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土木工程学科前沿综述土木工程学科前沿综述 同济大学 项海帆 同济大学 项海帆 李杰 吕西林 葛耀君 袁勇 李杰 吕西林 葛耀君 袁勇 一、前 言 1660 年创立的虎克定律被认为是土木工程学科从古代进入近代的标志从那时到第二次世界大战结束的约三百年间， 建筑材料方面由古代的石料、 木材和砖瓦转变为以铸铁、钢材、混凝土、钢筋混凝土，乃至早期的预应力混凝土理论方面则由十七世纪伽利略、 虎克和牛顿奠基的土木工程设计基础理论发展出十八世纪以欧拉的稳定理论和库仑的强度理论和土力学理论为代表的更新的理论 十八世纪蒸汽机的发明催生了英国工业革命 1825 年英国建成了第一条铁路，1863 年伦敦又建成了第一条地铁 转炉炼钢法(1856 年)和钢筋混凝土(1867 年)的相继问世促使了近代土木工程的快速发展19 世纪的 60 年代和 70 年代还相继发明了内燃机和电机，到 1885 年德国造出了第一辆汽车铁路、公路、高层建筑和大型公共建筑(车站、 展览馆、 体育场馆等)在十九世纪的大量建设使近代土木工程在世纪末已达到了相当成熟的阶段 继十九世纪下半叶的世界三大标志性工程： 美国布鲁克林悬索桥(主跨 486m，1883 年)、法国埃菲尔铁塔(高 305m，1899 年)和英国 Forth 桁架桥(主跨 520m，1890 年)。

二十世纪上半叶建成的世界三大标志性工程是： 美国旧金山金门大桥(主跨 1280m， 1937 年)、 澳大利亚悉尼拱桥(主跨 503m，1932 年)和美国纽约帝国大厦(高 378m，102 层，1931 年)与此同时，20 世纪的30 和 40 年代也是土木工程有关力学理论和设计方法蓬勃发展和日臻完善的时期，结构稳定和振动理论、 非线性大挠度理论、 组合结构计算理论、 梁桁空间计算理论、高层框架分析方法、板壳和薄壁杆件扭转理论等相继建立起来，为大跨桥梁、高层建筑和大跨穹顶结构的分析和设计提供了有力的支持 第二次世界大战后， 计算机的问世标志着土木工程进入了发展更为迅猛的现代1时期在 20 世纪 60 年代，世界各国进入了战后大兴土木的高潮期高速公路网的建设和城市化进程大大推动了土木工程的发展 战前发明的预应力混凝土技术日趋成熟， 并成为战后最主要的结构形式 计算机的不断进步和有限元法的创立使数值方法逐渐代替了战前所采用的解析和半解析方法， 并促使结构分析和设计向精细化方向前进两种传统的材料：钢和混凝土不断向高强度、高性能、耐腐蚀的方向进步， 为预应力混凝土结构的发展提供了更好的条件 使用多种材料的组合结构和复合材料的应用也为创新的结构体系和构造的不断涌现开拓了广阔的前景。

在工程方面，20 世纪下半叶建成的世界标志性工程有很多，其中可以代表这一高速发展时期成就，并列入“世界奇观”的作品有：美国芝加哥西尔斯大厦(高443m，110 层，1973 年)，美国路易斯安娜圆顶体育馆(直径 208m，1975 年)，加拿大多伦多国家电视塔(高 553.3m，1975 年)，英吉利海峡“欧洲隧道”(长 48.5 公里，1993 年)，日本明石海峡大桥(主跨 1991m 悬索桥，1998 年) 土木工程学科在战后的大发展中也出现了快速的分支 战前大学土木系一般都设有材料、结构、路工、市政和水利等专业组其中市政组中的建筑、城市规划和给排水专业以及材料组和水利组首先从土木工程中分离出去，独立组成了新的系科随后，路工组中的铁路、公路、交通也发展成独立的系科到了六十年代，土木工程学科只留下结构组中的桥梁、房屋、隧道及基础工程的内涵，并且进一步形成了结构工程(Structural Eng.)和岩土与地下工程(Geotechnical Eng.)两个相对独立的学科 国际桥梁及结构工程协会(IABSE，1929)、国际预应力联盟(FIP，1952)、国际隧道协会(ITA，1974)、国际土力学和基础工程协会(ISSMFE，1936)、国际岩石力学与工程学会（ISRM，1962） 、国际壳体与空间结构协会(IASS，1959)、国际结构安全度联合委员会（JCSS，1972） ，以及 1956 年成立的国际地震工程协会(IAEE)和 1963 年成立的国际风工程协会(IAWE)这两个新兴的边缘学科国际组织，共同组成了现代土木工程学科的大家庭， 这些协会所组织的国际会议也是现代土木工程师活动的重要舞台。

下面就以结构工程、桥梁工程、岩土及地下工程以及防灾减灾和防护工程等四个土木工程下属的二级学科分别介绍它们的学科前沿情况 2二、结构工程 1 学科概述 1 学科概述 结构工程随着社会生产的发展和人类活动的需要而发展， 其基本内涵包括结构分析、结构实验、结构设计、结构施工、结构检测与维护等诸方面 我国正在进行的规模空前的基本建设， 为结构工程学科的发展提供了前所未有的机遇 2003 年， 我国基本建设投资约为 2.29 万亿人民币， 占国民生产总值约 20%我国水泥消耗总量达 8.25 亿吨，约占全世界 40％随着工程建设规模的扩大和工程结构使用功能的提高，现代结构工程正在朝着大跨度、大深度、长距离、超高层的方向迅速发展由此，引发了一系列关键科学与技术问题的研究20 世纪 80 年代以来，在结构工程领域内人们开始认识到：对于结构受力全过程、全寿命行为的研究与控制是结构工程研究的重点与核心；在这一研究中，结构理论、结构试验与结构计算构成了三足鼎立的发展局面； 同时， 结构工程正在经历着从单体结构的分析与设计到对整个工程系统的关注与研究的历史性变革[1][2] 伴随着近二十年来先进材料、 信息技术、 传感技术与控制技术等高新技术向土木工程的渗透与发展，近年来，在国际范围内提出了智能结构、基于性态的结构设计原则、可持续结构工程等一系列的新理念。

以实践这些理念为目的，结构工程在未来将表现出的基本走向是：结构材料向高标准、多功能方向发展；结构形式向自感知、自适应、自修复的智能结构方向发展；结构设计理论向精细化、全寿命、可生成方向发展； 结构实验技术向复杂受力与复杂环境下的本构关系、 大型复杂结构的协同试验两极发展与此同时，工程系统全局设计的思想与理念，也将获得实质性研究进展 2 学科研究前沿 2 学科研究前沿 2.1 挑战结构极限 2.1 挑战结构极限 高层建筑、大跨度结构、生命线工程向更高、更深、更长、更广的结构及结构系统发展，是近代结构工程发展的典型特征 现代高层建筑起源于美国， 已有 110 多年的发展历史， 其中代表性建筑是 19313年建成的纽约帝国大厦（高 381m，102 层）、1972 年建成的纽约世界贸易中心姊妹楼（417m和 415m，110 层，2001 年 9 月 11 日受恐怖袭击而倒塌）和 1974 年建成的芝加哥西尔斯大厦（442M，110 层）[3][4]目前，世界上最高的建筑是 2003年我国台湾省台北市的 101 大厦，高度为 508m，101 层近 20 年来，我国处于高层建筑迅速发展的时期，在世界高度前十位的高层建筑中，中国已占了 6 座。

上海正在建造的环球金融中心大厦，高 492m，建成后将是世界第二高度的高层建筑 大跨度空间结构最早可追溯到公元初期罗马的石造神殿穹顶 到了近代， 钢筋混凝土薄壳、空间网架结构快速发展20 世纪后期，随着新材料、新工艺的开发，特别是计算机技术的广泛应用，空间结构形式更加丰富多彩目前，世界各地已建成了多个跨度达 200m-300m的超大空间结构在结构形式方面，网壳、索杂交结构、索膜张拉结构与张弦梁成为大跨度空间结构的主流[5][6]近 10 年来，我国已建成或正在建造多座跨度超过 100m的大型空间结构，如国家大剧院（212m×144m） 、奥运会“鸟巢”体育场（340m×290m） 、北京新机场航站楼（长度 1500m）等等这些工程投资巨大、形成了广泛社会影响 钢–混凝土组合结构与混合结构是继钢结构和钢筋混凝土结构之后又一种被工程界所接受并在迅速发展的结构形式 随着建筑材料、 设计理论和设计方法的发展， 组合结构正由构件层次向结构体系方向发展 通过组合概念可以充分发挥钢材和混凝土的材料特性，形成一系列新颖、高效的结构体系[7]目前，我国已建成或在建的上海环球金融中心（492m） 、金茂大厦（421m） 、深圳地王大厦（384m）等超高层建筑都部分采用了组合结构或混合结构技术[8]。

生命线工程是维系现代城市与区域经济、社会功能的基础性工程设施与系统，其典型对象包括区域电力与交通系统、城市供水、供气系统等这些系统的功能，直接决定着一个城市或地区是否可以保持正常运行 超大型工程系统的发展， 给传统结构工程研究带来了一系列新的问题 事实上， 生命线工程研究不仅包括了大量特种结构（如大型混凝土消化池、电厂冷却塔、地下共同沟等）的分析、设计与维护问题，还包括了大型复杂工程网络系统的可靠性分析、优化设计、安全性监测等问题[9]在这些方面，可以明显发现结构工程学科从单体结构研究向工程系统研究发展的线索 在可以预见的将来，千米尺度的高层建筑与大跨度结构、深度达数百米的海洋4结构、 数千乃至上万个节点的大型工程网络将构成对结构工程研究的新的挑战 同时，随着极地的研究、航天工程的进展，结构工程将向更严酷的环境进军，实现结构工程学科领域的新的突破 2.2 精细化的结构分析理念与研究 2.2 精细化的结构分析理念与研究 20 世纪中叶，计算机技术的发展极大地促进了结构分析技术的发展在一定意义上说， 计算机技术催生了结构有限单元分析理论、 逐步形成了精细化的结构分析理念、 鼓舞了人们挑战结构极限的信心。

在传统静力线性分析问题得到基本解决的基础上，20 世纪后期结构分析理论的研究与进展主要集中在结构动力分析、非线性分析、结构稳定性分析、结构优化和结构可靠度研究方面对这些关键科学问题的研究，直至今天，仍然属于结构工程领域的前沿与热点问题 结构动力分析的研究在 20 世纪 50 年代即已形成了基本体系[10]此后的工作，主要集中于与工程相结合的地震工程与风工程研究之中 由于地震动与风荷载本身所特有的随机过程性质，发展了随机振动分析的基本理论[11]其间，Carandall，Lin，Roberts，Davanport，金井清等起到了关键的推动作用然而，经典随机振动理论的局限性也相当明显： 性随机振动分析范围内， 关于多自由度分析的计算工作量巨大，难以有效的应用于工程结构，在非线性分析范围内，甚至对简单的双自由度体系也很难求得解析解或数值解 同时， 由于经典随机振动分析理论的主体是基于数字特征的分析体系， 使得根据响应的分析结果很难获取精确的结构动力可靠度1985 年～1997 年间，我国学者林家浩逐步提出了随机振动分析的虚拟激励法，较为完整地解决了线性结构体系的高效随机振动分析问题[12]。

2002 年，同济大学的研究者提出了随机系统分析的密度演化理论， 在关于结构非线性随机振动分析和结构动力可靠度分析的统一理论方面迈出了重要的一步 结构的非线性分析是长期困扰结构工程研究者的另一基本难题 由于结构向超高层、大跨度方向的发展，引发了对于几何非线性问题的关注，由于结构可能遭遇地震、 火灾、 爆炸、 环境侵蚀作用的影响， 使结构材料的物理非线性问题变得突出经过 40 年的努力，尤其是Zienkiewicz、Rice、德国斯图加特学派等为代表的一批研究者的工作，结构几何非线性问题已基本得到解决与之相对照，结构物理非线性问题仍然是当前研究中的关键难题， 这不仅是因为在结构非线性变形的后期由于5结构性态进入软化段而形成的数值分析难题， 更为重要的， 是源于对于材料本构关系的研究尚未达到可以足以反映结构复杂受力性态的水准 在当今结构工程中占主体的结构材料中， 对于钢材的本构关系的研究相对成熟， 对于混凝土材料本构关系的研究则尚处于莫衷一是的境地经典的和现代的力学基础理论，如弹性。