为了回顾我国结构工程基础研究在过去20年中的主要进展,以基金委在过去20年间对结构工程学科资助的重点研究项目和国家杰出青年基金项目为线索,以Webof Science,Google Scholar和CSCD为检索工具,对我国结构工程研究中涌现出来的、在国内外产生了较大影响的学术成果进行了梳理和分类。以下,以结构工程主要学科方向为线索,概述这一研究的主要结果。
1 结构工程材料
在过去20年中,工程结构材料的研究成果表现在高性能混凝土的研发与应用、高性能钢材的应用与普及、轻质砌体材料的研究等方面,这些研究成果对推动我国结构工程的发展起到了重要作用。而就国际影响力而言,则当推我国科学家在纤维增强材料(FRP)的结构应用研究方面的贡献。从纤维增强材料的基本力学性能研究人手,我国科学家在FRP-混凝土界面应力传递机理与载结剥离理论模型、FRP配筋混凝土梁的受弯、受剪破坏机理、包裹FRP混凝土柱的受力破坏机理等方面取得了为世界所公认的重要研究成果。这些研究成果,不仅为我国在此方面的工程结构设计规范的制订奠定了理论基础,也为英国混凝土学会设计指南、澳洲混凝土设计规范提供了基本设计公式的理论依据。这在中国结构工程研究发展的历史上是为数不多的。
2 结构试验技术
基金委于2002年在湖南长沙召开学术研讨会,重点研讨美国自然科学基金会NEES计划开始实施形势下的中国发展对策。这一事件,标志着结构试验技术在我国开始得到前所未有的重视。这次会议之后,基金委迅速设立以远程协同拟动力试验为主题的两项重点研究项目,并在2007年开始执行的基金委重大研究计划中设立了以实时混合试验技术为主题的重点支持研究项目。这些项目的设立,对结构混合试验技术的发展起到重要的推动作用。10年后的今天,尽管我国在此领域的研究还没有达到实质性推动结构工程发展的理想境界,但我国科学家的努力,使我国在此领域的研究保持了与国际水平同步发展,并开始逐步走到国际前沿。我国科学家在结构混合动力试验的无条件稳定显式算法、实时子结构试验的等效力控制方法[X10等方面的工作得到了国际学术同行的高度重视。事实上,在过去的20年间,多点输人地震模拟振动台的建立、风浪联合作用风洞实验室的建设、大吨位多功能试验机的研发、多种功能环境实验室的开拓,都标志着我国在结构工程试验技术与装备方面,已然走在了世界的前列。
3 结构健康监测技术
以结构健康监测为标志的结构性能监测技术的发展,是过去20年间国际结构工程领域的发展标志之一。国家科技部于1995年设立的攀登计划项目中的重点研究课题“高层建筑安全性检测与监测”基础理论研究,可以视为结构健康监测研究在我国发展的起点。而2000年由基金委在北京主持召开的重大工程灾变行为与健康监测研讨会,则将这一方向的研究推向了高潮。从图3可见,在过去20年间,我国在此领域的研究论文发表数量增长近8倍之多。与之相适应,我国在此领域的研究也理所当然地走在了世界前列。文献研究表明,我国科学家在大尺度、多参量传感技术、纳米混凝土应力传感器研发、光纤光栅传感应变传递规律、基于分形理论的损伤识别等方面的研究均达到了国际先进水平。由于我国科学工作者的杰出成就,欧进萍院士当选为国际智能基础设施结构健康监测学会副主席。
4 结构计算理论
结构分析与计算是结构设计的基础。纵观结构工程设计理论的发展史,可以清晰地看到从基于材料强度设计到基于结构极限状态设计,再到基于结构功能设计的发展历程。与之相应,在结构分析理论的研究领域,则可以清晰地看到从线性材料力学到非线性材料力学、再到固体力学的发展历程。事实上,力学基础理论是结构工程研究赖以发展的核心与灵魂。经过20世纪50-60年代的学习、80-90年代的跟踪这一漫长过程,中国科学家终于在20世纪90年代后期开始在结构分析理论研究中赶上了世界发展的步伐,并开始在一些领域展现出自身的特色。结构随机动力学与混凝土损伤力学的研究进展,就是这一领域发展中有代表性的研究成果。由我国科学家提出的概率密度演化理论,因为科学地揭示了随机系统与物理系统的内在联系而在国际上引起广泛重视,并以PDEM为专有名词而广为人知,被誉为是这一研究领域具有“突破性的研究进展”。混凝土随机损伤力学的研究,则科学地揭示了混凝土结构细观损伤演化的物理机制,从而成为我国混凝土结构设计规范中关于结构非线性分析的理论基础,并开始在我国工程建设中发挥关键作用。
5 结构抗灾设计理论
结构抗灾设计理论的发展,是过去20年中我国结构工程研究发展的另一个重要标志。在过去20年间由基金委资助的55项结构工程重点研究项目中,与结构抗灾设计理论研究相关的项目高达20项。而分别于1997年和2007年启动的国家自然科学基金重大研究项目和重大研究计划,更是直接以结构抗灾设计理论研究为主题,充分表明了基金委对工程结构抗灾设计理论发展的高度重视。
从20世纪60年代起步的结构抗震设计理论研究,到20世纪90年代中期开始赶上了国际研究发展的步伐。从结构构件到整体结构模型的大规模结构试验,成为我国结构抗震研究的典型特征。这在一定程度上支撑了结构工程师进行复杂结构抗震设计的信心,也促成了我国在此领域研究的繁荣局面。从2008年以来,我国科学家在可恢复功能结构方面的研究探索,开始在结构抗震的国际前沿取得一席之地。
我国结构抗风的研究,始于高层建筑结构抗风的研究。而真正使我国在国际风工程领域取得重要学术地位与影响力的工作,当属大跨度桥梁抗风设计理论的研究。在多模态颤振藕合理论、斜拉索风雨激振机理、桥梁抗风可靠性设计等方面的研究成果,使我国从事风工程研究的科学家们连续三次被邀请在国际风工程大会上做特邀报告,这在国际风工程界尚无先例。由于我国研究工作的突出贡献,项海帆院士、葛耀君教授先后当选为国际桥梁与结构协会副主席。
自20世纪90年代中期以来,工程抗灾设计理论研究的突出特征是对结构寿命期内多种灾害作用的关注。结构抗火设计与结构抗爆设计理论的研究与发展,是这一特征的重要表现。我们欣喜地看到:由于基金委的重点资助,我国科学家在这两个新兴领域的研究中表现突出,使我国在国际化研究格局中,迅速占据了有利地位。事实上,我国在钢结构抗火设计理论研究方面,业已走到了国际研究的前沿「25-26。而我国在建筑结构抗爆方面的研究,虽然仅起步十年,但已建立了初具规模的学科发展体系,并开始在国际上取得重要影响。
6 结构振动控制
美国科学家于20世纪70年代初提出了结构振动控制的思想「2}。此后,自20世纪80-90年代,结构振动控制技术在日本得到了迅速发展。并在20世纪90年代初,基金委审时度势,开始了对结构振动控制理论与技术研究的重点支持。在过去20年间,关于这一方面的资助金额达到了对结构工程研究资助总额的7.2%。持续的支持和我国科学工作者的艰苦努力,使得结构控制技术在隔震技术、被动控制技术、主动与半主动控制技术方面都取得了长足的进步。在基础理论研究方面,我国科学家发现了主动控制力在多数情况下是阻尼力为主的特征,从而使结构半主动控制或智能阻尼控制替代主动控制,并达到与主动控制基本相同的控制效果;提出了基于概率密度演化理论的结构随机最优控制理论和阻尼器最优布设技术,从而使我国在此领域的基础研究表现出了不断创新的发展态势。伴随着大规模的理论与试验研究,我国在结构振动控制技术应用方面开始走到了世界的前列。东方明珠电视塔、广州电视塔、上海中心的结构振动控制,洞庭湖大桥风振控制,成为我国结构控制技术发展的标志性工程应用成果。
7 新型结构体系
新型结构体系是结构工程研究创新的载体。事实上,结构工程的主要任务之一,就是运用新材料、新原理、新技术,创造满足不同需求的新型结构体系。在过去20年中,我国在结构体系创新方面的研究进展可圈可点、亮点纷呈。这些亮点中,最突出的当为组合结构、混合结构与大跨度结构的发展。
钢一混凝土组合结构结合了钢材与混凝土材料的优点。通过对栓钉连接技术的研究和结构组合形式的创新,现代组合结构将结构材料的优势发挥到了极致,在桥梁结构、大跨度结构中获得了普遍应用。而我国科学家在组合梁刚度计算、滑移效应分析理论、组合梁长期变形计算、组合柱强度分析等方面的研究,则为大规模的工程应用奠定了重要的理论基础。
与组合结构侧重于构件层次的技术特征相比较,钢一混凝土混合结构则在结构组合方面展现出新的优势与特征。由于高层、超高层建筑结构的重要应用背景,我国在此方面的研究呈现出了普遍发展的态势。在混合结构的整体抗震试验、混合结构的刚度控制与性能设计等方面的研究,则为这一领域的研究奠定了坚实的基础。
大跨度钢结构的发展,是我国结构工程发展的另一重要标志。在多层网壳结构、索一网结构设计等方面的创新,使我国大跨度钢结构的结构形式日趋多样。而在大跨度结构抗震、抗风基础理论方面的研究进展、大跨度结构动力稳定性理论的研究探索,则使我国在此领域的基础理论研究开始获得了较高的国际影响力。
8 结构耐久性研究
结构耐久性研究是结构工程研究中一个极其重要的组成部分。事实上,它代表着结构工程未来发展的一个重要标志性方向。虽然早在20世纪60年代,我国科学家就开展过结构腐蚀的研究探索,但真正在结构耐久性领域形成大规模的研究发展态势,则是1995年之后的事情。在这一历史进程中,基金委一直给予了高度关注与重视。在过去20年间,基金委支持的重点项目多达7项,占总资助项目的13%。基于这些支持和我国科学家的持续努力,我国在结构耐久性基础理论研究方面的进步达到了国际先进水平。这不仅表现在我国在结构环境区划方面的创新性系统研究、钢筋锈蚀机理的深人研究、锈蚀钢筋的疲劳性能研究、混凝土氯离子侵蚀机理的多尺度分析等方面的重要创新成果,而且表现在我国在此方面的基础理论研究为工程设计规范的制订提供了全方位的支持。与此同时,大规模的实验室建设和大范围的研究团队组成,为我国在此方向持久、深人地研究奠定了重要基础。
9 生命线工程研究
早在上世纪80年代,以王光远先生为代表的中国科学家就开始倡导结构工程系统的研究。延续美国、日本科学家在20世纪80年代关于生命线工程抗震的研究探索,我国科学家在工程系统可靠性分析和基于系统可靠性的抗震设计研究工作,是我国结构工程基础研究深人工程系统层面的一个重要标志。关于工程网络连通可靠性的递推分解理论,在国际上得到了系统的跟踪、学习与再创新,而基于系统可靠性的地下管网抗震拓扑优化设计,则被成功应用于汉川地震后的灾区重建设计之中。