震是在上部结构与基础之间设置某种隔震消能装置，以减小地震能量向上部的传输，从而达到减小上部结构振动的目的。 适用范围适用范围：基础隔震能显著降低结构的自振频率，适用于短周期的中低层建筑和刚性结构，由于隔震仅对高频地震波有效，因此对高层建筑不太适用。基础隔震图11.8 基础隔震示意图 耗能吸能减震装置主要

13、有：金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘性液体阻尼器、调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、液压质量控制系统和质量泵等。 金属屈服阻尼器是用软钢或其它软金属材料做成的各种形式的阻尼耗能器。它对结构进行振动控制的机理是将结构振动的部分能量通过金属的屈服滞回耗能，从而达到减小结构反应的目的。耗能吸能减震图11.9 耗能支撑11.4.2 11.4.2 主动控制主动控制l概念：概念：主动控制是一种需要外部能源的结构控制技术，它是通过施加与振动方向相反的控制力来实现结构控制，以减少结构地震反应。l特点：特点：是采用能检测结构及外干扰振动的传感器，将传感器获得的信号作为控制振动的控制信号，通过作动器随时

14、向结构施加控制力，以便及时控制结构的动力反应。l组成组成：主动控制装置大体上由三部分组成：传感器。安装在结构上，测量结构所受外部激励及结构响应，将测得的信息传给控制系统中的处理器；处理器。用于依据给定的控制算法，计算结构所需的控制力，并将控制信息送给控制系统中的作动器；作动器。用于根据控制信息由外部能源提供结构所需的控制力。 目前从世界范围来看，主动控制技术在建筑中的应用还处在试验阶段。由于主动控制系统价格昂贵，因此对其工程应用产生一定影响。图11.10 采用主动质量阻尼系统的大楼11.4.3 11.4.3 混合控制混合控制l概念：概念：混合控制是主动控制和被动控制的联合，使其协调起来共同工作

15、。l特点：特点：这种控制系统充分利用了被动控制与主动控制各自的优点，它既可以通过被动控制系统大量耗散振动能量，又可以利用主动控制系统来保证控制效果，比单纯的主动控制能节省大量的能量，因此有着良好的工程应用价值。l发展趋势发展趋势：展望今后一个时期内，结构控制技术的发展趋势将是：虽然目前结构控制技术尚未在土木工程中得到广泛应用，但由于其自身所具有的明显优势“智能型”，其良好的应用前景是毋须置疑的。因此有理由相信，采用结构控制技术的智能型隔震减震结构将会是不久的将来人们的现实追求。11.5 11.5 结构健康监测与安全预警技术结构健康监测与安全预警技术11.5.1 11.5.1 结构健康监测的基本

16、概念结构健康监测的基本概念l概念概念：结构健康监测（Structural Health Monitoring，简称SHM）指利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析, 达到检测结构损伤或退化的目的。 结构健康监测系统一般包括传感器系统、数据采集和分析系统、监控中心以及实现诊断功能的各种软硬件。除了传统的传感器以外，目前应用在结构健康监测系统中的主要为新型智能传感器，光纤传感器受到的关注较多，其中又以光纤Bragg光栅（FBG，Fiber Bragg Grating）最引人注目。l应用范围应用范围：结构健康监测系统在我国主要应用于大型桥梁工程，如香港的青马大桥、汲水门大桥、

17、上海徐浦大桥及江阴长三峡大坝、北京奥运国家游泳中心、深圳市民中心等。11.5.211.5.2传感传输技术传感传输技术 对结构环境和荷载的监测内容一般为温度、风速、交通量、地震加速度、船撞击和波浪荷载等，此外可能根据结构所处环境的特殊性，需要监测空气中的某些腐蚀介质浓度、空气湿度等。对结构响应的监测内容主要由应变、挠度、变形或位移、振动加速度、结构关键构件内力等，此外还有结构的开裂、锈蚀、疲劳等。这些监测都是通过相应的传感器来完成，传感器有的安装在结构表面，有的需要埋入结构内部。 结构健康监测是伴随结构寿命的长期监测，因此，传感器性能需要满足测量精度和范围要求外，还要有良好的耐久性和可更换性，监

18、测数据要具有连续性。光纤传感技术光纤传感技术 l概念：概念：光纤传感器是一种以光纤为媒介的监测装置。光在光纤中传播时，光纤的全部或部分所在的环境的变化会带来光传输特性的改变。通过监测光传输特性的改变，就可以测出相应的环境物理或化学量的改变。光纤传感技术同时具有对外界信号的感知和传输两种功能。l优点优点：与普通的机械、电子类传感方式相比，光纤传感方式的主要优点包括：质量轻、体积小、灵敏度高、不受电磁干扰、耐久性好等优点，因而被认为是未来结构健康监测系统最有应用前景的传感器技术之一。 图11.11 光纤传感器图11.12 GPS全球定位系统图 GPSGPS技术技术 无线传感传输技术无线传感传输技术 传统的结构健康监测系统都是有线方式的，存在电缆线的安装时间长、安装费用高等不足。采用不需要传输线路的无线