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序 作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè),土木工程是我國(guó)提升人居環(huán)境、改善交通條件、發(fā)展公共事業(yè)、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、促進(jìn)商業(yè)發(fā)展、提升城市競(jìng)爭(zhēng)力、開(kāi)發(fā)和改造自然的基礎(chǔ)性行業(yè)。隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模、功能、造型和相應(yīng)的建筑技術(shù)越來(lái)越大型化、復(fù)雜化和多樣化,對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與建造技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。尤其經(jīng)過(guò)三十多年的改革開(kāi)放和創(chuàng)新發(fā)展,在土木工程基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)方法、建造技術(shù)及工程應(yīng)用方面,均取得了卓越成就,特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),在高層、大跨、超長(zhǎng)、重載等建筑結(jié)構(gòu)方面成績(jī)尤其驚人,國(guó)家體育場(chǎng)館、人民日?qǐng)?bào)社新樓以及京滬高鐵、東海大橋、珠港澳橋隧工程等高難度項(xiàng)目的建設(shè)更把技術(shù)革新推到了科研工作的前沿。未來(lái),土木工程領(lǐng)域中仍將有許多課題和難題出現(xiàn),需要我們探討和攻克。 另一方面,環(huán)境問(wèn)題特別是氣候變異的影響將越來(lái)越受到重視,全球性的人口增長(zhǎng)以及城鎮(zhèn)化建設(shè)要求廣泛采用可持續(xù)發(fā)展理念來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。在可持續(xù)發(fā)展的國(guó)際大背景下,“高能耗”“短壽命”的行業(yè)性弊病成為國(guó)內(nèi)土木界面臨的最嚴(yán)峻的問(wèn)題,土木工程行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步已成為建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的迫切需求。以利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排為例,預(yù)應(yīng)力的實(shí)現(xiàn)是以使用高強(qiáng)高性能材料為基礎(chǔ)的,其中,高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋的強(qiáng)度是建筑用普通鋼筋的3~4倍以上,而單位能耗只是略有增加;高性能混凝土比普通混凝土的強(qiáng)度高1倍以上甚至更多,而單位能耗相差不大;使用預(yù)應(yīng)力技術(shù),則可以節(jié)省混凝土和鋼材20%~30%,隨著高強(qiáng)鋼筋、高強(qiáng)等級(jí)混凝土使用比例的增加,碳排放量將相應(yīng)減少。 東南大學(xué)土木工程學(xué)科于1923年由時(shí)任國(guó)立東南大學(xué)首任工科主任的茅以升先生等人首倡成立。在茅以升、金寶楨、徐百川、梁治明、劉樹(shù)勛、方福森、胡乾善、唐念慈、鮑恩湛、丁大鈞、蔣永生等著名專(zhuān)家學(xué)者為代表的歷代東大土木人的不懈努力下,土木工程系迅速壯大。如今,東南大學(xué)的土木工程學(xué)科以土木工程學(xué)院為主,交通學(xué)院、材料科學(xué)與工程學(xué)院以及能源與環(huán)境學(xué)院參與共同建設(shè),目前擁有4位院士、6位國(guó)家千人計(jì)劃特聘專(zhuān)家和4位國(guó)家青年千人計(jì)劃入選者、7位長(zhǎng)江學(xué)者和國(guó)家杰出青年基金獲得者、2位國(guó)家級(jí)教學(xué)名師;科研成果獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)4項(xiàng),國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)20余項(xiàng),在教育部學(xué)位與研究生教育發(fā)展中心主持的2012年全國(guó)學(xué)科評(píng)估排名中,土木工程位列全國(guó)第三。 近年來(lái),東南大學(xué)土木工程學(xué)院特別注重青年教師的培養(yǎng)和發(fā)展,吸引了一批海外知名大學(xué)博士畢業(yè)青年才俊的加入,8人入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才,8人在35歲前晉升教授或博導(dǎo),有12位40歲以下年輕教師在近5年內(nèi)留學(xué)海外1年以上。不遠(yuǎn)的將來(lái),這些青年學(xué)者們將會(huì)成為我國(guó)土木工程行業(yè)的中堅(jiān)力量。 時(shí)逢?yáng)|南大學(xué)土木工程學(xué)科創(chuàng)建暨土木工程系(學(xué)院)成立90周年,東南大學(xué)土木工程學(xué)院組織出版《東南土木青年教師科研論叢》,將本學(xué)院青年教師在工程結(jié)構(gòu)基本理論、新材料、新型結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)性能、工程管理等方面的最新研究成果及時(shí)整理出版。本叢書(shū)的出版,得益于東南大學(xué)出版社的大力支持,尤其是丁丁編輯的幫助,我們很感謝他們對(duì)出版年輕學(xué)者學(xué)術(shù)著作的熱心扶持。最后,我們希望本叢書(shū)的出版對(duì)我國(guó)土木工程行業(yè)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步起到一定的推動(dòng)作用,同時(shí),希望叢書(shū)的編寫(xiě)者們繼續(xù)努力,并挑起東大土木未來(lái)發(fā)展的重?fù)?dān)。 東南大學(xué)土木工程學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)讓我為本叢書(shū)作序,我在《東南土木青年教師科研論叢》中寫(xiě)了上面這些話(huà),算作序。 中國(guó)工程院院士: 智能預(yù)應(yīng)力技術(shù)——探索與試驗(yàn) 前 言 近年來(lái),我國(guó)鐵路事業(yè)飛速發(fā)展,主干線(xiàn)已連續(xù)幾次進(jìn)行全面提速,新建線(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí)速不斷攀高,高速鐵路建設(shè)正加快推進(jìn)。列車(chē)運(yùn)行速度的提高對(duì)軌道平順性提與了更高的要求,無(wú)論是提速加固原有橋梁還是新建預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁,控制其長(zhǎng)期彎曲變形成了設(shè)計(jì)的最主要原則之一,橋梁在長(zhǎng)期恒載作用下的徐變變形直接影響軌道結(jié)構(gòu)的受力、平順性和行車(chē)安全。為減小恒載內(nèi)力,現(xiàn)有技術(shù)手段之一是施加預(yù)應(yīng)力。 傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力技術(shù),是采用人為方法在結(jié)構(gòu)中預(yù)先引入與荷載效應(yīng)相反的應(yīng)力,以提高結(jié)構(gòu)承載能力、改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),從而達(dá)到節(jié)約材料、減輕自重等目的。但是,當(dāng)活載變化幅度相對(duì)于恒載而言較大時(shí),結(jié)構(gòu)中將存在高應(yīng)力狀態(tài)。在長(zhǎng)期高應(yīng)力狀態(tài)下,混凝土容易產(chǎn)生較大的徐變,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形,影響結(jié)構(gòu)正常使用。 智能預(yù)應(yīng)力技術(shù),能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)調(diào)整索力,明顯改善預(yù)應(yīng)力的效果,能避免長(zhǎng)期不良應(yīng)力和大大減少與時(shí)間緊密相關(guān)的預(yù)應(yīng)力損失,使結(jié)構(gòu)具有自適應(yīng)性能,從而有效地控制短期撓度以及長(zhǎng)期徐變效應(yīng),提高軌道的平整度和行車(chē)的安全舒適性,具有前瞻性和重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本書(shū)結(jié)合國(guó)內(nèi)外智能結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀,本著以基礎(chǔ)性研究為主,從應(yīng)用著眼的指導(dǎo)思想,探索性地開(kāi)展智能預(yù)應(yīng)力技術(shù)的研究工作,主要內(nèi)容包括緒論、智能預(yù)應(yīng)力梁的力學(xué)分析、智能預(yù)應(yīng)力梁的有限元參數(shù)化分析、移動(dòng)質(zhì)量作用下智能梁的撓度控制、智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的組成、智能預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)控制試驗(yàn)、智能預(yù)應(yīng)力技術(shù)展望與應(yīng)用設(shè)想。 本書(shū)從選題之初,到試驗(yàn)方案制定,以及書(shū)稿的撰寫(xiě)完成,得到了導(dǎo)師呂志濤院士的悉心指導(dǎo),在此表示誠(chéng)摯的感謝。同時(shí)感謝東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院馬旭東教授、趙亞明碩士,機(jī)械工程學(xué)院任祖平教授、毛玉良副教授,電工電子實(shí)驗(yàn)中心胡仁杰教授,以及東華測(cè)試技術(shù)有限公司的技術(shù)人員,試驗(yàn)的最終完成離不開(kāi)他們的熱心指導(dǎo)和無(wú)私幫助。 由于作者水平有限,時(shí)間較為倉(cāng)促,書(shū)中存在不妥之處,敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。 徐偉煒 2015年1月于東南大學(xué) 目 錄 第一章緒論1 11預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)要回顧1 111預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)1 112預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)3 12智能預(yù)應(yīng)力原理6 13國(guó)內(nèi)外智能預(yù)應(yīng)力研究現(xiàn)狀7 131國(guó)外智能預(yù)應(yīng)力研究現(xiàn)狀8 132國(guó)內(nèi)智能預(yù)應(yīng)力研究現(xiàn)狀11 14智能預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用前景12 15本書(shū)主要研究?jī)?nèi)容12第二章智能預(yù)應(yīng)力梁的力學(xué)分析14 21體內(nèi)無(wú)粘結(jié)智能預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁14 211力學(xué)模型14 212控制微分方程的求解17 213算例分析18 22體外橫張智能預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁22 221力學(xué)模型22 222不考慮速度條件時(shí)的系統(tǒng)過(guò)程分析23 223考慮速度條件時(shí)的系統(tǒng)可控性分析25 224數(shù)值算例26第三章智能預(yù)應(yīng)力梁的有限元參數(shù)化分析29 31橫張智能預(yù)應(yīng)力梁的有限元分析方法29 311索的有限元方程30 312索對(duì)梁的作用30 313梁的有限元方程31 314非線(xiàn)性有限元方程組的求解34 315結(jié)構(gòu)的優(yōu)化36 32雙撐桿橫張智能預(yù)應(yīng)力梁的參數(shù)分析41 321力學(xué)模型41 322模型參數(shù)分析42 323有限元優(yōu)化50 324移動(dòng)荷載的仿真53第四章移動(dòng)質(zhì)量作用下智能梁的撓度控制57 41力學(xué)模型57 42多級(jí)控制算法59 43仿真算例60 431無(wú)控制算例60 432單級(jí)控制算例61 433多級(jí)控制算例61 44參數(shù)分析62 441參數(shù)效應(yīng)63 442參數(shù)可行域64第五章智能預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的組成68 51智能預(yù)應(yīng)力控制硬件68 511傳感器68 512控制器71 513作動(dòng)器73 52智能預(yù)應(yīng)力控制算法76 521傳統(tǒng)控制算法76 522現(xiàn)代控制算法77 523智能控制算法80 524控制算法小結(jié)82第六章智能預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)控制試驗(yàn)84 61智能預(yù)應(yīng)力梁橋撓度控制試驗(yàn)84 611模型簡(jiǎn)介84 612靜載試驗(yàn)86 613移動(dòng)加載試驗(yàn)86 614試驗(yàn)結(jié)論87 62智能斜拉橋應(yīng)力控制試驗(yàn)87 621模型設(shè)計(jì)87 622模型制作91 623靜載試驗(yàn)93 624移動(dòng)加載試驗(yàn)108第七章智能預(yù)應(yīng)力技術(shù)展望與應(yīng)用設(shè)想114 71智能預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用設(shè)想114 711在裝配式鋼桁梁中的應(yīng)用設(shè)想114 712在基礎(chǔ)托換中的應(yīng)用設(shè)想114 713在錨桿支護(hù)中的應(yīng)用設(shè)想115 714在荷載緩和體系中的應(yīng)用設(shè)想116 715在遷移工程中的應(yīng)用設(shè)想118 72需要繼續(xù)研究的問(wèn)題119參考文獻(xiàn)120 |