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序 作为社会经济发展的支柱性产业，土木工程是我国提升人居环境、改善交通条件、发展公共事业、扩大生产规模、促进商业发展、提升城市竞争力、开发和改造自然的基础性行业。随着社会的发展和科技的进步，基础设施的规模、功能、造型和相应的建筑技术越来越大型化、复杂化和多样化，对土木工程结构设计理论与建造技术提出了新的挑战。尤其经过三十多年的改革开放和创新发展，在土木工程基础理论、设计方法、建造技术及工程应用方面，均取得了卓越成就，特别是进入21世纪以来，在高层、大跨、超长、重载等建筑结构方面成绩尤其惊人，国家体育场馆、人民日报社新楼以及京沪高铁、东海大桥、珠港澳桥隧工程等高难度项目的建设更把技术革新推到了科研工作的前沿。未来，土木工程领域中仍将有许多课题和难题出现，需要我们探讨和攻克。 另一方面，环境问题特别是气候变异的影响将越来越受到重视，全球性的人口增长以及城镇化建设要求广泛采用可持续发展理念来实现节能减排。在可持续发展的国际大背景下，“高能耗”“短寿命”的行业性弊病成为国内土木界面临的最严峻的问题，土木工程行业的技术进步已成为建设资源节约型、环境友好型社会的迫切需求。以利用预应力技术来实现节能减排为例，预应力的实现是以使用高强高性能材料为基础的，其中，高强预应力钢筋的强度是建筑用普通钢筋的3~4倍以上，而单位能耗只是略有增加；高性能混凝土比普通混凝土的强度高1倍以上甚至更多，而单位能耗相差不大；使用预应力技术，则可以节省混凝土和钢材20％~30％，随着高强钢筋、高强等级混凝土使用比例的增加，碳排放量将相应减少。 东南大学土木工程学科于1923年由时任国立东南大学首任工科主任的茅以升先生等人首倡成立。在茅以升、金宝桢、徐百川、梁治明、刘树勋、方福森、胡乾善、唐念慈、鲍恩湛、丁大钧、蒋永生等著名专家学者为代表的历代东大土木人的不懈努力下，土木工程系迅速壮大。如今，东南大学的土木工程学科以土木工程学院为主，交通学院、材料科学与工程学院以及能源与环境学院参与共同建设，目前拥有4位院士、6位国家千人计划特聘专家和4位国家青年千人计划入选者、7位长江学者和国家杰出青年基金获得者、2位国家级教学名师；科研成果获国家技术发明奖4项，国家科技进步奖20余项，在教育部学位与研究生教育发展中心主持的2012年全国学科评估排名中，土木工程位列全国第三。 近年来，东南大学土木工程学院特别注重青年教师的培养和发展，吸引了一批海外知名大学博士毕业青年才俊的加入，8人入选教育部新世纪优秀人才，8人在35岁前晋升教授或博导，有12位40岁以下年轻教师在近5年内留学海外1年以上。不远的将来，这些青年学者们将会成为我国土木工程行业的中坚力量。 时逢东南大学土木工程学科创建暨土木工程系（学院）成立90周年，东南大学土木工程学院组织出版《东南土木青年教师科研论丛》，将本学院青年教师在工程结构基本理论、新材料、新型结构体系、结构防灾减灾性能、工程管理等方面的最新研究成果及时整理出版。本丛书的出版，得益于东南大学出版社的大力支持，尤其是丁丁编辑的帮助，我们很感谢他们对出版年轻学者学术著作的热心扶持。最后，我们希望本丛书的出版对我国土木工程行业的发展与技术进步起到一定的推动作用，同时，希望丛书的编写者们继续努力，并挑起东大土木未来发展的重担。 东南大学土木工程学院领导让我为本丛书作序，我在《东南土木青年教师科研论丛》中写了上面这些话，算作序。 中国工程院院士： 智能预应力技术——探索与试验 前 言 近年来，我国铁路事业飞速发展，主干线已连续几次进行全面提速，新建线路设计时速不断攀高，高速铁路建设正加快推进。列车运行速度的提高对轨道平顺性提与了更高的要求，无论是提速加固原有桥梁还是新建预应力混凝土桥梁，控制其长期弯曲变形成了设计的最主要原则之一，桥梁在长期恒载作用下的徐变变形直接影响轨道结构的受力、平顺性和行车安全。为减小恒载内力，现有技术手段之一是施加预应力。 传统预应力技术，是采用人为方法在结构中预先引入与荷载效应相反的应力，以提高结构承载能力、改善结构的受力状态，从而达到节约材料、减轻自重等目的。但是，当活载变化幅度相对于恒载而言较大时，结构中将存在高应力状态。在长期高应力状态下，混凝土容易产生较大的徐变，从而导致结构出现较大变形，影响结构正常使用。 智能预应力技术，能够根据结构状态调整索力，明显改善预应力的效果，能避免长期不良应力和大大减少与时间紧密相关的预应力损失，使结构具有自适应性能，从而有效地控制短期挠度以及长期徐变效应，提高轨道的平整度和行车的安全舒适性，具有前瞻性和重要的现实意义。 本书结合国内外智能结构及预应力结构的研究现状，本着以基础性研究为主，从应用着眼的指导思想，探索性地开展智能预应力技术的研究工作，主要内容包括绪论、智能预应力梁的力学分析、智能预应力梁的有限元参数化分析、移动质量作用下智能梁的挠度控制、智能预应力系统的组成、智能预应力结构控制试验、智能预应力技术展望与应用设想。 本书从选题之初，到试验方案制定，以及书稿的撰写完成，得到了导师吕志涛院士的悉心指导，在此表示诚挚的感谢。同时感谢东南大学自动化学院马旭东教授、赵亚明硕士，机械工程学院任祖平教授、毛玉良副教授，电工电子实验中心胡仁杰教授，以及东华测试技术有限公司的技术人员，试验的最终完成离不开他们的热心指导和无私帮助。 由于作者水平有限，时间较为仓促，书中存在不妥之处，敬请读者批评指正。 徐伟炜 ２０１５年１月于东南大学 目 录 第一章绪论1 11预应力技术发展简要回顾1 111预应力混凝土结构1 112预应力钢结构3 12智能预应力原理6 13国内外智能预应力研究现状7 131国外智能预应力研究现状8 132国内智能预应力研究现状11 14智能预应力的应用前景12 15本书主要研究内容12第二章智能预应力梁的力学分析14 21体内无粘结智能预应力简支梁14 211力学模型14 212控制微分方程的求解17 213算例分析18 22体外横张智能预应力简支梁22 221力学模型22 222不考虑速度条件时的系统过程分析23 223考虑速度条件时的系统可控性分析25 224数值算例26第三章智能预应力梁的有限元参数化分析29 31横张智能预应力梁的有限元分析方法29 311索的有限元方程30 312索对梁的作用30 313梁的有限元方程31 314非线性有限元方程组的求解34 315结构的优化36 32双撑杆横张智能预应力梁的参数分析41 321力学模型41 322模型参数分析42 323有限元优化50 324移动荷载的仿真53第四章移动质量作用下智能梁的挠度控制57 41力学模型57 42多级控制算法59 43仿真算例60 431无控制算例60 432单级控制算例61 433多级控制算例61 44参数分析62 441参数效应63 442参数可行域64第五章智能预应力系统的组成68 51智能预应力控制硬件68 511传感器68 512控制器71 513作动器73 52智能预应力控制算法76 521传统控制算法76 522现代控制算法77 523智能控制算法80 524控制算法小结82第六章智能预应力结构控制试验84 61智能预应力梁桥挠度控制试验84 611模型简介84 612静载试验86 613移动加载试验86 614试验结论87 62智能斜拉桥应力控制试验87 621模型设计87 622模型制作91 623静载试验93 624移动加载试验108第七章智能预应力技术展望与应用设想114 71智能预应力技术应用设想114 711在装配式钢桁梁中的应用设想114 712在基础托换中的应用设想114 713在锚杆支护中的应用设想115 714在荷载缓和体系中的应用设想116 715在迁移工程中的应用设想118 72需要继续研究的问题119参考文献120 |
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