許麗君

摘要：現(xiàn)代結構是傳統(tǒng)結構的功能的升華。現(xiàn)代結構在土木結構中的應用便稱之為現(xiàn)代土木結構。

關鍵詞：建筑工程;土建技術;探析

1.現(xiàn)代土木結構的概念

現(xiàn)代材料技術的發(fā)展進步促使了人類社會進入了信息時代，信息材料的生產業(yè)已實現(xiàn)設計制造一體化。人們開始嘗試將傳感器、驅動材料緊密地融合于結構中，同時將各種控制電路、邏輯電路、信號放大器、功率放大器以及現(xiàn)代計算機集成于結構大系統(tǒng)中。通過力、熱、光、化學、電磁等激勵和控制，使結構不僅有承受建筑荷載的能力，還具有自感知、自分析計算、自推理及自我控制的能力。具體說來，結構將能進行參數(shù)（如應變、損傷、溫度、壓力、聲音、化學反應）的檢測及檢測數(shù)據(jù)的傳輸，具有一定的數(shù)據(jù)實時計算處理能力，包括人工智能診斷推理，以及初步改變結構應力分布、強度、剛度、形狀位置等能力，簡言之，即使結構具有自診斷、自學習、自適應、自修復的能力。這就是現(xiàn)代土木結構概念的形成過程。

2.建筑工程土建技術常見的問題

土建工程施工項目的質量問題主要表現(xiàn)在引發(fā)質量問題的因素復雜，從而增加了對質量問題的性質、危害的分析、判斷和處理的復雜性。比如盲目套用圖紙，結構方案不正確，計算簡圖與實際受力不符;荷載取值過小，內力分析有誤，結構的剛度、強度、穩(wěn)定性差;施工偷工減料、不按圖施工、施工質量低劣;或是建筑材料及制品不合格，擅自代用材料等原因所造成。由此可見，即使同一性質的質量問題，原因有時截然不同。所以，在處理質量問題時，必須深入地進行調查研究，針對其質量問題的特征作具體分析。

3.現(xiàn)代土木結構技術分析

3.1結構智能化

傳統(tǒng)的土木結構是一種被動結構，一經設計、制造完成后，其性能及使用狀態(tài)將很大程度上存在著不可預知性和不可控制性，這就給結構的使用和維護帶來不便。為了解決這一問題，發(fā)展出了在線監(jiān)測結構，它賦予傳統(tǒng)土木結構以在線監(jiān)測機制，從而為探知結構內部性能打開了窗口，使人員可以方便地了解結構內部物理、力學場的演變情況，這就是結構智能化的第一層次。在在線監(jiān)測結構的基礎上，進一步增加了監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能處理機制，使得結構具有自感知、自診斷、自推理的能力，從而使結構實現(xiàn)了第二層次的智能化。

3.2現(xiàn)代土木結構分類

現(xiàn)代土木結構按其材料可分為兩種類型，分述如下。

3.2.1嵌入式現(xiàn)代土木結構

在基體材料如鋼結構、鋼筋混凝土結構中嵌入具有傳感、動作和控制處理功能的材料或儀器，并集成進現(xiàn)代計算機硬件軟件技術，由傳感元件采集和檢測結構內部信息，由計算機對這些信息進行加工處理，并將處理結果通知控制處理器，由控制處理器指揮、激勵驅動元件執(zhí)行相應動作。

3.2.2基體、智能材料耦合結構

某些結構材料本身就具有智能功能，它們能夠隨著自身力學、物理狀態(tài)的改變而改變自身的一些其它性能。

按照結構智能化目的的不同，又可將其分為如下幾類：①具有裂縫自診斷和自愈合功能的智能混凝土結構;②具有應力應變狀態(tài)自診斷功能的智能混凝土結構;③具有變形、損傷自診斷功能的智能混凝土結構;④具有疲勞壽命預報能力的現(xiàn)代土木結構;⑤具有監(jiān)測鋼筋或鋼構件銹蝕狀態(tài)能力的現(xiàn)代土木結構;⑥具有感知和自我調節(jié)功能的智能減振（橋梁）結構。

3.3現(xiàn)代土木結構的研究內容

3.3.1智能化設計

現(xiàn)代土木結構的首要研究內容就是對傳統(tǒng)結構智能化的概念設計策略性研究。需要針對結構類型及其重要性的不同，以及現(xiàn)有工藝技術水平和經濟資金情況等多個方面因素，合理地確定智能化目標，在兼顧技術先進性、實用性和經濟節(jié)省的前提下采用合理功能層次的現(xiàn)代土木結構。確定了智能化目標以后，就需要著手做一些準備工作，它們是：對結構在使用中可能發(fā)生的各種行為進行預測，對結構在力學物理環(huán)境下出現(xiàn)的各種反應進行預估，以確定結構中需要實現(xiàn)智能化監(jiān)控的部位，確定整體監(jiān)控方案。

3.3.2由傳感元件實現(xiàn)智能控制

另外一項重要研究內容就是傳感元件。感覺是現(xiàn)代土木結構的基礎性功能，它利用在傳統(tǒng)建筑材料中埋入傳感元件（或利用傳感、結構耦合材料）來采集各種信息，經過處理分析，才可實現(xiàn)自診斷、自驅動等智能控制功能。有鑒于此，應對傳感元件提出一些特殊要求如下：

①尺寸細微，不影響結構外形;②與基體結構耦合良好，對原結構材料強度影響很小;③性能穩(wěn)定可靠，耐久性好，與基體結構有著相同的使用壽命;④傳感的覆蓋面要寬;⑤信號頻率響應范圍要寬;⑥能與結構上其它電氣設備兼容;⑦抗外界干擾能力強;⑧能在結構的使用溫度及濕度范圍內正常工作。

可列入研究范圍的元件有：光導纖維，壓電陶瓷，電阻應變絲，疲勞壽命絲，銹蝕傳感器，碳纖維等。

3.3.3作動材料分析

現(xiàn)代土木結構的最終目標是實現(xiàn)結構的智能控制，而控制是由作動材料實現(xiàn)的。利用某些存在物理耦合現(xiàn)象的材料，尤其是機械量與電、熱、磁、光等非機械量的耦合材料，作為結構的作動件。可以通過控制非機械量的變化來獲取結構特性（形狀、剛度、位置、應力應變狀態(tài)、頻率、阻尼、摩阻等）的改變，從而達到作動目的。對它的要求主要有：①與基體結構耦合良好，結合強度高;②作動元件本身的靜強度和疲勞強度高;③驅動方法簡單安全，對基體結構無影響，激勵能量小;④激勵后能產生高效穩(wěn)定的控制，反復激勵下性能穩(wěn)定;⑤頻率響應范圍寬，響應速度快，并可控制;常用的作動材料有記憶型合金、壓電材料、記憶聚合物以及聚合膠體等。目前有關作動元件的研究正在一些領域展開，如董聰、Crawlay等人評述了幾種常用作動/傳感材料的性能。

4.結論

正如建筑業(yè)是國民經濟各部門原動力一樣，現(xiàn)代土木結構及智能建筑不僅對于未來土木界的發(fā)展意義重大，而且對于目前主要的高科技領域而言也具有重要的意義，它的研發(fā)及實現(xiàn)必將進一步帶動其它高科技領域的進一步提高，是土木工程界的知識經濟。

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