土木工程的现状与未来发展趋势分析

土木工程的现状与未来发展趋势分析

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

On the actuality and development of civil engineering Abstract:The actuality and future developmentof civil engineeringwere systematic analyzed. It involves con-structive achievemen,t constructionmateria,l structure type, the technology ofgeotechnical reinforcemen,t de-sign principle basisofreliability, the technology ofstructure. In order to develop civilengineering, it isneces-sary to strengthen interflow between different subject。

Key words:civil engineering； 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。

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,我国已建成20层以上高层建筑物10000多栋,超过100 m的高楼有500多栋, 200 m以上的高层建筑50多栋,有20多栋超过300 m。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420.5 m,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。即将土木工程论文动工兴建的上海金融中心大厦地面94层、地下3层,高466 m,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. 2 m的马来西亚PlzazRakya,t高381m的美国纽约帝国大厦,遭袭击倒塌的两栋高417 m和415 m原美国纽约世界贸易中心,吉隆坡高452 m的石油双塔楼二栋,芝加哥高442 m的Sears塔楼,高374 m的香港中环广场大厦,高368.5 m的香港中国银行,高347.5 m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542.6 km；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1118 km,其中多年冻土地段约600 km,海拔高于4000 m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(1991 m悬索桥)、多多罗大桥(890 m斜拉桥),丹麦的海带桥(1624 m悬索桥),法国诺曼底桥(856 m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)、800 m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420 m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(1000 m以上,甚至达2000 m)、特大跨的斜拉桥(500~1 000 m),还是大中跨度的系杆拱桥(<500 m)、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土木工程论文挥更高的效能。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70~100 m；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,总长度达到320 km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

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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。

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、整体提升或顶升的施工安装方法；(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。

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