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第十二章——高新技术在土木工程中的应用概述计算机与仿真技术现代结构试验技术结构振动控制技术结构健康监测与安全预警技术12.1概述进入20世纪中叶以来,土木工程的发展出现了传统建造技术与现代高新技术相结合的基本特征。1940年,电子计算机诞生。20世纪60年代,现代试验技术发展。20世纪70年代,结构控制技术产生。20世纪80年代,结构健康监测技术产生。12.2计算机与仿真技术计算机辅助设计(ComputerAidedDesign),简称CAD。1计算机辅助设计CAD的起源应追溯到二十世纪50年代中期,由麻省理工大学林肯实验室为美国空军研发的SAGE(SemiAutomaticGroundEnvironment)防空系统,该系统使用CTR显示器展现经过计算机处理的雷达以及其他信息。其后,CAD/CAM之父的PatrickJ.Hanratty在1957年开发了PRONTO(ProgramforNumericToolOperation),世界上第一个数控编程系统。紧接着在1959年IvanSutherland在麻省理工大学林肯实验室使用TX-2计算机开发了SKETCHPAD系统,这套能够通过使用光笔在屏幕上与计算机系统进行人机交互作业的系统被人们认为是CAD工业迈出的第一步。进入二十世纪70年代之后,计算机硬件性能和计算机图形学都有了很大的发展,建筑设计人员开始与软件设计人员密切配合,促使专业化的计算机辅助建筑设计(CAD)软件诞生。二十世纪80年代到90年代,计算机性能的提高以及个人电脑的出现使CAD系统发展的格局有了不小的变化,从当初针对大型机转向对PC的开发。二十世纪末二十一世纪初,国际CAD产业进入了一个联合、收购、兼并频繁的时期,迄今制造业的CAD产品已经被兼并成四大谱系:IBM/Dassault、EDS/Unigraphics、PTC和Autodesk。在TX-2计算机上运行的Sketchpad系统Cad2005四个同样的矩形被放置在不同的图层当中图层可以说是并行的绘图空间,在这一点上有些像“四维时空”——分属于不同时间的空间重叠起来,却又互不关联,同样的在不同图层中的对象也不会相互干扰,这样就为管理繁杂的图块提供了便利。一般来说如果没有特别指定的话,对象的颜色、线型等属性都会由其所属的图层指定(ByLayer)PKPM2010界面PKPM是由中国建筑科学研院开发的系列软件,是国内房屋建筑结构用得最多的软件,90%的设计院采用PKPM中的SETWE进行计算和分析。使用3D3S设计的体育馆模型3D3S是由同济大学开发,主要针对钢结构设计的软件。它可以对钢结构、空间张拉结构、膜材结构、幕墙结构、网架网壳结构以及塔桅结构等进行分析计算。现代仿真技术计算机仿真现代仿真技术与计算机发展相结合得益于有限元分析(FiniteElementAnalysis,简称FEA)2土木工程中的计算机仿真仿真类型全物理仿真(模拟仿真)半物理仿真(混合仿真)计算机仿真(数字仿真)模型类型物理模型物理-数学模型数学模型计算机类型模拟计算机混合计算机数字计算机应用举例振动台试验伪动力试验计算机模拟试验很多软件公司都开发了不同的有限元分析软件。其中在国内影响较大的有ANSYS、ABAQUS、DIANA、ADINA、IDARC、ALGOR等。国家大剧院计算模型结构的整体变形ANSYS功能虽然强大,但美中不足的是由于ANSYS对混凝土、地基、接触等高度非线性问题的处理比较困难,相较之下ABAQUS在这方面有着更有为优越的表现。Abaqus接触分析模型灾害作用下的倒塌、破坏仿真在教学中的应用输入构件荷载数据,得到破坏过程滑模施工动画12.3现代结构试验技术模拟地震振动台试验20世纪60年代末振动台•台面、基础、电液伺服作动器、计算机控制系统、数据采集系统振动台试验1结构抗震试验技术美国内华达州立大学雷诺分校建造的台振同济大学嘉定校区多功能振动台试验4个4mX6m的台面,其中两个承重70t,两个30t通过台面的不同组合而进行不同目的的试验振动台台面鸟瞰单个振动台台面台面地下油泵台面下部详细情况拟动力试验1969年,日本学者提出了结构抗震试验的联机实验方法:将计算机对结构的数值仿真与试验的加载驱动结合起来。拟动力试验是一种联机试验,通过计算机控制加载模拟地震过程。20世纪80年代以来,拟动力试验技术在世界范围内得到广泛应用。新发展:子结构技术、数值计算方法、快速拟动力试验方法。风洞:一种模拟大气流动的实验装置。风洞实验装置:风机、气流扩散段、湍流模拟装置、试验区段、计算机控制、数据采集系统。起初用于航空航天,20世纪70年代以来开始用于土木,主要为大气边界层风洞。分类(研究目的):高压天平试验、气动弹性模型试验。同济大学:1989年建成开口直流大气边界层风洞-TJ-1(1.2m×1.8m×18m),1990年起同济大学又陆续建成了大、中、小四座不同尺寸和用途的大气边界层风洞。2结构风洞试验技术具有现代意义的结构抗火试验技术在20世纪60年代逐步发展。抗火试验装置:燃烧器、试验炉、加载系统、计算机控制系统、数据采集系统。火灾试验炉应满足试件最小尺寸、升温条件、压力条件以及便于试件安装与试验观察的要求。3结构抗火试验技术四种试验炉:墙炉:主要用于竖向构件的火灾试验,如承重墙和隔墙等,这种构件是单面受火。板炉:主要用于水平构件的火灾试验,如楼板和屋面板等,这种构件是底面受火。梁炉:主要用于主梁、次梁的火灾试验,这种构件一般是三面或四面受火。柱炉:主要用于柱和墙的火灾试验,这种构件多是所有的面均受火。同济大学:水平构件试验炉加拿大国家研究院NRC墙试验炉加拿大国家研究院NRC柱试验炉华南理工大学:水平构件试验炉华南理工大学:竖向构件试验炉12.4结构振动控制技术动力荷载(地震、风)结构自振频率、阻尼(自身特性)动力响应放大系数(β)影响:安全性、适用性对有害的振动进行抑制1结构振动控制的基本概念2结构振动控制技术发展需求:现代建筑高度、跨度的不断增加条件:理论技术的进步(强震记录、有限元、系统控制)1972年,美籍华裔姚治平提出了土木工程结构振动控制的概念发展基础隔震:1975年新西兰学者发明铅芯橡胶支座结构主动控制:20世纪70-80年代半主动控制:20世纪90年代基础隔震消能减震TMDAMD被动控制半主动控制主动控制振动控制3结构振动控制方式被动控制:不需要外部供给能量,不需要监测,不需要发出控制指令。TunedMassDamperRubberBearings(Base-Isolationsystem)ViscousDamperHystereticSteel,FrictionDamper隔震隔震层上部结构下部结构橡胶板铅芯钢板铅芯橡胶隔震器上部结构底板及基础上圈梁基础下圈梁滑移隔震装置圆锥棒限位阻尼器滑移摩擦隔震器U型软钢板滚珠或滚轴滚珠、滚轴隔震器南加州大学医院(隔震结构)橄榄景医院(抗震结构)改变结构形状、安装导流装置斜拉索表面缠绕螺旋线斜拉索表面压制凹坑桥梁结构安装导流板、风嘴抑流板细部图护栏带有抑流板的护栏(a)梯形单箱风嘴导流板(b)异形箱(c)扁平多室箱风嘴导流板扰流板(d)超扁平多室箱增加耗能装置粘弹性阻尼器粘弹性材料钢板1钢板2粘滞性阻尼器摩擦阻尼器金属屈曲阻尼器调谐质量阻尼器(TMD):由质量块、弹簧与阻尼系统组成。将其振动频率调整至主结构频率附近,改变结构共振特性,以达到减振作用。调谐液体阻尼器(TLD):利用固定水箱中的液体在晃动过程中产生的动侧力来提供减振作用,可兼作供水水箱使用。主动控制:需要外部供给能量,需要监测,需要对减振装置发出控制指令。AMD-1AMD-2SensorSensorSensorControlComputer安装AMD的日本东京京桥成和大楼半主动控制:需要传感测试系统和计算机控制系统,但对能量的要求很低,通过改变结构局部的阻尼或刚度达到减振的目的。主动变刚度装置主动变阻尼装置12.5结构健康监测、安全预警1结构健康监测的基本概念StructuralHealthMonitoring,SHM航空、航天大型机械土木目的:安全性、耐久性、适用性人工检查桥检车固定扫描传感器GPS灾变结构结构健康监测评价安全性损伤积累抗力衰减安全度指标降低预警修复、控制损伤核心:传感器硬件技术和结构损伤识别技术2传感传输技术光纤传感技术GPS技术无线传感传输3结构损伤识别技术思路直接识别局部损伤整体特性间接推断损伤现代结构健康监测系统基于第二种思路方法动力指纹法模型修正法人工神经网格4健康监测系统实例香港青马大桥结构健康监测系统概况汲水门大桥青马大桥汀九桥动态称重加速度计应变计风速仪位移计温度计GPS水平仪全长2200m,全球最长的公路铁路两用悬索桥,安装了各类传感器774个。东海大桥结构健康监测系统概况总长32km,共设有478个传感器、11个采集工作站主航道斜拉桥传感器布设示意颗珠山斜拉桥传感器布设示意深圳市民中心结构监测系统概况屋顶网架为大跨度复杂空间结构,展开面积约6万平米,是世界上最大、形状最复杂的网架结构。共布置了100多个传感器。牛腿、杆件上光纤光栅传感器牛腿、杆件上应变传感器布置监测系统控制柜
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