保障結構質量與安全的數據需求：基于工程大數據的思考（上）

◆李唐振昊 尤建新 / 文

1引言

改革開放以來，我國的基礎設施建設投資、商業地產與住宅市場都經歷了大幅的增長，土木工程領域也隨之而繁榮。從三峽大壩工程到“八縱八橫”高鐵網，從青藏鐵路項目到港珠澳跨海大橋，中國建設了大量吸引全世界目光的重大工程[1]。然而，這些重大工程讓我們驕傲的同時，也面臨著許多結構質量與安全的問題與挑戰。

結構的質量與其耐久性研究密不可分。19世紀40年代，法國工程師Vicat在著作中首次涉及到混凝土受腐蝕破壞的研究[2]，現階段對混凝土結構耐久性的研究大致從四個層面進行，包括環境層次、材料層次、構件層次和結構層次等[3]。其中，環境層次耐久性的研究包含大氣環境、海洋環境、土壤環境和工業環境等方面；材料層次耐久性的研究有混凝土碳化、氯鹽腐蝕、凍融破化、堿-集料反應和鋼筋銹蝕等方面；構件層次的研究包括混凝土膨脹開裂研究、銹蝕鋼筋與混凝土粘結性能研究和構件承載力變化研究等內容；結構層次的研究主要有擬建混凝土結構的耐久性設計、在役混凝土耐久性評估和混凝土結構壽命預測等內容。隨著研究的深入，人們意識到耐久性問題在其他工程結構也同樣存在。對于一切工程結構，在使用過程中均會出現累積損傷、抗力衰減和功能退化等問題，隨著時間的推移，必定對結構的質量產生顯著影響，甚至可能導致工程事故的發生[4]。然而，依靠傳統的統計學方法和現行的設計方法很難保證工程結構的長期質量與安全。同時，現行規范的要求大多面臨的是“共性”質量問題，而每一個結構本身都是獨特的。如何解決“個性”質量問題，傳統的理論無法給予最優的解決方案。

“大數據”的概念正逐漸影響整個世界，帶動著社會、經濟、科學與技術等各個領域的研究熱潮。土木工程領域也時刻產生著大量的數據。這些數據將成為評價工程結構質量、功能效用以及周期維護的重要指標，并為重大項目決策提供可靠參考[5]。因此，依靠大數據技術解決質量與安全的問題與挑戰，利用新技術改進工程領域的研究方式，使大數據技術逐漸成為土木工程領域的支撐技術，將是土木工程學科與大數據相結合的發展方向。從現在的研究來看，對于利用大數據技術確保結構質量與安全的研究大多集中于結構的健康監測領域，以及圖像識別結合機器學習的方式對建筑進行實時監測和預測等方面[6]。研究的角度仍然局限于傳統的工程思維模式，即結構產生了實際的力學響應數據，然后對數據進行分析，最終通過分析進行決策。這樣的方法存在一定的局限性，即考慮的數據維度較為片面，沒有充分利用實際產生的所有有效數據類型，與大數據技術的核心價值并不匹配。因此，為充分促進大數據技術與土木工程學科的結合，確定相應的數據需求框架勢在必行。

2 數據需求框架

基于土木工程特點以及前人提供的基本理論，結構的質量與安全受多維度數據的影響，包括時間[7]、空間[8]、環境[9]、土體條件[10]、結構形式[11]、荷載[12]、結構阻尼[13]、結構剛度[14]、結構質量[15]、結構響應[16]、材料屬性[17]、偶然事件[18]和施工質量[19]等。根據結構設計理論，結構在設計和使用時需要滿足結構的抗力大于外部作用于結構的效應[20]。結構的抗力是結構本身的能力體現，與結構自身各類特性息息相關，而外部效應是外部因素作用于結構的綜合體現，與結構自身特性無關。因此，本文以結構特性數據和非結構特性數據作為保障結構質量與安全的數據需求框架的一級指標。從各類維度的數據特征分析，環境、土體條件和施工質量等數據與結構本身特性無關，而結構形式、結構阻尼和結構響應等數據是結構特性的具體體現，因此將各類細分維度作為二級指標。

2.1結構特性數據

結構特性數據是直接反應結構屬性特點的數據，可以反映出結構的抗力特征。結構的空間數據、結構形式、結構阻尼、結構剛度、結構質量、結構響應和材料屬性等維度的數據均可以體現結構的特性，因此，將此類維度作為構建數據需求框架的二級指標。

2.1.1 空間

空間維度主要指結構空間尺度及其變化，包括三維尺寸、形狀及角度偏轉、沉降和傾斜等數據。

圖1 塔科馬大橋風載下的扭轉振動

結構高度的變化會引起主控荷載的變化。較低的結構設計以抗震為主導，而較高的結構設計以抗風荷載為主導[21]。結構的長度越大，越容易受到不均勻沉降[22]、地震波相位[23]以及溫度[24]的影響。例如，鐵軌每隔一段距離需要設縫來解決溫度引起的形變問題[25]。結構空間形狀不同，受到的荷載也有所區別[26]。例如，流線型結構不易產生氣流渦旋，從而減少風振產生。著名的美國塔科馬大橋風毀事件是典型案例，圖1為塔科馬大橋風載下的扭轉振動[27]。與之相類似的，2020年5月5日，虎門大橋由于橋側添加水馬，使結構發生幾何變化而產生渦振，大橋橋面出現顯著震顫而封閉，最終在恢復原幾何形狀后逐漸趨于平穩[28]。此外，結構的角度偏轉也會為結構的質量與安全帶來隱患，產生傾斜的結構將導致結構受力模式發生變化，結構最終可能由于傾斜過度而發生傾倒[29]。

2.1.2 結構形式

結構按照不同的分類標準可以分成不同的類型。按照結構用途，可以分為：建筑工程結構、橋梁、隧道、公路、鐵路和水利工程結構等[30]。不同的結構形式具有不同的功能，其受力形式也有所不同。

以建筑工程結構為例，按照結構體系分類可分為：墻體結構、框架結構、框架-剪力墻結構、筒體結構、拱結構、空間薄殼結構和網架結構等[31][32]。墻體作為豎向的承重和抵抗水平荷載的結構稱為墻體結構，同時墻體也作為功能分區的分隔構件。框架結構采用梁、柱組成的框架作為承重構件，同時框架也是水平荷載的主要受力構件。框架-剪力墻結構的受力構件由梁柱框架以及剪力墻共同構成，剪力墻為鋼筋混凝土墻體，具有較強的抗剪能力[33]。筒體結構是由鋼筋混凝土墻體構成的封閉筒體組成的，主要利用封閉筒體作為承載構件。筒體結構與框架結構組合可成為框筒結構，與筒體結構組合可成為筒中筒結構，和桁架結構組合形成桁架筒體結構。由于其具有較強的抗側能力，多數的超高層建筑會選擇此類結構體系。拱結構是由拱形構件構成的結構，該結構能有效將豎向荷載轉化為水平荷載，著名的趙州橋即為拱結構。空間薄殼結構是由面板與邊緣構件組成的空間結構。該結構的特點是構件薄、自重小，但剛度大且承載能力高[34]。網架結構是利用多根桿件通過節點連接而形成的具有一定規律的網狀空間結構，其特點是自重小且剛度大，因此能形成較大跨度，并具備良好的抗震性能[34]。由于結構的功能需求不同，在設計時會采用不同的結構體系。不同的結構體系也注定了結構不同的傳力特點，從而對結構的質量與安全產生不同的影響。

2.1.3 結構質量

結構質量最直接影響的是結構自重，質量越小自重荷載越小。此外，由于地震效應與結構的質量成正比，對于結構而言高度越高重心也越高，在地震作用時其傾覆力矩也隨之增大，因此質量的大小會影響結構在地震作用中的響應，從而影響結構的質量與安全[35]。不僅如此，結構質量會影響結構的自振頻率，結構自振頻率反應的是結構本身固有的特性，對結構振動分析，如抗震、抗風等均有直接影響[36]。現實中的建筑都是無限自由度的，因此結構自振頻率數也有無窮多個，但在傳統的計算中，會采用集中質量法，將墻體的分布質量集中起來，簡化成單自由度或多自由度系統，以此極大減少計算量，但是計算結果會與實際情況產生誤差[37]。利用大數據手段，可以更加精確地測算出結構的自振頻率，從而進一步得到較為準確的結構模態。圖2為上海金融中心有限元模型的前五階振型[38]。

圖2 上海金融中心有限元模型的前五階振型

2.1.4 結構剛度

剛度通常用彈性模量來衡量，它是結構在受力時抵抗彈性變形的能力，其大小體現了結構彈性變形難易程度[39]。剛度與物體的邊界條件、外力形式、材料性質以及幾何形狀等有關，一般認為材料的彈性模量和剪切模量越大，剛度越大[40]。

在工程應用中，剛度與結構安全與質量有密切聯系。剛度不夠，將引起結構的失穩，或在風荷載作用下發生顫振等災難性事故[41]。因此，在設計時要按照規范要求剛度。當然剛度也不是越大越好，不僅有經濟性的考量，更多的是因為剛度本身也會影響結構的自振頻率[36]。例如在抗震設計中，結構自振頻率需要避開地震波的頻率，從而避免結構與其發生共振而產生最大的破壞。剛度越大，自振頻率越小，理論上可以避免共振現象，但是實際結構無法達到如此大的剛度。因此，在滿足規范要求的形變下，結構會盡可能地減小剛度，從而減小自振頻率，以此減少地震產生的效應并增強結構耗能[42]。結構在使用過程中，剛度也會時刻發生變化，從而對結構的質量與安全構成影響，因此明確結構剛度也十分重要。

2.1.5 結構阻尼

阻尼是反映結構振動過程中能量耗散特征的參數。該參數主要體現了結構的耗能能力，這一能力在抗震和抗風設計中尤為重要。結構需要一定的阻尼消耗能量，從而調節和減輕結構響應，確保結構在地震和風載下的質量與安全。

實際結構在耗能時方式較多，且形式相對復雜，因此不同于結構尺寸、結構質量、剛度等參數，阻尼沒有明確或直接的測量手段和相應的分析方法，這使得阻尼問題難以采用精確的理論分析方法。在實際工程中，往往通過規范經驗或傳統測試的方法來獲取阻尼參數[43]，然而采用經驗取值的方法不具有普遍性，傳統方法中存在難以有效分離模態、測點復雜以及序信號不易測量等問題，阻尼參數識別也因此困難重重[44]。現階段，部分研究者利用數據驅動的方式，反演結構阻尼，計算出更為準確的結構阻尼，從而更好地為結構設計時的準確度和使用時的質量服務[45]。

2.1.6 結構響應

結構響應具體是指結構的力學響應，是結構在荷載作用下產生的應力、應變、位移和加速度等各種反應。

結構的力學響應是最直接地反映結構所處狀態的物理量，是用來評估結構狀態的最重要指標，也是結構在設計時需要控制來保障結構質量的指標。以層間位移角為例，其是指按彈性方法計算的風荷載或多遇地震標準值作用下的樓層層間最大水平位移與層高之比。該指標主要為限制結構在正常使用條件下的水平位移，確保高層結構應具備的剛度，避免產生過大的位移而影響結構的承載力、穩定性和使用要求[46]。現行規范中要求，對于鋼筋混凝土框架結構，層間位移角限值為1/550；對于鋼筋混凝土框架-抗震墻、板柱-抗震墻、框架-核心筒結構，層間位移角限值為1/800；對于鋼筋混凝土抗震墻、筒中筒結構，層間位移角限值為 1/1000[47]。結構在使用過程中，會產生大量的結構響應數據，也是在大多數傳統研究中使用最多的數據。

2.1.7 材料屬性

不同的材料具有不同的材料屬性，這里的材料屬性不僅僅指材料的力學性能，如彈性性能、塑性性能和抗沖擊性能等，還包括材料的其他屬性，如密度、硬度、熔沸點、氧化還原性、耐腐蝕性等。結構使用不同的材料會直接影響結構的質量與安全。

以鋼結構和混凝土結構為例。鋼結構主要以鋼構件連接而成，鋼具有自重小、延展性好等性質，因此構件不會發生脆性破壞，并且在地震作用下耗能情況較好，抗震性能也因此較好，但是由于鋼的性質，構件容易出現扭曲和失穩現象，不僅局部失穩需要注意，整體的失穩也需要預防[48]。此外，鋼結構易腐蝕、防火性能差、隔熱性能差，使用時對于結構質量有顯著影響。混凝土結構由鋼筋和混凝土組成。混凝土具有自重大、剛度大等性質，因此在地震作用下容易發生較明顯的震害，混凝土震害大多為出現裂縫、混凝土被壓碎、鋼筋屈服、局部倒塌或破壞，整體倒塌情況較少。但是混凝土結構的整體性、密閉性、防火性以及耐腐蝕性均比鋼結構好，保溫效果也明顯優于鋼結構[49]。

（未完待續）