保障结构质量与安全的数据需求：基于工程大数据的思考（上）

◆李唐振昊 尤建新 / 文

1引言

改革开放以来，我国的基础设施建设投资、商业地产与住宅市场都经历了大幅的增长，土木工程领域也随之而繁荣。从三峡大坝工程到“八纵八横”高铁网，从青藏铁路项目到港珠澳跨海大桥，中国建设了大量吸引全世界目光的重大工程[1]。然而，这些重大工程让我们骄傲的同时，也面临着许多结构质量与安全的问题与挑战。

结构的质量与其耐久性研究密不可分。19世纪40年代，法国工程师Vicat在著作中首次涉及到混凝土受腐蚀破坏的研究[2]，现阶段对混凝土结构耐久性的研究大致从四个层面进行，包括环境层次、材料层次、构件层次和结构层次等[3]。其中，环境层次耐久性的研究包含大气环境、海洋环境、土壤环境和工业环境等方面；材料层次耐久性的研究有混凝土碳化、氯盐腐蚀、冻融破化、碱-集料反应和钢筋锈蚀等方面；构件层次的研究包括混凝土膨胀开裂研究、锈蚀钢筋与混凝土粘结性能研究和构件承载力变化研究等内容；结构层次的研究主要有拟建混凝土结构的耐久性设计、在役混凝土耐久性评估和混凝土结构寿命预测等内容。随着研究的深入，人们意识到耐久性问题在其他工程结构也同样存在。对于一切工程结构，在使用过程中均会出现累积损伤、抗力衰减和功能退化等问题，随着时间的推移，必定对结构的质量产生显著影响，甚至可能导致工程事故的发生[4]。然而，依靠传统的统计学方法和现行的设计方法很难保证工程结构的长期质量与安全。同时，现行规范的要求大多面临的是“共性”质量问题，而每一个结构本身都是独特的。如何解决“个性”质量问题，传统的理论无法给予最优的解决方案。

“大数据”的概念正逐渐影响整个世界，带动着社会、经济、科学与技术等各个领域的研究热潮。土木工程领域也时刻产生着大量的数据。这些数据将成为评价工程结构质量、功能效用以及周期维护的重要指标，并为重大项目决策提供可靠参考[5]。因此，依靠大数据技术解决质量与安全的问题与挑战，利用新技术改进工程领域的研究方式，使大数据技术逐渐成为土木工程领域的支撑技术，将是土木工程学科与大数据相结合的发展方向。从现在的研究来看，对于利用大数据技术确保结构质量与安全的研究大多集中于结构的健康监测领域，以及图像识别结合机器学习的方式对建筑进行实时监测和预测等方面[6]。研究的角度仍然局限于传统的工程思维模式，即结构产生了实际的力学响应数据，然后对数据进行分析，最终通过分析进行决策。这样的方法存在一定的局限性，即考虑的数据维度较为片面，没有充分利用实际产生的所有有效数据类型，与大数据技术的核心价值并不匹配。因此，为充分促进大数据技术与土木工程学科的结合，确定相应的数据需求框架势在必行。

2 数据需求框架

基于土木工程特点以及前人提供的基本理论，结构的质量与安全受多维度数据的影响，包括时间[7]、空间[8]、环境[9]、土体条件[10]、结构形式[11]、荷载[12]、结构阻尼[13]、结构刚度[14]、结构质量[15]、结构响应[16]、材料属性[17]、偶然事件[18]和施工质量[19]等。根据结构设计理论，结构在设计和使用时需要满足结构的抗力大于外部作用于结构的效应[20]。结构的抗力是结构本身的能力体现，与结构自身各类特性息息相关，而外部效应是外部因素作用于结构的综合体现，与结构自身特性无关。因此，本文以结构特性数据和非结构特性数据作为保障结构质量与安全的数据需求框架的一级指标。从各类维度的数据特征分析，环境、土体条件和施工质量等数据与结构本身特性无关，而结构形式、结构阻尼和结构响应等数据是结构特性的具体体现，因此将各类细分维度作为二级指标。

2.1结构特性数据

结构特性数据是直接反应结构属性特点的数据，可以反映出结构的抗力特征。结构的空间数据、结构形式、结构阻尼、结构刚度、结构质量、结构响应和材料属性等维度的数据均可以体现结构的特性，因此，将此类维度作为构建数据需求框架的二级指标。

2.1.1 空间

空间维度主要指结构空间尺度及其变化，包括三维尺寸、形状及角度偏转、沉降和倾斜等数据。

图1 塔科马大桥风载下的扭转振动

结构高度的变化会引起主控荷载的变化。较低的结构设计以抗震为主导，而较高的结构设计以抗风荷载为主导[21]。结构的长度越大，越容易受到不均匀沉降[22]、地震波相位[23]以及温度[24]的影响。例如，铁轨每隔一段距离需要设缝来解决温度引起的形变问题[25]。结构空间形状不同，受到的荷载也有所区别[26]。例如，流线型结构不易产生气流涡旋，从而减少风振产生。著名的美国塔科马大桥风毁事件是典型案例，图1为塔科马大桥风载下的扭转振动[27]。与之相类似的，2020年5月5日，虎门大桥由于桥侧添加水马，使结构发生几何变化而产生涡振，大桥桥面出现显著震颤而封闭，最终在恢复原几何形状后逐渐趋于平稳[28]。此外，结构的角度偏转也会为结构的质量与安全带来隐患，产生倾斜的结构将导致结构受力模式发生变化，结构最终可能由于倾斜过度而发生倾倒[29]。

2.1.2 结构形式

结构按照不同的分类标准可以分成不同的类型。按照结构用途，可以分为：建筑工程结构、桥梁、隧道、公路、铁路和水利工程结构等[30]。不同的结构形式具有不同的功能，其受力形式也有所不同。

以建筑工程结构为例，按照结构体系分类可分为：墙体结构、框架结构、框架-剪力墙结构、筒体结构、拱结构、空间薄壳结构和网架结构等[31][32]。墙体作为竖向的承重和抵抗水平荷载的结构称为墙体结构，同时墙体也作为功能分区的分隔构件。框架结构采用梁、柱组成的框架作为承重构件，同时框架也是水平荷载的主要受力构件。框架-剪力墙结构的受力构件由梁柱框架以及剪力墙共同构成，剪力墙为钢筋混凝土墙体，具有较强的抗剪能力[33]。筒体结构是由钢筋混凝土墙体构成的封闭筒体组成的，主要利用封闭筒体作为承载构件。筒体结构与框架结构组合可成为框筒结构，与筒体结构组合可成为筒中筒结构，和桁架结构组合形成桁架筒体结构。由于其具有较强的抗侧能力，多数的超高层建筑会选择此类结构体系。拱结构是由拱形构件构成的结构，该结构能有效将竖向荷载转化为水平荷载，著名的赵州桥即为拱结构。空间薄壳结构是由面板与边缘构件组成的空间结构。该结构的特点是构件薄、自重小，但刚度大且承载能力高[34]。网架结构是利用多根杆件通过节点连接而形成的具有一定规律的网状空间结构，其特点是自重小且刚度大，因此能形成较大跨度，并具备良好的抗震性能[34]。由于结构的功能需求不同，在设计时会采用不同的结构体系。不同的结构体系也注定了结构不同的传力特点，从而对结构的质量与安全产生不同的影响。

2.1.3 结构质量

结构质量最直接影响的是结构自重，质量越小自重荷载越小。此外，由于地震效应与结构的质量成正比，对于结构而言高度越高重心也越高，在地震作用时其倾覆力矩也随之增大，因此质量的大小会影响结构在地震作用中的响应，从而影响结构的质量与安全[35]。不仅如此，结构质量会影响结构的自振频率，结构自振频率反应的是结构本身固有的特性，对结构振动分析，如抗震、抗风等均有直接影响[36]。现实中的建筑都是无限自由度的，因此结构自振频率数也有无穷多个，但在传统的计算中，会采用集中质量法，将墙体的分布质量集中起来，简化成单自由度或多自由度系统，以此极大减少计算量，但是计算结果会与实际情况产生误差[37]。利用大数据手段，可以更加精确地测算出结构的自振频率，从而进一步得到较为准确的结构模态。图2为上海金融中心有限元模型的前五阶振型[38]。

图2 上海金融中心有限元模型的前五阶振型

2.1.4 结构刚度

刚度通常用弹性模量来衡量，它是结构在受力时抵抗弹性变形的能力，其大小体现了结构弹性变形难易程度[39]。刚度与物体的边界条件、外力形式、材料性质以及几何形状等有关，一般认为材料的弹性模量和剪切模量越大，刚度越大[40]。

在工程应用中，刚度与结构安全与质量有密切联系。刚度不够，将引起结构的失稳，或在风荷载作用下发生颤振等灾难性事故[41]。因此，在设计时要按照规范要求刚度。当然刚度也不是越大越好，不仅有经济性的考量，更多的是因为刚度本身也会影响结构的自振频率[36]。例如在抗震设计中，结构自振频率需要避开地震波的频率，从而避免结构与其发生共振而产生最大的破坏。刚度越大，自振频率越小，理论上可以避免共振现象，但是实际结构无法达到如此大的刚度。因此，在满足规范要求的形变下，结构会尽可能地减小刚度，从而减小自振频率，以此减少地震产生的效应并增强结构耗能[42]。结构在使用过程中，刚度也会时刻发生变化，从而对结构的质量与安全构成影响，因此明确结构刚度也十分重要。

2.1.5 结构阻尼

阻尼是反映结构振动过程中能量耗散特征的参数。该参数主要体现了结构的耗能能力，这一能力在抗震和抗风设计中尤为重要。结构需要一定的阻尼消耗能量，从而调节和减轻结构响应，确保结构在地震和风载下的质量与安全。

实际结构在耗能时方式较多，且形式相对复杂，因此不同于结构尺寸、结构质量、刚度等参数，阻尼没有明确或直接的测量手段和相应的分析方法，这使得阻尼问题难以采用精确的理论分析方法。在实际工程中，往往通过规范经验或传统测试的方法来获取阻尼参数[43]，然而采用经验取值的方法不具有普遍性，传统方法中存在难以有效分离模态、测点复杂以及序信号不易测量等问题，阻尼参数识别也因此困难重重[44]。现阶段，部分研究者利用数据驱动的方式，反演结构阻尼，计算出更为准确的结构阻尼，从而更好地为结构设计时的准确度和使用时的质量服务[45]。

2.1.6 结构响应

结构响应具体是指结构的力学响应，是结构在荷载作用下产生的应力、应变、位移和加速度等各种反应。

结构的力学响应是最直接地反映结构所处状态的物理量，是用来评估结构状态的最重要指标，也是结构在设计时需要控制来保障结构质量的指标。以层间位移角为例，其是指按弹性方法计算的风荷载或多遇地震标准值作用下的楼层层间最大水平位移与层高之比。该指标主要为限制结构在正常使用条件下的水平位移，确保高层结构应具备的刚度，避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求[46]。现行规范中要求，对于钢筋混凝土框架结构，层间位移角限值为1/550；对于钢筋混凝土框架-抗震墙、板柱-抗震墙、框架-核心筒结构，层间位移角限值为1/800；对于钢筋混凝土抗震墙、筒中筒结构，层间位移角限值为 1/1000[47]。结构在使用过程中，会产生大量的结构响应数据，也是在大多数传统研究中使用最多的数据。

2.1.7 材料属性

不同的材料具有不同的材料属性，这里的材料属性不仅仅指材料的力学性能，如弹性性能、塑性性能和抗冲击性能等，还包括材料的其他属性，如密度、硬度、熔沸点、氧化还原性、耐腐蚀性等。结构使用不同的材料会直接影响结构的质量与安全。

以钢结构和混凝土结构为例。钢结构主要以钢构件连接而成，钢具有自重小、延展性好等性质，因此构件不会发生脆性破坏，并且在地震作用下耗能情况较好，抗震性能也因此较好，但是由于钢的性质，构件容易出现扭曲和失稳现象，不仅局部失稳需要注意，整体的失稳也需要预防[48]。此外，钢结构易腐蚀、防火性能差、隔热性能差，使用时对于结构质量有显著影响。混凝土结构由钢筋和混凝土组成。混凝土具有自重大、刚度大等性质，因此在地震作用下容易发生较明显的震害，混凝土震害大多为出现裂缝、混凝土被压碎、钢筋屈服、局部倒塌或破坏，整体倒塌情况较少。但是混凝土结构的整体性、密闭性、防火性以及耐腐蚀性均比钢结构好，保温效果也明显优于钢结构[49]。

（未完待续）