浅谈钢混结构在建筑工程中对土建技术的探析

2013-12-02贾大威

中国建筑金属结构 2013年16期

贾大威

（中国五矿集团公司地产建设业务中心五矿置业有限公司，北京 100083）

近几年来，随着经城市化步伐也飞速发展，为建筑行业的发展提供了巨大的商业契机，所以，土建技术作为建筑工程施工过程中的最基础施工项目，直接的关系到建筑工程的质量问题，为了保证建筑工程的质量，也为了给建筑工程打下良好的技术基础，必须要重视土建技术在建筑工程中应用。

1 现代化土木结构概念释义

现代化结构，其实就是对传统结构的升华与完善。因为随着社会的不断进步与发展，使人们已经进入了信息化时代，对于以前不能解决的关于技术上的问题，现在也可以解决了，甚至可以完成的更好。所以，许多土木工程师便把先进的技术融合在土木结构建设中，经过自我学习、自我诊断、自我适应以及自我修复等过程，形成了新的结构，即现代化土木结构。简单的说，现代化土木结构就是现代结构在土木结构中的应用。

2 导致土木结构失效的原因

在总结建筑灾害案例中发现，当建筑处于结构设计的寿命期间，也有可能发生结构失效的情况，原因在于以下几方面内容：由于建筑结构在正常损害承受范围内伤害的累积、结构承载性能的减弱；由于建材原料老化、锈蚀和结构的形变；施工的质量存在问题，结构设计存在隐患等。

3 现代化建筑工程相关技术常见问题研究

如果想要研究现代化建筑工程的相关技术的常见问题，那么，一定就是质量问题了，无论是现代化的建筑工程还是传统的建筑工程，质量问题始终都是贯穿整个建筑工程的主线问题。而引起现代化建筑工程质量问题的原因不仅比较多，而且还比较复杂。例如，在建筑工程的时候，没有事先了解建筑的整体情况，而是盲目的使用建筑图纸，不管与实际情况是不是吻合，都强制的按照建筑图纸进行施工；在施工的时候，用低质量的建筑材料代替高质量的建筑材料，不仅如此，在使用次品的前提下，还依然偷工减料，导致建设出了许多“豆腐渣”工程；结构设计的不科学，主要是在设计建筑图纸的时候，就完全没有考虑到在现实生活中是否可以实施，导致建筑的负荷量小、稳定性差、耐用时间短。

4 浅析现代化土木结构技术

4.1 结构智能化

结构智能化，与传统的土木结构相比，刚好弥补了传统土木结构的缺点，传统的土木结构在建设完成后，是属于比较被动的一种结构，因为它在使用上和其功能上都存在着不确定性，所以，对土木结构的使用和功能，都带来了许多的不便，降低了建筑工程的施工质量与效率。而结构智能化是经过自我学习、自我诊断、自我适应以及自我修复等过程逐步形成的，通过与先进技术的完美配合，不仅实现了结构智能化，同时还提升了现代化土木结构的技术。

4.2 结构智能化历程

以往的土木结构是一项被动的构造，如果设计、制造完毕，使用情况及性能存在极大程度的不可操控性及无法预测性，这就为结构的应用与维护带来了困难。为了处理上述情况，探究与研发了在线的监控模式，其基于以往的土木结构层面上实施再现监控，进而让人们轻松的掌握结构的力学场及物理变化。这同样也是结构智能化的第一层面。基于在线监控的层面上，增添了数据监控的智能处理系统，从而让结构可以自行判断、自行推理，这就进入了结构智能的第二层面。在结构中添加自动控制机制，依据检测结果及推断方向，结构的耦合作用做出反应，进而智能化的操控结构，这就是结构智能化的第三层面。例如：结构的老化、开裂、形变行为等，抑制结构动力震动，从而降低了建筑维修与养护的资金投入。对结构智能化的演变进行类别划分，可以包含以下内容：自行感知土木建筑的结构，这也是智能结构的地基形态；自动判断智能土木的结构，具备对上一层结构进行智能化加工的能力，包含结构物理场的自行计算、判断结构参数、制定结构本身的处理方案、自行推理等；智能操控土木的结构，其也是智能土木结构的高级形态。图1为土木智能化演变三项内容的关系。

图1 智能化演变三项内容的关系

4.3 对现代化的土木结构进行分类

现代化的土木结构主要分为两类，一类是嵌入式现代化的土木结构，一类是智能材料以及基体的耦合结构。

4.3.1 嵌入式现代化的土木结构

嵌入式现代化的土木结构，就是在传统的土木结构的基础上进行改进的一种新的结构。例如，在钢筋混凝土以及一些钢结构制造中，嵌入一些相关材料或者是具有控制、处理、传感等功能的相关仪器，集成了与现代化科学技术于一体的技术，通过嵌入式现代化的土木结构的传感功能对信息进行检验和采取，然后传送到计算机，进行进一步的计算处理，处理完之后，把计算结果再传输到具有控制作用的控制器，由控制器来发出下一步的动作指令。其工作原理如图2所示。

图2 嵌入式现代化的土木结构原理图

4.3.2 智能材料以及基体的耦合结构

有的材料其本身就具有一些现代化的智能功能，对于有时候出现的一些突发状况，可以随着其自身的物理状态或是力学的改变，来改变自身的某些性能。例如：碳纤维的混凝土可以伴随着自身的受力形式不同而使到导电性发生变化，只要对其变化进行检测，就能够间接、轻松的获取结构的内部力学资料。而根据结构智能化的不同目的，还可以把基体的耦合结构分为以下几种类型，分别是：进行应力应变状态的自我诊断的智能混凝土结构；有感知的智能减震结构；具有自我调节的智能减震结构；进行裂缝自我诊断以及自我愈合的智能混凝土结构；具备预报疲劳使用寿命功能的土木结构等。

4.4 现代化的土木结构主要研究内容分析

现代化的土木结构主要内容有3个方面：智能化的设计；通过传感元件从而实现智能化的控制；作动材料的分析。

4.4.1 智能化的设计

对传统的结构智能化概念的设计研究是现代化土木结构的首要研究内容。首先，要根据结构类型、目前的技术水平、经济方面的流动资金情况等各方面的条件；然后确定一个具有实用性、技术先进性以及经济合理性的智能化目标；在把智能化目标确定了以后，根据在使用结构的过程中有可能遇到的一些问题进行简单的预测，还要对结构在力学环境以及物理环境下可能出现的各种情况进行预测；最后，根据整体预测的情况，来确定结构的监控计划。

4.4.2 通过传感元件从而实现智能化的控制

传感元件实际上是实现智能化控制的一个比较重要的内容，是现代化土木结构中最基本的一项功能，传感原件主要存放在传统的建筑材料中，用来采集相关信息，进而分析里面所包含的信息，可以很好的实现自我诊断、自我控制以及自我驱动的智能化功能，所以，对于传感元件的要求也就比较严格。首先是尺寸方面，一定要准确、细微，否则会影响到外形；然后是传感元件的性能方面，不仅要求稳定性要好，覆盖面和信号接收频率范围广泛，而且耐久性也一定要好；其次，传感元件与基体结构的耦合情况要良好，这样，对结构原材料的影响才会小；最后，也是最重要的一点，就是传感元件的外界抗干扰性一定要强，只有这样才能在结构的正常使用湿度以及温度的范围下正常工作。像光导纤维、压电陶瓷、碳纤维、电阻应变丝、锈蚀传感器以及疲劳寿命丝等传感元件均有以上的特点。

4.4.3 作动材料的分析

现代化的土木工程想要实现的最终目标是结构的智能化控制的实现，然而，要想实现结构的智能化控制，所要依靠的是作动材料。一些常在物理上出现的光、电以及热等非机械量及其机械量材料，这些都属于常出现的耦合现象的材料，将他们作为作动材料。通过对一些光、电以及热等非机械量的控制变化来获取应力应变状态、形状、频率、位置等一般结构的特点，来实现作动材料的目的。但是，对作动材料还是有一定的要求的，与基本结构必须有良好的耦合性和较高的结合度；静强度与疲劳强度要强；信号频率的响应范围要广泛、响应速度要快，并且是可以很好控制的；稳定性也一定要好。像记忆性合金、压电材料、聚合胶体以及记忆聚合物等材料都具有这些特点，可以应用到实际当中去。

4.5 现代化土木结构技术的应用

综上所述，智能土木结构的定义是为了进一步处理评估完整性、结构强度、耐久性、安全性等问题而提出的。如果土建结构的性能可以及时、准确进行预测，不但可以极大程度的降低维修资金的投入，同时还可以增强建筑物的质量。最近几年，研究的各项无损检测方法都无法对建筑结构实施及时检测，而这种智能的土木结构就可以实现从内向外的预报，具有良好的使用前景。就当前情况来看，其主要应用在桥梁、高层建筑及大坝等领域中。

在美国，20世纪80年代末，逐渐开始在很多桥梁中安装检测传感设备，从而对设计中的部分假定进行验证，监控施工的质量及安全服役情况，例如：坐落于美国福罗里达州坦帕湾上的阳光高架桥，是世界上最长的混凝土斜拉桥，全程长29040km，并且也是美国19号高速路及275号洲际公路的构成部分之一，连接圣彼得堡市及马纳蒂县的安德森县。在此桥上就共安装了上百个传感设备。美国于20世纪80年代末就开始在桥梁中放置监控设备及仪器。在我国，Hong Kong的青马大桥、Lantan Fixed Crossing Bridge、内陆的江阴桥、虎门桥等也在施工过程中放置了传感设备，对大桥工作期间的安全情况进行监控。在1993年，Canada在艾尔伯特省的卡尔加里修建Bedding Trail大桥时，第一次装置了布拉格光纤光栅传感设备，从而对大桥的内部变化状态进行监控。

另外，在一些其他的大体积混凝土建筑中，例如：大坝、船闸、采油平台等，都曾经尝试架设传感设备来创建智能结构。与此同时，最近几年新发展的智能传感设备原件也被广泛应用到民用的项目建设中。如今，智能化的大厦像雨后的春笋般不断涌现。智能化应用于民用建筑的结构方面，此研究已经存在约30a的历史了。