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序 作為社會經(jīng)濟發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)，土木工程是我國提升人居環(huán)境、改善交通條件、發(fā)展公共事業(yè)、擴大生產(chǎn)規(guī)模、促進商業(yè)發(fā)展、提升城市競爭力、開發(fā)和改造自然的基礎性行業(yè)。隨著社會的發(fā)展和科技的進步，基礎設施的規(guī)模、功能、造型和相應的建筑技術越來越大型化、復雜化和多樣化，對土木工程結構設計理論與建造技術提出了新的挑戰(zhàn)。尤其經(jīng)過三十多年的改革開放和創(chuàng)新發(fā)展，在土木工程基礎理論、設計方法、建造技術及工程應用方面，均取得了卓越成就，特別是進入21世紀以來，在高層、大跨、超長、重載等建筑結構方面成績尤其驚人，國家體育場館、人民日報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目的建設更把技術革新推到了科研工作的前沿。未來，土木工程領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)境問題特別是氣候變異的影響將越來越受到重視，全球性的人口增長以及城鎮(zhèn)化建設要求廣泛采用可持續(xù)發(fā)展理念來實現(xiàn)節(jié)能減排。在可持續(xù)發(fā)展的國際大背景下，“高能耗”“短壽命”的行業(yè)性弊病成為國內土木界面臨的最嚴峻的問題，土木工程行業(yè)的技術進步已成為建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的迫切需求。以利用預應力技術來實現(xiàn)節(jié)能減排為例，預應力的實現(xiàn)是以使用高強高性能材料為基礎的，其中，高強預應力鋼筋的強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度高1倍以上甚至更多，而單位能耗相差不大；使用預應力技術，則可以節(jié)省混凝土和鋼材20％~30％，隨著高強鋼筋、高強等級混凝土使用比例的增加，碳排放量將相應減少。 東南大學土木工程學科于1923年由時任國立東南大學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、劉樹勛、方福森、胡乾善、唐念慈、鮑恩湛、丁大鈞、蔣永生等著名專家學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，東南大學的土木工程學科以土木工程學院為主，交通學院、材料科學與工程學院以及能源與環(huán)境學院參與共同建設，目前擁有4位院士、6位國家千人計劃特聘專家和4位國家青年千人計劃入選者、7位長江學者和國家杰出青年基金獲得者、2位國家級教學名師；科研成果獲國家技術發(fā)明獎4項，國家科技進步獎20余項，在教育部學位與研究生教育發(fā)展中心主持的2012年全國學科評估排名中，土木工程位列全國第三。 近年來，東南大學土木工程學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博士畢業(yè)青年才俊的加入，8人入選教育部新世紀優(yōu)秀人才，8人在35歲前晉升教授或博導，有12位40歲以下年輕教師在近5年內留學海外1年以上。不遠的將來，這些青年學者們將會成為我國土木工程行業(yè)的中堅力量。 時逢東南大學土木工程學科創(chuàng)建暨土木工程系（學院）成立90周年，東南大學土木工程學院組織出版《東南土木青年教師科研論叢》，將本學院青年教師在工程結構基本理論、新材料、新型結構體系、結構防災減災性能、工程管理等方面的最新研究成果及時整理出版。本叢書的出版，得益于東南大學出版社的大力支持，尤其是丁丁編輯的幫助，我們很感謝他們對出版年輕學者學術著作的熱心扶持。最后，我們希望本叢書的出版對我國土木工程行業(yè)的發(fā)展與技術進步起到一定的推動作用，同時，希望叢書的編寫者們繼續(xù)努力，并挑起東大土木未來發(fā)展的重擔。 東南大學土木工程學院領導讓我為本叢書作序，我在《東南土木青年教師科研論叢》中寫了上面這些話，算作序。 中國工程院院士： 智能預應力技術——探索與試驗 前 言 近年來，我國鐵路事業(yè)飛速發(fā)展，主干線已連續(xù)幾次進行全面提速，新建線路設計時速不斷攀高，高速鐵路建設正加快推進。列車運行速度的提高對軌道平順性提與了更高的要求，無論是提速加固原有橋梁還是新建預應力混凝土橋梁，控制其長期彎曲變形成了設計的最主要原則之一，橋梁在長期恒載作用下的徐變變形直接影響軌道結構的受力、平順性和行車安全。為減小恒載內力，現(xiàn)有技術手段之一是施加預應力。 傳統(tǒng)預應力技術，是采用人為方法在結構中預先引入與荷載效應相反的應力，以提高結構承載能力、改善結構的受力狀態(tài)，從而達到節(jié)約材料、減輕自重等目的。但是，當活載變化幅度相對于恒載而言較大時，結構中將存在高應力狀態(tài)。在長期高應力狀態(tài)下，混凝土容易產(chǎn)生較大的徐變，從而導致結構出現(xiàn)較大變形，影響結構正常使用。 智能預應力技術，能夠根據(jù)結構狀態(tài)調整索力，明顯改善預應力的效果，能避免長期不良應力和大大減少與時間緊密相關的預應力損失，使結構具有自適應性能，從而有效地控制短期撓度以及長期徐變效應，提高軌道的平整度和行車的安全舒適性，具有前瞻性和重要的現(xiàn)實意義。 本書結合國內外智能結構及預應力結構的研究現(xiàn)狀，本著以基礎性研究為主，從應用著眼的指導思想，探索性地開展智能預應力技術的研究工作，主要內容包括緒論、智能預應力梁的力學分析、智能預應力梁的有限元參數(shù)化分析、移動質量作用下智能梁的撓度控制、智能預應力系統(tǒng)的組成、智能預應力結構控制試驗、智能預應力技術展望與應用設想。 本書從選題之初，到試驗方案制定，以及書稿的撰寫完成，得到了導師呂志濤院士的悉心指導，在此表示誠摯的感謝。同時感謝東南大學自動化學院馬旭東教授、趙亞明碩士，機械工程學院任祖平教授、毛玉良副教授，電工電子實驗中心胡仁杰教授，以及東華測試技術有限公司的技術人員，試驗的最終完成離不開他們的熱心指導和無私幫助。 由于作者水平有限，時間較為倉促，書中存在不妥之處，敬請讀者批評指正。 徐偉煒 ２０１５年１月于東南大學 目 錄 第一章緒論1 11預應力技術發(fā)展簡要回顧1 111預應力混凝土結構1 112預應力鋼結構3 12智能預應力原理6 13國內外智能預應力研究現(xiàn)狀7 131國外智能預應力研究現(xiàn)狀8 132國內智能預應力研究現(xiàn)狀11 14智能預應力的應用前景12 15本書主要研究內容12第二章智能預應力梁的力學分析14 21體內無粘結智能預應力簡支梁14 211力學模型14 212控制微分方程的求解17 213算例分析18 22體外橫張智能預應力簡支梁22 221力學模型22 222不考慮速度條件時的系統(tǒng)過程分析23 223考慮速度條件時的系統(tǒng)可控性分析25 224數(shù)值算例26第三章智能預應力梁的有限元參數(shù)化分析29 31橫張智能預應力梁的有限元分析方法29 311索的有限元方程30 312索對梁的作用30 313梁的有限元方程31 314非線性有限元方程組的求解34 315結構的優(yōu)化36 32雙撐桿橫張智能預應力梁的參數(shù)分析41 321力學模型41 322模型參數(shù)分析42 323有限元優(yōu)化50 324移動荷載的仿真53第四章移動質量作用下智能梁的撓度控制57 41力學模型57 42多級控制算法59 43仿真算例60 431無控制算例60 432單級控制算例61 433多級控制算例61 44參數(shù)分析62 441參數(shù)效應63 442參數(shù)可行域64第五章智能預應力系統(tǒng)的組成68 51智能預應力控制硬件68 511傳感器68 512控制器71 513作動器73 52智能預應力控制算法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82第六章智能預應力結構控制試驗84 61智能預應力梁橋撓度控制試驗84 611模型簡介84 612靜載試驗86 613移動加載試驗86 614試驗結論87 62智能斜拉橋應力控制試驗87 621模型設計87 622模型制作91 623靜載試驗93 624移動加載試驗108第七章智能預應力技術展望與應用設想114 71智能預應力技術應用設想114 711在裝配式鋼桁梁中的應用設想114 712在基礎托換中的應用設想114 713在錨桿支護中的應用設想115 714在荷載緩和體系中的應用設想116 715在遷移工程中的應用設想118 72需要繼續(xù)研究的問題119參考文獻120 |
