可持续发展理念与技术结构风工程基本方法

可持续发展理念与技术、结构风工程基本方法第一篇大型桥梁工程—可持续发展理念1.可持续发展理念要了解大型桥梁可持续发展理念，就要先从可持续发展说起。什么是可持续发展，可持续发展就是一种注重长远发展的经济增长模式，最初于1972年提出，指既满足当代人的需求，又不损害后代人满足其需求的能力。这源自古代身临育林法则“totakelesstimberfromtheforestthanitcanproduces”。土木工程世纪挑战说起大型桥梁的可持续发展理念，我们就要了解桥梁工程的发展历史，那么就要知道土木工程的发展历史。对土木工程的发展起关键作用的，首先是作为工程物质基础的土木建筑材料，其次是随之发展起来的设计理论和施工技术。每当出现新的优良的建筑材料时，土木工程就会有飞跃式的发展。土木工程自创立以来面临了四个关键性的挑战，分别是：1）18世纪—创世挑战1795年，英国人JohnSmeaton宣称自己是世界上第一位土木工程师开始，土木工程就正式创立了。这个时候，砖和瓦是土木工程的重要建筑材料。2）19世纪—建设挑战这个时候土木工程师发现了钢材和混凝土这样优良的建设材料，冶金业冶炼并轧制出抗拉和抗压强度都很高、延性好、质量均匀的建筑钢材，随后又生产出高强度钢丝、钢索。于是适应发展需要的钢结构得到蓬勃发展。除应用原有的梁、拱结构外，新兴的桁架、框架、网架结构、悬索结构逐渐推广，出现了结构形式百花争艳的局面。十九世纪20年代，波特兰水泥制成后，混凝土问世了。混凝土骨料可以就地取材，混凝土构件易于成型，但混凝土的抗拉强度很小，用途受到限制。十九世纪中叶以后，钢铁产量激增，随之出现了钢筋混凝土这种新型的复合建筑材料，其中钢筋承担拉力，混凝土承担压力，发挥了各自的优点。3）20世纪—维护挑战在进行了火热的建设高潮后，新的问题就出现了。结构的使用期养护和全寿命问题成了20世纪最大的挑战。19世纪，人们就是大量建设，没有考虑后期问题。一旦经过时间的沉淀，新的问题就出现了。建设高潮时，我们只看到了建设时的问题，而没有考虑后续问题，现在我们在养护上花费了太多的功夫，没有能顾及结构的全寿命。4）21世纪—可持续挑战在解决旧的挑战的同时，新的挑战也将来到。进入21世纪，土木工程面临的挑战将是什么呢？是可持续发展吗？是桥梁工程？还是土木工程？只是中国？或乃至全世界？可持续发展原则不损害后代，长期发展。其提出可追溯到1972年罗马俱乐部提出的“发展的限制”，1987年联合国提出“我们共同的未来”，1992年里约热内卢联合国峰会提出“我们共同的未来”。可持续发展指标可持续发展指标有三点，分别是经济可持续、生态可持续、社会可持续。经济可持续包含建设期的投资、使用期的养护和全寿命的成本；生态可持续包含资源消耗、能源消耗和建设排放；社会可持续包含精神与物质、个人与群体和道德与技术。可持续发展要求可持续发展的要求有四点，分别是跨能的延展性、功能的适用性、构件的耐久性和结构的安全性。可持续发展阶段可持续发展阶段为规划、设计、施工、运营和移除。2.结构安全性结构安全性是可持续发展的基本要求，结构的安全性不但关系到整个建筑物的耐久性、使用功能、使用寿命,甚至还会给人们的生命财产安全造成威胁。因此,必须要将结构安全问题放在首要位置。桥梁破坏的原因有两种，分别为主观失察和客观触发。主观失察往往在设计、构造、施工、养护和材料问题中体现，客观触发主要有超载、撞击、洪水、强风、爆炸、火宅、滑坡和恐怖袭击等。主观失察往往是可以避免的，而客观触发往往是不能预测并难以避免的。中国桥梁和国外桥梁破坏中主观失察原因都占一半，其中施工和养护是两个主要原因。从这个方面来说，我们应该加强管理，减少人为事故。3.构件耐久性耐久性的定义是材料抵抗自身和自然环境双重因素长期破坏作用的能力。在中国，结构耐久性的寿命是100年。耐久性的标准为结构裸露在正常环境下，能够保持其初始的构件外形、质量和功能。外形问题主要体现在混凝土梁式桥主梁挠曲，据统计，下挠桥梁的使用寿命为3到28年，平均寿命为11年，远小于100年寿命的标准。质量问题主要体现在混凝土斜拉桥开裂，开裂桥梁的使用寿命为11到27年，平均寿命为19年远小于100年寿命的标准。功能问题主要体现在正交异性钢桥面疲劳裂缝。4.功能适用性桥梁的主要功能就是车辆和行人跨越障碍物的通道。桥梁最新发展趋势就是跨径增大和桥面抬高。同时这些发展也引起了新的问题，跨径的增大使得桥面的振动加大，而桥面抬高就使横向风力变大。所以桥梁的功能亟待改善，如如何改善横向风力作用下的桥面行车安全，台风频发区的跨海大桥金塘大桥就是一个克服横风的例子。5.跨能延展性目前，钢梁、钢拱的最大跨径已超过500m，钢斜拉桥为890m，而钢悬索桥达1990m。随着跨江跨海的需要，钢斜拉桥的跨径将突破1000m，钢悬索桥将超过3000m。至于混凝土桥，梁桥的最大跨径为270m，拱桥已达420m，斜拉桥为530m。桥梁最大跨径的理论计算值与桥梁结构型式、所用材料、施工工艺等很多因素有关。现阶段我们就面4E34跨能延展性的问题。在纵向跨度上，我们可以采用双主跨悬索桥来增大跨度，在横向跨能上，我们可以采用双并行桥面斜拉桥。6.可持续性评价可持续性评价主要看资源消耗、能源消耗和建设排放。现在我们就比较一下钢桥和混凝土桥在这三个方面的评价结果。在资源消耗上，不计混换利用回收的话，钢桥是混凝土桥的50%；考虑循环利用回收时，钢桥是混凝土桥的5%；在能源消耗上，总能量消耗钢桥是混凝土桥的1.9倍；在建设排放上，总的碳排放量钢桥是混凝土桥的1.8倍。7.结语随着我国经济发展，材料、机械、设备工业相应发展，这为我国修建大跨径斜拉桥和悬索桥提供了有力保障。再加上广大桥梁建设者的精心设计和施工，使我国建桥水平已跃身于世界先进行列。桥梁跨径不断增大、桥型不断丰富、结构不断轻型化、预应力应用更加丰富和灵活、箱梁内力计算更切合实际、施工方法丰富先进等。在这些成就面前，我们必须要注意结构的安全、功能、经济、美观和可持续发展的问题。第二篇结构风工程基本方法1.风工程历史回顾自然界的风风是空气相对于地面的运动。因太阳对地球大气加热的不均匀性，导致不同地区产生压力差，从而产生趋于平衡的空气流动，便形成了风。人们造船利用风才能够进行海外贸易。第一个转折点（1760）英国人JohnSmeaton是全世界第一个提出定量计算风荷载的人，他提出了第一个风荷载估算的计算表。这就是风工程的第一个转折点—平均风效应。第二个转折点(1890)在1879年，苏格兰泰湾(Tay)铁路桥遭遇风毁，当场死亡90人，这座桥是84孔铸铁桁架式铁路桥，这也是当时世界上最长桥梁，桥梁风毁时风速为30~35m/s，而这座桥梁设计风速为36m/s，那么这座桥梁为什么会风毁呢？这就是阵风效应么？1889年，法国埃菲尔(Eiffel)铁塔成功建成，300m高铸铁桁架塔桅，这也是当时世界上最高人工建筑。这是世界上首次发现阵风风速并用于工程实践。这就是风工程的第二个转折点—阵风效应。第三个转折点(1940)美国华盛顿州塔科马(Tacoma)桥建成后两个月风毁，据统计，风速3~6m/s时涡振对称竖弯模态涡激共振；风速18~22m/s时涡振对称和反对称模态涡振；风速19m/s颤振发散反对称扭转模态风致颤振强烈振动直至振幅发散。这就是第三个转折点—风动力效应。下一个转折点（？？？？）进入新的世纪，新的挑战也将到来，新的转折又将是什么呢？气候变化？还是多介质耦合？还是多重灾害？不论转折是什么，我们都应当努力，避免灾难的发生。结构风工程研究方法结构风工程研究方法有多种，下面介绍几种具有代表性的方法。理论分析方法，这个方法是经验之谈、有限且可信，如大气边界层空气动力模型(BLAF)；物理实验方法，都是通过大量的实验，其结果可靠，如大气边界层风洞实验模拟(BLWT)；数值计算方法，采用少数数值进行探索，如计算流体动力学数值计算(CFD)。2.空气动力模型方法由实测风速研究可知，特性风速是随时间变化的，并且是非平稳的；平均风速随高度增大，并且是非定常的；脉动风速随高度减小，并且是非线性的。由空气动力模型方法得到的结论有很多，大气边界层理论风速模型，平稳空气动力模型，非定常振动相关分量，三维桥梁颤振理论分析，三维桥梁颤振精确分析的全模态方法等。3.风洞实验模拟方法风洞实验模拟方法都是利用大量的实验数据，整理总结得到可靠的结论，这是现在风工程研究方法中最有效的方法。全世界第一个风洞设备是1871年英国人FrankWenhm建成的，而全世界第一次风压测试是在1893年由丹麦人Irminger进行的，第一次风洞试验是在1901年由美国人WrightBrother进行的。第一次结构试验是在1909年英国人GustavEiffel完成的。国内边界层风洞先驱有李国豪、孙天风和项海帆等。现在边界层风洞数量最多的国家是日本，日本拥有70余座风洞设备，其中大多建于上世纪。其次是中国，拥有50多座，大多建于近20年，紧随其后就是加拿大、美国和丹麦。边界层风洞实验较活跃的团队有日本东京工艺大学（7座边界层风洞），中国同济大学（4座边界层风洞），加拿大西安大略大学（3座边界层风洞）。风洞试验如何进行模拟，以大跨度桥梁抗风研究为例。大跨度桥梁抗风能力差，震动影响大，以及随机因素多。这就涉及精细化研究、改善措施，颤振、抖振、涡振、索振和机理研究、概率性评价问题。边界层风洞模拟研究的前沿是边界层风洞流场模拟，脉动风积分尺度和功率谱是目前最理想的模拟。对于模型。可以模拟刚度，模拟外形，节段模型缩尺以及全桥模型缩尺。4.CFD数值计算方法数值计算的方法即计算流体动力学(Computationalfluiddynamics)简称CFD，是用数值方法和算法原理求解和分析结构绕流问题。计算机是用来进行数值模拟分析的主要工具，包括气体和流体与结构表面用边界条件定义的相互作用问题。数值模拟计算要达到的目标是通过编制的软件进行精确的或快速的模拟计算，解决跨音速或湍动流的绕流问题。最后，基于计算流体动力学CFD数值模拟计算的结果必须用风洞实验和现场实测进行有效性和可靠性验证。流动分为高速流动和低速流动。两类流动有着很大的区别。高速流动的特点是高速、均匀和流线体，主要用于航天航空。而低速流动特点是低速、湍动流和钝型体，主要适用对象是桥梁、高层和空间结构，低速流动使用湍流数值模拟，这也是被誉为“已知的最复杂计算”。而桥梁要进行的高雷诺数模拟正挑战超级计算机，现有的超级计算机的性能已经无法满足高雷诺数湍流模拟的计算要求了，因此只能进行效应模拟，这就要求我们的技术人员开发新的模拟技巧。而数值计算的有效性和可靠性也必须得到验证，通过风洞试验可以验证有效性，可靠性就可以由现场实测验证。5.风相关气象需求进行风工程研究，我们需要了解良态气候风特性、飓风气候风特性、特殊气候风特性和风雨联合分布概型。针对良态气候风我们需要知道基本风速、风剖面和重现期，这些都是平均风的随机变量，还要知道脉动风的功率谱密度、湍流强度和积分尺度。飓风气候风的特性表现在特殊风剖面、强切变和风向时变的平均风，高湍流强度、大积分尺度和非平稳的脉动风，云图雷达实测资料多尺度反演和精细化台风工程数值模型反演场特征特征空间场特征重构，多变量概率依赖关系（中心低气压、最大风速半径、径向压力剖面系数、台风中心随机定位等）的场参数随机特征。特殊气候，如龙卷风、雷暴风、飚线风等，这是结构风效应研究空白领域，亟需对特异风发生分布、强度、频度进行总体梳理，明确开展相关研究的必要性。风雨联合分布概型国内局部区域已有初步研究，但风雨联合作用组合特征尚无实测资料证实，需要开展灾后调研明确风雨效应实际作用特征，寻求灾害案例。6.结论与展望风致灾害研究风致灾害研究主要是针对气候变暖说进行的，随着气候变暖，风暴频度也有所提高、强度也有增大。而且风也不是单纯的就是风，经常伴随着雨、雪和碎片等，这就是多介质耦合。而强降雨、暴风雪和大洪灾也挑战着风工程研究。空气动力模型精细化针对强暴风，模