土木工程学科前沿

土木工程学科前沿综述

同济大学 项海帆

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

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。

二、结构工程

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

2.1 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1931

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

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

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：在线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

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，如弹性力学、塑性力学、断裂力学、内时理论等，在应用于混凝土材料时，几乎无一例外地发现有这样或那样的本质不适用问题。二十世纪80年代以来，Bazant等一批学者对细观损伤力学的研究、Krajcinovic、Mazas等对宏观损伤力学的研究，对认识混凝土材料的本构关系起到了重要的推动作用。到世纪之交，研究者们逐渐清楚地认识到：弹塑性损伤力学较为适用于混凝土材料本构关系的描述[13]。同时，由于混凝土材料的本质随机性质，采用随机损伤力学的观点反映混凝土本构关系具有更为合理的发展前景。

结构稳定性分析是与结构强度分析具有同等重要性的工作。轻型钢结构、大跨度空间结构、桥梁结构的发展，使结构稳定性分析理论的发展处于非常基础的地位，关于基本构件的静力稳定分析，在Stein、Koiter等人工作的基础上，20世纪80年代初即已形成基本体系[14]。此后，研究工作的重点是结构的动力失稳问题。对于大型复杂结构，由于存在分叉稳定问题，使得其动力稳定性问题成为这一领域研究中令人瞩目的研究难题。尽管已经有了各种弧长法及改进弧长法的努力，但从整个稳定理论的发展历程考察，深入认识稳定问题赖以形成的本质原因，恐怕是解决结构稳定分析问题的关键。

分析是结构设计的依据，而将结构荷载效应与结构抗力统一起来，并定量加以描述、形成结构设计基础的，则是结构可靠性分析理论。在结构基本构件分析范围内，由Cornell、Lind、Rackwitz所奠基的一次二阶矩理论已可以为工程设计提供定量的支持依据。二十世纪80年代前后，以洪华生、Moses、Thoft-Christensen、Madsen等为代表，在结构结构体系可靠度分析领域展开了大量研究。然而，问题依然没有得到解决。事实上，分析结构体系可靠度的基本理念可知：甚至在基本问题的提出、基本研究路径的选取方面，依然存在显著的缺陷。将随机结构分析理论与结构可靠度分析理论相结合，可能有望解决上述问题。

实现结构优化设计，一直是结构工程师的主体追求。在结构分析范畴内，结构优化设计问题一般被描述为数学规划问题或拓扑问题。按此思路解决问题，尽管在

航空、航天结构领域已取得了显著进展，但在土木工程范围内，迄今尚未见到可以用之于具体工程的研究成果。显然，结合土木工程结构的特点，发展新一代结构优化设计理论与技术是必要的。

2.3 结构设计理论的完善

在近百年结构工程发展历史上，对于结构设计原则与设计理念的研究也许是最为活跃的领域之一。在20世纪初叶，许用应力设计是结构设计的主体，分析的基本理论依据是弹性理论。20世纪40～50年代，也许主要是出于经济性的考虑，承载力极限状态设计的思想开始逐步为人们所接收。在对这类设计理念的研究与反思中，人们不无遗憾地发现，关于结构分析与关于构件设计的基本理论发生了冲突或矛盾：在结构分析中，继续采用弹性分析理论，而在构件设计中，则引入了塑性分析或弹塑性分析理念。20世纪50～60年代关于整体结构塑性分析理论的研究（如Mattock、Cohn等人的工作），可以视为是试图解决这一矛盾的集体努力。然而，由于问题的复杂性，时至今日，这一矛盾仍然没有得到根本解决。20世纪70年代，关于极限状态的设计思想得到发展和应用。在此基础上，结构全过程非线性分析的研究逐步得到深入。20世纪70年代中期，在极限状态设计思想基础上，逐步加入了对于结构荷载、材料性质不确定性的考虑，发展了基于概率的极限状态设计理论。并在20世纪80年代得到了世界各国的认同和发展[15]。但在总体上，这种基于近似概率的极限状态设计思想仍然属于基于构件设计结构的观念。因此，不仅前述结构弹性分析与构件考虑塑性性质进行设计的矛盾没有解决，还增添了新的矛盾：在构件层次设计中，考虑荷载与材料性质的随机性，引用不确定性分析的思想，而在结构分析中，则应用确定性结构分析。上述两类矛盾，事实上已经成为结构工程分析与设计理论发展的内在动力。

20世纪90年代中期，以美国一批科学家为首，在地震工程领域内提出了基于性能设计的观点[16]。这一观点逐步被世界主要国家的结构工程研究者所接收，并展开了较为广泛的研究。从目前发展趋势考察，这一观点有可能演变成新一代结构设计的基本理念。为了实现这一设计理念，下述研究工作将是基本的：（1）结构性态水准的确定：需要在结构受力全过程和结构寿命全过程范围内研究不同层次、不同目标的结构性态水准；（2）投资－效益准则的研究：需要针对不同类型结构，在

工程结构－工程系统两个层面上分别建立投资－效益准则。在风险分析的基础上，依据投资－效益准则确定结构设防标准；（3）结构可靠性的确定：利用结构可靠度，统一结构荷载效应与结构抗力性能，实现结构层次的可靠度分析与评价。在这里，不仅涉及到对结构基本构件及整体结构损伤－破坏机理的深入研究，对结构所受外部作用的危险性分析也是带有根本意义的工作；（4）结构性态控制技术：配合结构性态设计的思想，必将展开持续深入的结构性态控制措施与控制技术研究，如结构智能控制、结构优化分析、可更换结构研究等等。

2.4 新型材料的研究与应用

在历史上，工程材料的进步往往使结构发生质的变化。从使用土、木、石料到使用钢材、混凝土材料，结构工程实现了一次飞跃。随着材料科学的发展，有望产生能供人类大量使用的、高效、环保、节能的新型材料。例如，在过去的十余年，FRP在结构工程中的应用及其相关的研究即得到了迅速的发展，在国内外形成了令人瞩目的热点。1997年，美国土木工程师协会（ASCE）专门为FRP在结构工程中的应用创办了名为Journal of Composites for Construction的学术期刊。由美国的Institute for Scientific Information（ISI）发布的2003年学术期刊引用报告（JCR）显示，该期刊的影响因子已达1.234，列所有73种被SCI检索的土木工程类学术期刊第2位，甚至超过了有广泛影响的Earthquake Engineering and Structural Dynamics （影响因子0.734）和ASCE Journal of Structural Engineering（影响因子0.648）。从最初作为结构加固补强材料，到向作为主要结构受力材料发展，FRP复合材料与结构正在经历一个迅速发展的时期[17]。在此领域，美国、加拿大、日本、我国香港等地的研究工作走在了世界前列。

新型材料具有轻质、耐久、高强、高弹模等特点，但在新材料的发展仍处于酝酿阶段的过程中，钢材与混凝土等传统材料的改进仍将占据重要地位，高性能混凝土、高性能钢材等材料的发展和进步仍将受到人们的高度重视。近20年来，高强、高性能混凝土的研究开发即是一个典型例证。现代高强混凝土是在20世纪70年代初期发展起来的，由于在混凝土的传统组分中引入高效减水剂，可以用预拌方式生产甚至用泵送工艺浇注。通过掺加粉煤灰、硅灰、磨细高炉矿渣等工业废料作为辅助胶凝材料，使这种混凝土不仅高强，而且具有很好的抗渗性和体积稳定性。与之

相应，高性能混凝土是为了解决混凝土结构耐久性而发展起来的。它以较少的硅酸盐水泥用量、大量的矿物掺和料、低水胶比为特征，根据具体的工程要求可以具有不同性能。在这一总体概念下，大掺量矿物掺合料混凝土、自密实混凝土、甚至智能混凝土（如高阻尼混凝土、碳纤维混凝土）等新型混凝土复合材料的研究正在构成前沿研究热点[18]。

2.5 结构实验技术的发展

在结构工程学科发展进程中，结构实验及其技术的发展具有基础性的地位。20世纪后期，结构实验技术最重要的进展体现在拟动力实验技术、多轴和快速加载技术、多种灾害与作用的综合模拟技术（如水下振动台、振动台和快速拟动力结合的混合实验技术）等。互联网技术的快速发展，为结构实验技术的发展提供了新的机遇。基于互联网的通讯技术可以提供大量数据传输和共享的功能，能为异地实验室的设备之间进行控制和反馈提供接近实时的通讯手段。这一背景，为利用互联网进行远程结构协同实验提供了可能 [19]。正在形成世界范围内的关注焦点。2003年，美国国家自然科学基金启动的NEES （Network for Earthquake Engineering Simulation ）建设计划，即是在这一思想背景下的产物。该项目总投资达到八千多万美元，设备站点建设项目涉及美国20所高校与科研机构。2004年，日本与韩国合作，启动了日韩远程拟动力实验系统建设。同年，我国国家自然科学基金支持的重点项目“土木工程现代结构实验技术与方法”中，将远程结构协同实验列为重要研究内容。与此同时，大型多功能实验机、多点多自由度地震模拟振动台、模拟复杂环境的结构实验室、现场试验技术等，近年以来也正在成为实验技术发展的新的亮点。

结构实验的根本目的是要正确地描述和科学的反映工程材料与工程结构的物理、力学性能与破坏机理，从而为正确的结构分析与设计提供基础。因此，如何从结构建模、结构分析与结构设计的需求出发，指导结构实验技术的发展乃至一个具体实验的目标确立，是一个值得人们高度重视和深入思考的问题。

2.6 结构耐久性与结构健康监测

工程结构的安全性与可靠性，应当综合考虑材料性能、环境作用、施工技术等因素，还应综合考虑结构管理、维护、维修与加固改造技术的发展。因此，需要根

据结构在其生命周期各个阶段所面临的风险以及功能要求的不同，建立综合考虑工程建造、结构使用和老化结构三个阶段的“全寿命周期综合设计”新理念。其中，对于结构的耐久性和结构健康监测的研究，构成了近年来结构工程研究发展的热点。

在结构耐久性的研究中，关于混凝土结构的耐久性研究引起了广泛的关注[20]。根据结构工作环境情况、破损机理、形态以及传统经验，可将混凝土结构的工作环境分成6大类：①大气环境；②土壤环境；③海洋环境；④受环境水影响的环境；

⑤化学物质侵蚀环境；⑥特殊工作环境。混凝土结构产生耐久性失效，系源于混凝土在外部环境作用下，材料物理、化学性质渐渐的发生变化，从而导致结构承载能力逐渐退化，最终影响到整个结构的安全。其中，最普通、最严重的耐久性失效原因是氯化物侵蚀引起的锈蚀，其次是冻融侵蚀、硫酸盐侵蚀、碳化锈蚀和碱集料反应等[21]。

对混凝土结构耐久性的研究可以追溯到19世纪40年代。从20世纪80年代中期起，混凝土结构的耐久性设计方法成为研究的重点方向。1996年，RILEM的130-CSL委员会提出了《混凝土结构的耐久性设计》的报告，对基于劣化计算模型的混凝土结构耐久性设计方法作了全面和系统的论述。2001年，亚洲混凝土模式规范委员会公布了《亚洲混凝土模式规范》(ACMC2001)，提出了基于性能的耐久性设计方法。2004年，由中国土木工程学会、清华大学等单位主编的《混凝土结构耐久性设计与施工指南》出版，较全面地提出了混凝土结构耐久性设计与施工的基本法则和方法。建立考虑多种因素的结构承载力和变形的经时变化模型，准确描述工程结构在使用周期中耐久性能的变化规律，是混凝土耐久性研究的重点、热点与难点。现有的混凝土结构耐久性的研究状况表明：目前的研究成果主要还局限在构件层次，结构层次上的耐久性研究，则刚刚起步。

对于大型复杂结构，通过建立健康监测系统，对结构的健康状况和安全性及时进行评定，是近10年来结构工程研究的另一个热点。在国际上，工程结构的健康监测技术研究起源于20世纪80年代初的加拿大和英国。这一技术的基本思想是通过对结构工作状态的测量和结构系统特性分析（包括结构动、静力反应分析），探测结构的状态变化，揭示结构的损伤与性能劣化。由于重大工程结构和城市生命线工程基础设施的服役年限较长，在服役期内要经受各种环境作用、腐蚀效应及材料

老化等因素的影响，结构与系统在服役期内将不可避免地产生损伤、损伤演化与损伤累积。在一定条件下，这种累积过程可能导致突发的灾难性事故。因此，如何有效地进行重大工程结构的健康监测、损伤识别、运行可靠性评估与结构安全预警，开始成为当代结构工程研究的重要课题，并已开始出现了成功应用的范例。例如：1995年，美国投资1.44亿美元在90座大坝上配备了安全监测设备。2002年，日本在一些高层建筑上布设健康监测系统，用以监测结构的完整性与地震反应。2003年，意大利在将要举行2006年冬季奥运会的Susa河谷，对其生命线工程系统初步布设了监测系统。目前投入运行的健康监测系统已初步证明：对于重要工程实行健康监测，可以实时地监测结构的服役状态，并可望在特殊场合下给出结构安全性预警信号[22]。在我国，深圳市民中心等一批重大工程结构的健康监测系统业已进入实施和运行阶段。在此方向上进一步开展关键科学与技术问题的研究，将有可能使我国在这一领域的研究水平步入国际先进行列。

在力学、数学和材料学等传统学科融合的基础上，现代结构工程学科的发展也在很大程度上依赖于多学科的交叉与综合。结构工程与其它学科的交叉、融合引发出的新概念、新理论和新方法，为创造新的结构形式和体系提供了重要基础。与结构健康监测技术发展密切相关的智能结构的发展，就是一个典型例证。智能结构系统包括了结构健康监测与诊断系统、结构控制系统和结构损伤修复系统，所涉及的领域包括结构状态的信息采集、传输和处理技术，结构状态及损伤的分析与识别理论，结构控制技术和智能工程材料等，体现了现代学科交叉、融合的特征，是一个值得加以推动的重要研究方向。

3 学科发展重点

在总体上考察，近20年来我国在结构工程领域仍处于跟踪国际发展的状态，原创性的科技成果不多。现有成果，主要是学习和引进国外所创造的新材料、新技术和新工艺，根据我国国情进行实践，形成的一些改进和创新。现有规范规程在很多情况下不能满足工程发展的需要，甚至在一定程度上阻碍了结构工程的发展。我国在结构工程基础理论研究方面力量比较薄弱，诸多方面的研究工作滞后于工程的发展，综合竞争实力有待提高。然而，我国毕竟正在进行着规模空前的基本建设，中国的科学工作者理应为结构工程学科的发展做出贡献。结合我国国情和国际上的

发展动向，我国未来的结构工程学科发展重点是：

3.1 可持续的结构工程

在结构工程的发展过程中，需要坚持可持续发展的思想。在创新结构形式、持续挑战新的结构极限的同时，应该倡导可持续结构工程的理念。在设计和施工的实践中，不但要关心结构的安全，而且要重视结构的耐久性、全寿命的经济性、降低不可再生资源的消耗、实现工业和建筑废料的再利用以及减少对环境的破坏和影响。具有高耐久性的结构、可更换、可再生的结构、对大型结构的健康监测和性态控制等应成为可持续结构工程研究的主导侧面。

3.2 精细化的结构设计思想与实践

可持续结构的设计必然要采用概率性的方法。应对结构所受外部作用的随机性、结构材料与结构性态的非线性、随机性与非线性的耦合效应、结构材料性质的经时变化规律等作精细化的反映与描述；深入研究各类灾害性作用机理与危险性、复杂环境作用的规律，合理设置结构安全性与耐久性设计标准。在此基础上，充分考虑荷载及其组合、结构缺陷、施工误差、环境影响等众多随机和不确定因素，对结构的可靠性、耐久性、全寿命经济性以及对环境的影响等作出正确的评估，实现关于工程结构受力全过程、寿命全过程结构性态的精细化设计。

3.3 分析－设计－施工技术的一体化

结构优化技术、计算机仿真技术和网络技术的发展，将催生一体化的工程结构分析－设计－施工技术。应该在这一研究方向上积极探索，并在这一技术的支撑下，使结构设计周期进一步缩短、结构建造过程进一步精确。同时，对于大型复杂结构，应结合经济社会发展水平、结构可承担风险等方面的因素，逐步实现工程结构基于风险的综合设计、施工与维护。

3.4 结构试验技术的创新

发展新型试验手段和方法，从结构基本构件向材料本构关系、结构性能两端延伸，深入研究结构在各种极端条件下的破坏机理，深入了解材料损伤本构关系、结构累积破坏机理与倒塌机制、结构性能退化机理及其与环境的关系等一系列问题的

客观本质。在这一进程中，先进传感技术与观测技术、远程协同试验技术、结构分析－结构性能联机试验技术应该构成现代结构试验技术发展的亮点。

3.5 组合结构的创新设计

突破组合结构的传统观念，在大跨空间结构、高层建筑等现代建筑中，致力于发展轻型美观、经济合理、施工便捷、多种材料共同工作的新型组合结构形式。与此同时，对组合结构基本物理力学性能的研究、组合结构体系的精细化分析以及施工设计应继续得到重视和相应的发展。

3.6 现代高新技术的应用

新型复合材料、无线网络技术、结构智能控制、新一代专家系统等应进一步得到发展，从而促进新型复合材料结构、智能结构、结构维修与加固改造技术的逐步发展。

三、桥梁工程

1 学科概述

桥梁工程学科涉及到结构分析、设计计算、试验研究、施工建设、养护管理等各个方面。回顾二十世纪下半叶，特别是近20年来桥梁工程学科的发展，其研究热点和学科前沿可以概括为10个方面，即大跨度桥梁的跨径增长、桥梁设计方法的发展演变、桥梁分析中的计算机应用、桥梁动力学问题的合理解决、组合结构桥梁的创新设计、桥梁施工过程的状态控制、桥梁运营管理的系统化、桥梁耐久性及其性能评价、桥梁美学理念的设计体现和可持续桥梁工程等。围绕这10个研究热点和学科前沿，结合我国大规模桥梁建设的国情和重大工程的战略需要，选择6个前沿课题作为我国桥梁工程学科发展的突破点和超越点，即超大跨度桥梁的结构体系和极限跨径、大型桥梁全寿命结构设计理论与方法、桥梁结构响应的数值模拟方法及其应用、大跨度桥梁抗震抗风设计研究的规范化、桥梁结构的精细化设计与施工方法和桥梁结构健康监测和振动控制技术等。

2 学科研究前沿

20世纪30年代的美国、60年代的日本、90年代的中国相继出现了大兴土木的建设高潮，传统的桥梁工程学科取得了惊人的发展和进步。近20年来，国内外桥梁工程学科研究前沿主要围绕着大跨度桥梁的跨径增长、桥梁设计方法的发展演变、桥梁分析中的计算机应用、桥梁动力学问题的合理解决、组合结构桥梁的创新设计、桥梁施工过程的状态控制、桥梁运营管理的系统化、桥梁耐久性及其性能评价、桥梁美学理念的设计体现和可持续桥梁工程等10个方面。

2.1 大跨度桥梁的跨径增长

大跨度桥梁的基本桥型有三种，即悬索桥、斜拉桥和拱式桥，在上个世纪，特别是近20年间，这三种桥型的跨径都取得了惊人的增长。

悬索桥起源于我国古代的铁索桥，最早的现代悬索桥一般首推美国纽约市的布鲁克林大桥，主跨486m。现今世界最大跨度的悬索桥是由日本本四联络工团设计的钢桁加劲梁悬索桥—主跨1991m的明石海峡大桥(Akashi Kaikyo)和由丹麦科威公司(COWI)和莱姆博公司(RAMBΦLL)联合设计的钢箱加劲梁悬索桥—主跨1624m的大海带桥(Great Belt)。目前，全世界共有千米以上跨径的悬索桥16座，我国1490m跨径的润杨长江大桥和1385m的江阴长江大桥分列第三和第五位。此外，意大利3300m主跨的墨西拿(Messina)海峡大桥已经完成设计开工在即；丹麦科威公司完成了直布罗陀海峡大桥(Giblatar)多跨3500m悬索桥的可行性研究；我国同济大学完成了5000m跨径悬索桥的抗风可行性分析[23]。

世界上第一座现代公路斜拉桥是1955年由德国工程师Dishinger在瑞典建成的主跨183m的斯特罗姆桥(Stroemsund)；50年代后期和整个60年代，德国人四次改写了斜拉桥跨径的世界记录，并最终将斜拉桥跨径提高到350m；70年代和80年代，法国、西班牙和加拿大又分别刷新了跨径的世界记录；进入90年代后，斜拉桥跨径的增长更加迅速，首先是1991年建成的挪威斯坎姆斯特桥(Skarnsundet)首次突破500m大关，达到530m，2年后，由上海市政设计院主持设计的上海杨浦大桥突破600m跨径，达到602m，仅隔1年，由法国赛托公司(SETRA)主持设计的诺曼底桥(Normandia)一下子将跨径提高了150多米，达到856m，1999年由日本本四联络工团负责设计的多多罗桥(Tatara)以890m的跨径成为当今斜拉桥世界之

最。目前，全世界共有500m以上跨径的斜拉桥14座，其中我国628m的南京长江二桥、618m的白沙州大桥和605m的青州闽江大桥分列第三、四和五位。此外，我国内地1088m跨径的苏通长江大桥和香港1018m跨径的昂船州大桥都已相继开工建设。

拱式桥是一种既古老又年轻的桥型，中国被誉为拱桥之乡，其历史之悠久、式样之繁多、数量之巨大、形态之完美、发展之迅速，均为当今世界所瞩目。大跨度拱桥主要有钢拱桥、钢管混凝土拱桥和钢筋混凝土拱桥等三种，其中，500m以上跨径的拱桥共有4座，并且都是钢拱桥，分别是550m跨径的中国上海卢浦大桥、518m跨径的美国西弗吉尼亚州新河谷桥(New River Gorge)、504m跨径的美国新泽西州奇尔文科桥(Kill Van Kull)和503m跨径的澳大利亚悉尼港桥(Sydney Harbor)；世界最大跨径的钢管混凝土拱桥是我国四川省的巫山长江大桥，主跨460m；世界最大跨径的钢筋混凝土拱桥是我国四川省的万县长江大桥，主跨420m。目前，我国保持着全部三种大跨度拱桥—钢拱桥、钢管混凝土拱桥和钢筋混凝土拱桥跨径的世界记录。

2.2 桥梁设计方法的发展演变

桥梁设计人员的目标就是在安全、适用、经济、美观的前提下，完成桥梁结构的尺寸拟定和设计验算。20世纪70年代以前，传统的设计方法是容许应力法，该方法假定材料处于线弹性工作范围，结构处于正常工作状态，因而无法提供表示结构达到破坏状态而不是屈服状态的安全域度。80年代起，桥梁设计逐步推广采用极限状态法，该方法除了继续保留容许应力法的设计思想作为正常使用极限状态之外，更重要的是引入了以材料进入塑性阶段的构件内力作为计算参数、以内力限值或内力极限强度作为判断结构基于承载能力极限状态的安全性。为了考虑荷载效应和材料抗力的不确定性，极限状态法分别引入了荷载系数和抗力系数，因而又称为荷载和抗力系数设计法(Load and Resistance Factor Design—LRFD)。

桥梁设计中的不确定性和随机性主要体现在三个方面，即作用在结构上的荷载效应、抵抗荷载效应的材料抗力和设计计算的数学模型。在研究这些不确定因素或随机因素的方法上，欧洲国家大都通过试验研究分别考虑单个不确定因素或随机因素的影响；而美国则主要致力于概率统计理论的工程应用研究，较多地进行三种不

确定因素或随机因素的综合影响研究，例如哥伦比亚大学、麻省理工学院、斯坦福大学和依利诺斯大学等的研究成果。为了从设计方法本身更好地体现三个方面的随机性，可靠性方法具有更大的优越性，正在逐步代替极限状态法，并且进一步演化出基于性能的可靠性方法(Performance-based Reliability)、基于功能的可靠性方法(Function-based Reliability)和基于全寿命经济性的可靠性方法(Life-Cycle-Cost based Reliability)等等[24]。可靠性设计的前提是所有随机变量的概率密度函数、特别是其尾部分布都是精确知道的，而实际工程中的很多随机变量未必能做到这一点，最好的方法就是采用模糊逻辑理论。1956年，L.A. Zadeh发表了第一篇关于模糊集合的论文[25]，尽管土木工程领域是最早引入模糊集合理论的，但直到今天仍鲜有工程应用的报道，J. Yen和R. Langari预测模糊逻辑方法将很快会在结构设计中得到应用，并逐步推广[26]。

2.3 桥梁分析中的计算机应用

在二十世纪上半叶的前计算机时代，桥梁分析主要采用平面结构力学的影响线加载方法计算，而空间和非线性分析则采用“荷载横向分布系数”和近似解析方法。到了二十世纪下半叶，随着数字计算机的出现，结构分析理论和方法发生了本质的变化，诞生了以离散结构模型和矩阵运算方法为代表的有限元或边界元数值计算方法。有限元法与计算机的结合，一方面不再需要对计算模型进行简化就可以求得结构各个部位的计算结果，另一方面极大地提高了结构分析的精度和效率。

随着有限元法和计算机应用的不断推广，开发和运用功能齐全的桥梁分析计算机程序成为结构受力分析的关键。从70年代起，国际上先后推出了多种桥梁分析软件，比较著名的有：SAP软件、ANSYS软件、ADINA软件、ABAQUS软件、NON-SAP软件等等；国内从80年代起，着手进行桥梁分析软件的商业性开发，比较有影响的是由同济大学开发的交通部JIBCADS软件、BAP软件和“桥梁博士”软件等。

现有桥梁结构有限元分析一般采用空间杆系单元模型，在杆件截面内力计算的基础上，通过计算平均边缘应力进行强度验算。然而，1997年宁波招宝山斜拉桥在悬臂施工中的破断事故告诉我们：桥梁断面中的应力具有显著的空间分布效应和非线性效应，并且随着结构跨度和断面宽度的增加而增大，这使某些部位的实际应

力水平大大超过线性平均应力的计算结果；此外，断面上的混凝土标号虽然是相同的，但是由于预应力管道的密集布置，混凝土浇注条件的不同，在某些最不利的部位，因管道削弱形成的局部混凝土强度折减非常明显，且达不到设计要求值。计算机技术和三维空间应力分析方法的进步有可能建立起一种基于全桥结构空间非线性应力水平的分析和设计方法，并充分考虑配筋和预应力配索以及斜拉索等的实际空间分布，同时计及不同部位混凝土的空间强度分布，以精确地控制实际的应力状况和材料的强度状况，保证结构在施工和运营中的安全性[27]。

2.4 桥梁动力分析及振动控制

桥梁结构动力学问题主要涉及风、地震、车辆振动、船撞等荷载作用。桥梁抗风是大跨度桥梁设计的关键，现有桥梁抗风设计方法主要基于美国R.H. Scanlan教授和加拿大A.G. Davenport教授制定的基本框架[28][29]，各国研究人员主要在桥梁风致振动响应分析的精细化方面进行了大量的研究，其中包括颤振和抖振多模态乃至全模态计算方法、气动导数和气动导纳的识别方法及其应用、考虑平均风姿态和紊流风效应的响应计算方法、桥梁风振的概率性评价和可靠性分析、高雷诺数效应的试验研究等；此外，桥梁风振机理和斜拉索风雨激振机理也受到了研究者广泛的关注。在桥梁抗风方面加拿大、美国、日本、意大利和中国等国的学者作出了积极的贡献。目前，国际上在桥梁抗风领域比较活跃的有日本京都大学M. Matsumoto教授，丹麦COWI公司A. Larson博士，意大利米兰科技大学G. Diana教授等等；国内，由李国豪教授创导、项海帆教授领导的同济大学桥梁抗风学科组，20多年如一日地致力于大跨度桥梁的抗风研究工作，承担了我国80%以上大跨度桥梁的抗风研究工作，取得了很多科研成果，并先后编辑出版了《公路桥梁抗风设计指南》和《公路桥梁抗风设计规范》[30]。

对于大跨度桥梁的抗震设计，国内外已经进行了很多研究，日本在建设本州四国连络线时，花了近20年时间潜心悬索桥的抗震设计研究，汇编成《本州四国连络线设计标准·及解说》；美国土木工程师协会斜拉桥委员会在90年代编制出版了斜拉桥抗震设计指南；国内虽然长期以来还没有一部适合于大跨度桥梁抗震设计的规范或指南，但是由同济大学李国豪校长开创、范立础教授领导的桥梁抗震学科组10多年来一直致力于大跨度桥梁的抗震设计研究，承担了我国近30座大桥的抗震

研究工作，取得了丰富的科研成果。

桥梁结构振动控制的研究是土木工程研究领域中的热点之一，但其中的主动控制研究成果并未得到广泛的应用，目前主要注重隔震、耗能减振、被动控制、半主动控制等的理论和技术研究。其中，隔震技术经过数十年的检验已得到广泛的认可，隔震设计在多地震国家得到普遍采用；同时，提高结构阻尼的耗能减振和各种被动控制措施也越来越多地在新结构的设计中采用；半主动控制理论和相关的智能材料与技术的开发研究越来越受到重视。我国目前在建的大型桥梁结构除了传统的成桥状态风振和地震外，还有许多其它振动问题，例如：缆索承重桥梁施工阶段桥塔和主梁的振动、大跨度斜拉桥超长拉索的振动、城市中交通荷载(汽车和轻轨)引起的结构振动(舒适性和使用性)等。而且随着桥梁功能的不断改善和人们对使用性和舒适性要求的不断提高，桥梁结构振动问题会显得更加突出[27]。

2.5 组合结构桥梁的设计创新

钢-混凝土组合结构的雏形最早出现于19世纪，当时是出于钢结构的防火要求。具有现代结构意义的钢-混凝土组合梁出现在30年代钢梁和混凝土多种抗剪连接器诞生之后。二次大战后的60年代是欧美各国和日本桥梁建设的黄金时期，组合结构以其整体受力的经济性，发挥两种材料各自优势的合理性以及便于施工的突出优点而得到了广泛的应用，建造了大量各种形式的组合结构桥梁，其中也包括大跨度斜拉桥所采用的组合桥面系统。

1971年，欧洲国际混凝土委员会(CEB)、欧洲钢结构大会(ECCS)、国际预应力联盟(FIP)和国际桥梁及结构工程协会(IABSE)组成了组合结构联合委员会，总结了20世纪60年代组合结构发展中所取得的经验，编制了一本组合结构的模范准则(Model Code)，作为各国编制规范时的指导性文件。

进入80年代后，组合结构出现了新的发展趋势：除了传统的型钢混凝土柱、钢筋混凝土板和钢梁的上下结合梁，还出现了边跨混凝土梁和中跨钢梁的纵向接合，钢筋混凝土边梁和钢横梁的横向组合以及钢筋混凝土下塔柱和钢上塔柱的接合等多种混合形式。在材料方面也已不限于性能不断提高的钢和混凝土两种材料的组合，而出现了钢和混凝土与复合纤维材料、工程塑料、玻璃、木材、各种高强度钢丝索、铝合金等多种材料的相互组合。在21世纪中，组合结构以其极富创新空间

的一种结构形式将会得到更大的发展。

2.6 桥梁施工过程的状态控制

桥梁结构特别是大跨度桥梁结构的施工建造总要经历一个结构体系转换过程，结构中的各个部分(例如梁体)是在施工建造中逐步形成的，各个施工阶段不仅结构形式不同，而且施工荷载也与成桥状态的设计荷载有一定的差异。一般意义下的桥梁结构一次落架计算方法只适用于整体施工方法，分段施工桥梁结构的受力状态不仅与分段施工方法而且与分段施工顺序有关。此外，在施工阶段，结构刚度小、变形大，尽管恒载较小，仍将产生显著的结构非线性效应。再者，施工过程中存在着随机误差的影响，这种影响涉及到参数误差、测量误差和操作误差，使得桥梁结构的几何线型和内力状态很难达到期望目标。

为了最大限度地消除施工误差的影响，德国著名桥梁专家F. Leonhardt最早提出了按施工过程进行结构分析的倒退分析法（Back Analysis），并且在1956年的德国杜塞尔多夫北桥—钢斜拉桥中率先应用获得成功，随后又在美国P-K桥中实现了混凝土斜拉桥的施工控制[32]。目前分段施工桥梁误差控制主要采用三种方法来实现。对于跨径不大、结构简单的桥梁结构，一般可以采用预设拱度方法，从系统控制的角度，又可将其称为确定性控制方法或开环控制方法；对于跨径较大、结构较复杂的桥梁体系，由于施工误差和测量误差的存在，一般需要采用随机性控制方法或闭环控制方法消除误差，我国在80年代就已经形成了以斜拉桥悬臂施工为背景的随机性控制方法—卡尔曼滤波控制，随后经过不断完善和推广，为我国大跨度桥梁设计和施工创造了条件；施工过程中实际结构状态达不到各个施工阶段理想结构状态是误差生成的重要原因之一，如果能够在重复性很强的分段施工中，将这些可能引起结构状态误差的参数作为随机变量或噪声误差，在各个施工阶段进行实时识别，并将识别得到的参数用于下一施工阶段的实时结构分析、重复循环，使得系统模型反映的规律适用于实际状态，从而主动降低模型参数误差，然后再对结构状态误差进行控制，这就是自适应控制又称自组织控制[33]。

2.7 桥梁运营管理和健康监测

桥梁工程学科研究前沿也包括桥梁养护、维修、管理等方面的内容，其中桥梁运营管理的系统化是该方面研究的最新成果。美国各州运输局正在使用的桥梁运营

管理系统主要有Pontis[34]和BRIDGIT[35]，但是这两个系统都是基于离散状态和马尔可夫退化模型的，与桥梁结构实际状况未必完全相似，因而限制了它们的使用。Frangopol等人对桥梁运营管理系统进行了评述，并且认为现阶段桥梁运营管理系统还只能就单座桥梁项目来进行，而网络化的多座桥梁运营管理系统还有待进一步发展完善[36]。

为了保障大型桥梁结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，已建成的许多大型桥梁急需采用有效的手段监测其结构性能演化规律和安全状况，这就是健康监测系统，主要包括高性能智能传感元件、无线传感网络与信号采集系统，多参量、多传感元件监测数据智能处理与数据动态管理方法，结构实时损伤鉴别、定位与模型修正，结构实时健康诊断、安全预警与可靠性预测等。一个长期监测的结构相当于长期试验的结构，而且是足尺的、现场的实际结构，其监测结果具有重要的科学与实用意义[37]。

2.8 桥梁耐久性及其性能评价

大型桥梁结构服役期间性能退化严重，疲劳效应产生的累积损伤和耐久性失效是桥梁结构长期性能退化的主要原因。1984年，J. Fisher在对美国多座桥梁调查分析的基础上，出版了《Fatigue and Fracture in Steel Bridges: Case Studies》一书[38]，被调查的美国22座钢桥均存在疲劳裂纹，他对疲劳裂缝产生的机理、裂纹的扩展情况、疲劳损伤等进行了研究分析。桥梁钢结构的耐久性失效主要是环境中的氯离子侵蚀导致钢构件锈蚀产生的，Nowak 等人在研究钢桥的疲劳可靠度时，建立了基于锈蚀损伤的钢桥结构抗力退化模型，在此基础上，给出了基于锈蚀损伤的钢桥结构可靠度的计算方法；并采用Fick定律研究了氯离子在钢筋混凝土桥梁结构中的扩散规律，建立了钢筋混凝土桥梁结构钢筋锈蚀模型，以及基于锈蚀的钢筋混凝土桥梁结构抗力衰减模型，给出了基于锈蚀损伤的钢筋混凝土桥梁结构可靠度计算方法[39]。此外，还有许多针对混凝土桥梁结构退化方面的研究成果。

在我国，由于混凝土退化或耐久性不足造成的混凝土桥梁各种破坏相当严重，已直接影响到结构的正常使用，严重威胁着结构的安全性能，额外的维修加固造成的经济损失是很大的。因此，从90年代起，我国着手混凝土结构耐久性的研究，经过十多年的努力，取得了一批具有代表性的研究成果，仅2003年一年就有三部