淺談鋼混結構在建筑工程中對土建技術的探析

賈大威

（中國五礦集團公司地產建設業務中心五礦置業有限公司，北京 100083）

近幾年來，隨著經城市化步伐也飛速發展，為建筑行業的發展提供了巨大的商業契機，所以，土建技術作為建筑工程施工過程中的最基礎施工項目，直接的關系到建筑工程的質量問題，為了保證建筑工程的質量，也為了給建筑工程打下良好的技術基礎，必須要重視土建技術在建筑工程中應用。

1 現代化土木結構概念釋義

現代化結構，其實就是對傳統結構的升華與完善。因為隨著社會的不斷進步與發展，使人們已經進入了信息化時代，對于以前不能解決的關于技術上的問題，現在也可以解決了，甚至可以完成的更好。所以，許多土木工程師便把先進的技術融合在土木結構建設中，經過自我學習、自我診斷、自我適應以及自我修復等過程，形成了新的結構，即現代化土木結構。簡單的說，現代化土木結構就是現代結構在土木結構中的應用。

2 導致土木結構失效的原因

在總結建筑災害案例中發現，當建筑處于結構設計的壽命期間，也有可能發生結構失效的情況，原因在于以下幾方面內容：由于建筑結構在正常損害承受范圍內傷害的累積、結構承載性能的減弱；由于建材原料老化、銹蝕和結構的形變；施工的質量存在問題，結構設計存在隱患等。

3 現代化建筑工程相關技術常見問題研究

如果想要研究現代化建筑工程的相關技術的常見問題，那么，一定就是質量問題了，無論是現代化的建筑工程還是傳統的建筑工程，質量問題始終都是貫穿整個建筑工程的主線問題。而引起現代化建筑工程質量問題的原因不僅比較多，而且還比較復雜。例如，在建筑工程的時候，沒有事先了解建筑的整體情況，而是盲目的使用建筑圖紙，不管與實際情況是不是吻合，都強制的按照建筑圖紙進行施工；在施工的時候，用低質量的建筑材料代替高質量的建筑材料，不僅如此，在使用次品的前提下，還依然偷工減料，導致建設出了許多“豆腐渣”工程；結構設計的不科學，主要是在設計建筑圖紙的時候，就完全沒有考慮到在現實生活中是否可以實施，導致建筑的負荷量小、穩定性差、耐用時間短。

4 淺析現代化土木結構技術

4.1 結構智能化

結構智能化，與傳統的土木結構相比，剛好彌補了傳統土木結構的缺點，傳統的土木結構在建設完成后，是屬于比較被動的一種結構，因為它在使用上和其功能上都存在著不確定性，所以，對土木結構的使用和功能，都帶來了許多的不便，降低了建筑工程的施工質量與效率。而結構智能化是經過自我學習、自我診斷、自我適應以及自我修復等過程逐步形成的，通過與先進技術的完美配合，不僅實現了結構智能化，同時還提升了現代化土木結構的技術。

4.2 結構智能化歷程

以往的土木結構是一項被動的構造，如果設計、制造完畢，使用情況及性能存在極大程度的不可操控性及無法預測性，這就為結構的應用與維護帶來了困難。為了處理上述情況，探究與研發了在線的監控模式，其基于以往的土木結構層面上實施再現監控，進而讓人們輕松的掌握結構的力學場及物理變化。這同樣也是結構智能化的第一層面。基于在線監控的層面上，增添了數據監控的智能處理系統，從而讓結構可以自行判斷、自行推理，這就進入了結構智能的第二層面。在結構中添加自動控制機制，依據檢測結果及推斷方向，結構的耦合作用做出反應，進而智能化的操控結構，這就是結構智能化的第三層面。例如：結構的老化、開裂、形變行為等，抑制結構動力震動，從而降低了建筑維修與養護的資金投入。對結構智能化的演變進行類別劃分，可以包含以下內容：自行感知土木建筑的結構，這也是智能結構的地基形態；自動判斷智能土木的結構，具備對上一層結構進行智能化加工的能力，包含結構物理場的自行計算、判斷結構參數、制定結構本身的處理方案、自行推理等；智能操控土木的結構，其也是智能土木結構的高級形態。圖1為土木智能化演變三項內容的關系。

圖1 智能化演變三項內容的關系

4.3 對現代化的土木結構進行分類

現代化的土木結構主要分為兩類，一類是嵌入式現代化的土木結構，一類是智能材料以及基體的耦合結構。

4.3.1 嵌入式現代化的土木結構

嵌入式現代化的土木結構，就是在傳統的土木結構的基礎上進行改進的一種新的結構。例如，在鋼筋混凝土以及一些鋼結構制造中，嵌入一些相關材料或者是具有控制、處理、傳感等功能的相關儀器，集成了與現代化科學技術于一體的技術，通過嵌入式現代化的土木結構的傳感功能對信息進行檢驗和采取，然后傳送到計算機，進行進一步的計算處理，處理完之后，把計算結果再傳輸到具有控制作用的控制器，由控制器來發出下一步的動作指令。其工作原理如圖2所示。

圖2 嵌入式現代化的土木結構原理圖

4.3.2 智能材料以及基體的耦合結構

有的材料其本身就具有一些現代化的智能功能，對于有時候出現的一些突發狀況，可以隨著其自身的物理狀態或是力學的改變，來改變自身的某些性能。例如：碳纖維的混凝土可以伴隨著自身的受力形式不同而使到導電性發生變化，只要對其變化進行檢測，就能夠間接、輕松的獲取結構的內部力學資料。而根據結構智能化的不同目的，還可以把基體的耦合結構分為以下幾種類型，分別是：進行應力應變狀態的自我診斷的智能混凝土結構；有感知的智能減震結構；具有自我調節的智能減震結構；進行裂縫自我診斷以及自我愈合的智能混凝土結構；具備預報疲勞使用壽命功能的土木結構等。

4.4 現代化的土木結構主要研究內容分析

現代化的土木結構主要內容有3個方面：智能化的設計；通過傳感元件從而實現智能化的控制；作動材料的分析。

4.4.1 智能化的設計

對傳統的結構智能化概念的設計研究是現代化土木結構的首要研究內容。首先，要根據結構類型、目前的技術水平、經濟方面的流動資金情況等各方面的條件；然后確定一個具有實用性、技術先進性以及經濟合理性的智能化目標；在把智能化目標確定了以后，根據在使用結構的過程中有可能遇到的一些問題進行簡單的預測，還要對結構在力學環境以及物理環境下可能出現的各種情況進行預測；最后，根據整體預測的情況，來確定結構的監控計劃。

4.4.2 通過傳感元件從而實現智能化的控制

傳感元件實際上是實現智能化控制的一個比較重要的內容，是現代化土木結構中最基本的一項功能，傳感原件主要存放在傳統的建筑材料中，用來采集相關信息，進而分析里面所包含的信息，可以很好的實現自我診斷、自我控制以及自我驅動的智能化功能，所以，對于傳感元件的要求也就比較嚴格。首先是尺寸方面，一定要準確、細微，否則會影響到外形；然后是傳感元件的性能方面，不僅要求穩定性要好，覆蓋面和信號接收頻率范圍廣泛，而且耐久性也一定要好；其次，傳感元件與基體結構的耦合情況要良好，這樣，對結構原材料的影響才會小；最后，也是最重要的一點，就是傳感元件的外界抗干擾性一定要強，只有這樣才能在結構的正常使用濕度以及溫度的范圍下正常工作。像光導纖維、壓電陶瓷、碳纖維、電阻應變絲、銹蝕傳感器以及疲勞壽命絲等傳感元件均有以上的特點。

4.4.3 作動材料的分析

現代化的土木工程想要實現的最終目標是結構的智能化控制的實現，然而，要想實現結構的智能化控制，所要依靠的是作動材料。一些常在物理上出現的光、電以及熱等非機械量及其機械量材料，這些都屬于常出現的耦合現象的材料，將他們作為作動材料。通過對一些光、電以及熱等非機械量的控制變化來獲取應力應變狀態、形狀、頻率、位置等一般結構的特點，來實現作動材料的目的。但是，對作動材料還是有一定的要求的，與基本結構必須有良好的耦合性和較高的結合度；靜強度與疲勞強度要強；信號頻率的響應范圍要廣泛、響應速度要快，并且是可以很好控制的；穩定性也一定要好。像記憶性合金、壓電材料、聚合膠體以及記憶聚合物等材料都具有這些特點，可以應用到實際當中去。

4.5 現代化土木結構技術的應用

綜上所述，智能土木結構的定義是為了進一步處理評估完整性、結構強度、耐久性、安全性等問題而提出的。如果土建結構的性能可以及時、準確進行預測，不但可以極大程度的降低維修資金的投入，同時還可以增強建筑物的質量。最近幾年，研究的各項無損檢測方法都無法對建筑結構實施及時檢測，而這種智能的土木結構就可以實現從內向外的預報，具有良好的使用前景。就當前情況來看，其主要應用在橋梁、高層建筑及大壩等領域中。

在美國，20世紀80年代末，逐漸開始在很多橋梁中安裝檢測傳感設備，從而對設計中的部分假定進行驗證，監控施工的質量及安全服役情況，例如：坐落于美國福羅里達州坦帕灣上的陽光高架橋，是世界上最長的混凝土斜拉橋，全程長29040km，并且也是美國19號高速路及275號洲際公路的構成部分之一，連接圣彼得堡市及馬納蒂縣的安德森縣。在此橋上就共安裝了上百個傳感設備。美國于20世紀80年代末就開始在橋梁中放置監控設備及儀器。在我國，Hong Kong的青馬大橋、Lantan Fixed Crossing Bridge、內陸的江陰橋、虎門橋等也在施工過程中放置了傳感設備，對大橋工作期間的安全情況進行監控。在1993年，Canada在艾爾伯特省的卡爾加里修建Bedding Trail大橋時，第一次裝置了布拉格光纖光柵傳感設備，從而對大橋的內部變化狀態進行監控。

另外，在一些其他的大體積混凝土建筑中，例如：大壩、船閘、采油平臺等，都曾經嘗試架設傳感設備來創建智能結構。與此同時，最近幾年新發展的智能傳感設備原件也被廣泛應用到民用的項目建設中。如今，智能化的大廈像雨后的春筍般不斷涌現。智能化應用于民用建筑的結構方面，此研究已經存在約30a的歷史了。

5 結語

我國的建筑業得到了人們的普遍認同，主要就是因為智能化的控制實現的非常好，以建筑為發展平臺，集通信、辦公自動化與服務、管理于一身，創造了一個安全、舒適及便利的建筑環境，所以，通過對建筑工程中的土建技術進行探析，可以清楚地了解到要想使現代化土木工程得到進一步的發展，必須要實現智能化的控制。

[1] 黃志鋒，陳建忠.超長混凝土結構裂縫控制的施工技術探討[J].科技信息：科學教研，2008(02).

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