解读土木工程概论第12章高新技术在土木工程中的应用

国外试验技术的发展特点是测试方法的多样化和测 试仪器的高精度、小型化和电气化。
近年来，随着现代测试技术的发展，计算机在试验 控制、数据采集及数据处理上的应用都使结构试验有 了质的飞跃。今后应着重于对结构试验载荷系统进行 研究，逐步提高量测精度和测试自动化程度，引用现 代物理学上的新成就和其他先进技术来解决应力、位 移、裂缝及振动的量测问题，开展结构模型试验理论、 方法和结构非破损试验技术的研究，使建筑结构试验 技术达到现代化水平，更好地适应和满足建筑结构科 学发展的要求。
⑤隔震技术的合作研究已成为趋势。
2、耗能减震技术
耗能减震技术是把结构物种的某些构件（如支撑、剪 力墙等）设计成耗能部件或在结构物的某些部位（节点 或连接处）装设阻尼器，在风荷载和小震作用下，耗能 杆件和阻尼器处于弹性状态，结构体系具有足够的抗侧 移刚度以满足要求；在强烈地震作用时，耗能杆件或阻 尼器率先进入非弹性状态，大量耗散输入结构的地震能 量，使主体结构避免进入明显的非弹性状态，从而保护 主体结构在强震中免于受损。
动力试验是为了解结构在动力荷载作用下的工作性能 而进行的试验，通过动力加载设备直接对结构构件施加 动力荷载。
静力试验的最大优点是加载设备相对比较简单， 荷载可以逐步施加，并根据试验要求分阶段观测结构 的受力及变形的发展情况，给人们以最明确和清晰的 破坏概念。
静力试验的缺点是不能反映应变速率对结构的影 响，特别是在结构抗震试验中与任意一次确定性的非 线性地震反应相差很远。相比之下，动力试验要比静 力试验复杂的多。
积累损伤则一般是结构在经过长时期使用后缓慢累 积的损伤，具有缓慢累积的性质。
对于损伤识别主要是判断结构中是否有损伤产生， 损伤定位，识别损伤类型，量化损伤的严重程度，评 估结构的剩余寿命。
结构健康检测是一种实时的在线检测技术，一般 健康检测系统包括传感器子系统，数据采集与处理及 传输子系统，损伤识别、模型修正和安全评定与安全 预警子系统和数据管理子系统。
近年来，世界隔震技术的发展主要有以下特点：
①隔震技术的应用范围越来越广，数量越来越多。
②隔震建筑的结构形式日趋多样化，已经从早期主要 应用于砌体结构、钢筋混凝土结构发展到钢结构、组 合结构和木结构。
③可供选择的隔震装置越来越多，新的隔震方法也不 断提出，采用混合隔震技术已成为发展趋势。
④隔震设计法规日趋完善。
我国对于结构试验也极为重视，并在这方面做了许 多工作。
➢ 1953年在长春对25.3米高的酒杯形输电铁塔进行了 简单的原型试验，这是新中国成立后第一次规模较 大的结构试验。
➢ 1986年各大学开始设置结构实验课程，各建筑学研 究机构和高等学校也开始建立结构实验室，同时开 始生产一些测试仪器，全国各地开始对结构构件进 行试验，我国也初步拥有了一支既掌握一定试验技 术又具有一定装备的结构试验专业队伍。
12.3.4 半主动控制技术
被动控制具有构造简单、造价低廉及效果显著等 优点，但仍有一定的局限性。近些年提出了半主动 控制系统，这种系统以被动控制为主，只是应用少 量能量对被动控制系统的工作状态进行切换，以适 应系统对最优状态的跟踪。
抗震控制是结构抗震的新对策、新技术，其中 主动控制是高新技术。抗震控制技术在实际工程中 具有广泛的应用前景，而21世纪的建筑抗震对策 是以抗震控制为主体，并被众多学者称之为“抗震 控制的世纪”。
科研性试验的目的通常在于验证结构设计计算的各种 假定、制定各种设计规范、发展新的设计理论、改进设 计计算方法、为发展和推广新结构、新材料及新工艺提 供理论与实践的经验。
2、按荷载性质不同分类
结构试验按荷载性质可分为静力试验和动力试验。
静力试验是结构试验中最常见的基本试验，一般可通 过重力或各种类型的加载设备来实现并满足加载要求。
对于主要承受静力荷载的结构构件实际上荷载是长期 作用的。但是在进行结构试验时限于试验条件、时间和 基于解决问题的步骤，我们不得不大量采用短期荷载试 验，即荷载从零开始施加到最后结构破坏或到某阶段进 行卸荷的时间总和只有几十分钟、几小时或者几天。
对于研究结构在长期荷载作用下的性能，如混凝土结 构的徐变、预应力结构中钢筋的松弛等就必须要进行静 力荷载的长期试验。
目前已提出的比较有应用前景的主动控制装置系
统有主动拉索系统（ATS）、主动支撑系统（ABS）、 主动可变刚性系统（AVSS）、主动质量阻尼系统 （AMD）、主动调谐质量阻尼系统（ATMD）。
12.3.3 混合控制技术
混合控制是在结构中联合施加主动控制和被动控 制，以减少结构在外界荷载作用下的动力响应，提高 结构的抗震、抗风能力。这种系统综合了主动控制和 被动控制的优点，具有较好的控制效果。目前主要有 同时采用AMD（主动质量阻尼系统）和TMD（调谐质量 阻尼系统）的混合控制系统、主动控制和基础隔震相 结合的混合控制系统、主动控制和耗能装置相联合的 混合控制系统。
第12.4节 结构健康检测与安全预警技术
本节目录
1. 概述
基本要求
1.了解结构健康检测与安全预警技术
结构健康检测是指利用现场的无损传感技术，分析 通过包括结构响应在内的结构系统特性，达到检测结构 损伤或退化的一些变化。
工程结构一般会受到两种损伤，即突然损伤和积累 损伤。
突然损伤由地震、洪水、飓风等自然或认为灾害等 突发事件引起；
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基本要求
12.1 计算机与仿真技术 12.2 现代结构试验技术 12.3 结构抗震控制技术 12.4 结构健康检测与安全预警技术
1.了解计算机与仿真 技术。
2.了解现代结构试验 技术。
3.了解结构抗震控制 技术。
4.了解结构健康检测 与安全预警技术
第12.1节 计算机与仿真技术
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1. 概述
基本要求
了解计算机与仿真技术
模拟（Modeling）是指选取一个物理的或抽象的系统 的某些行为特征，用另一个系统来表示他们的过程。
仿真（Simulation）是指用另一个数据处理系统，主 要用硬件来全部或部分地模仿某一数据处理系统，以 至于模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数 据，执行同样的程序，获得同样的结果。
12.2.3 结构试验技术的发展
➢ 结构试验始于17世纪初伽利略的梁弯曲试验，随后 胡克进行了弹簧试验并建立了胡克定律；
➢ 18世纪库仑进行了扭转试验，并建立了剪切的基本 概念；
➢ 19世纪杨氏通过试验测定了拉伸与剪切的弹性模量， 确立了弹性模量的基本概念；
➢ 19世纪后期，在纳维叶、泊松、圣维南等人都的努 力下，使弹性理论发展到一个较为成熟的阶段。
3、吸振减震技术
吸振减震技术是在主体结构中附加子结构，使结构的 振动发声转移，即使结构的振动能量在原结构和子结构 之间重新分配，从而达到减小结构振动的目的。目前主 要的吸振减震装置有调谐质量阻尼系统、调谐液体阻尼 系统、调谐液柱式阻尼系统等。
12.3.2 主动控制技术
结构主动控制理论的研究是以各种控制算法为主 线，采用计算分析和模拟方法研究结构主动控制的可 行性、结构在不同控制率控制下对不同输入的响应、 控制系统的时滞效应和时滞补偿、控制参数对控制效 果的影响、结构参数的不确定性及控制机构与结构的 相互作用对控制效果的影响等问题。
对一个工程技术系统进行模拟仿真，主要包括 三个步骤，即建立模型、实验求解和结果分析。
（1）建立模型
建立模型是指用模型模拟来代替真实系统进行实 验和研究。建模的过程其实是一个信息处理的过程， 根据建模所用的不同类型的信息，可以将建模方法 归纳为两类：演绎法建模和归纳法建模。
（2）试验求解 实验求解是值对所建立的仿真模型进行数值实验
智能、通用的检测及预警软件系统开发是结构健康 检测系统开发的重要内容，是对整个系统功能的融合。 软件系统在PC机上运行，以图形用户界面为用户提供 直观的功能模块和数据显示。对结构变形、位移、振 动等物理参数进行监测，对监测数据进行处理，从而 实现对结构的初步评估与预警。一旦结构出现超限情 况，软件将对其进行自动报警。
5、按试验场合不同分类
结构试验按试验场合可分为试验室试验和现场试验。
试验室试验由于具备良好的工作条件，可以应用精密 和灵敏的仪器设备，具有较高的准确度，甚至可以认为 地创造一个适宜的工作环境，以减少或消除各种不利因 素对试验的影响，所以适宜于进行研究性试验。
现场试验多数用以解决生产性的问题，所以大量的试 验是在生产和施工现场进行，有时研究的对象是已经使 用或将要使用的结构物，现场试验也可获得实际工作状 态下的数据资料。
在土木工程领域，计算机仿真技术也得到了广泛的 应用。在岩土工程中，对于地下开挖的全过程可以通 过计算机仿真来预示和防止出现基坑支护倒塌、管涌 或流砂等问题；在防灾工程中的于洪水灾害，可以通 过已有洪水泛滥淹没区发展过程的显示软件（该软件 预先储存了洪水泛滥区的地形、地貌和地物，并拥有 高程数据），运用计算机仿真输入洪水标准，并根据 水量、流速及区域面积和高程数据，计算出不同时刻 淹没的区域和高程，并在图上显示出来，人们可以从 屏幕上看到水势从低处到高处逐渐淹没的过程，从而 做出防洪规划及遭遇洪水时指导人员的疏散。
和求解计算的过程，不同的模型有不同的求解方法。
（3）结果分析
要想通过模拟仿真得出正确有效的结论，必须对 仿真结果进行科学的分析。现代仿真软件广泛采用了 可视化技术，通过图形、图表、甚至动画，生动逼真 地显示出被仿真对象的各种状态，使模拟仿真的输出 信息更加丰富、更加详尽、更加有利于对仿真结果的 科学分析。
第12.2节 现代结构试验技术
本节目录
1. 概述 2. 结构试验的分类 3. 结构试验技术的发展
基本要求
1.了解现代结构试验技术的分类与发展
12.2.1 概述
结构实验是研究和发展结构新材料、新体系、新工 艺以及探索结构设计新理论的重要手段，在工程结构科 学研究和技术革新等方面起着重要的作用。