淺談鋼混結(jié)構(gòu)在建筑工程中對(duì)土建技術(shù)的探析

賈大威

（中國(guó)五礦集團(tuán)公司地產(chǎn)建設(shè)業(yè)務(wù)中心五礦置業(yè)有限公司，北京 100083）

近幾年來，隨著經(jīng)城市化步伐也飛速發(fā)展，為建筑行業(yè)的發(fā)展提供了巨大的商業(yè)契機(jī)，所以，土建技術(shù)作為建筑工程施工過程中的最基礎(chǔ)施工項(xiàng)目，直接的關(guān)系到建筑工程的質(zhì)量問題，為了保證建筑工程的質(zhì)量，也為了給建筑工程打下良好的技術(shù)基礎(chǔ)，必須要重視土建技術(shù)在建筑工程中應(yīng)用。

1 現(xiàn)代化土木結(jié)構(gòu)概念釋義

現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)，其實(shí)就是對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的升華與完善。因?yàn)殡S著社會(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，使人們已經(jīng)進(jìn)入了信息化時(shí)代，對(duì)于以前不能解決的關(guān)于技術(shù)上的問題，現(xiàn)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(jìn)的技術(shù)融合在土木結(jié)構(gòu)建設(shè)中，經(jīng)過自我學(xué)習(xí)、自我診斷、自我適應(yīng)以及自我修復(fù)等過程，形成了新的結(jié)構(gòu)，即現(xiàn)代化土木結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單的說，現(xiàn)代化土木結(jié)構(gòu)就是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)在土木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

2 導(dǎo)致土木結(jié)構(gòu)失效的原因

在總結(jié)建筑災(zāi)害案例中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)建筑處于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的壽命期間，也有可能發(fā)生結(jié)構(gòu)失效的情況，原因在于以下幾方面內(nèi)容：由于建筑結(jié)構(gòu)在正常損害承受范圍內(nèi)傷害的累積、結(jié)構(gòu)承載性能的減弱；由于建材原料老化、銹蝕和結(jié)構(gòu)的形變；施工的質(zhì)量存在問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在隱患等。

3 現(xiàn)代化建筑工程相關(guān)技術(shù)常見問題研究

如果想要研究現(xiàn)代化建筑工程的相關(guān)技術(shù)的常見問題，那么，一定就是質(zhì)量問題了，無論是現(xiàn)代化的建筑工程還是傳統(tǒng)的建筑工程，質(zhì)量問題始終都是貫穿整個(gè)建筑工程的主線問題。而引起現(xiàn)代化建筑工程質(zhì)量問題的原因不僅比較多，而且還比較復(fù)雜。例如，在建筑工程的時(shí)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(shí)際情況是不是吻合，都強(qiáng)制的按照建筑圖紙進(jìn)行施工；在施工的時(shí)候，用低質(zhì)量的建筑材料代替高質(zhì)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(dǎo)致建設(shè)出了許多“豆腐渣”工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不科學(xué)，主要是在設(shè)計(jì)建筑圖紙的時(shí)候，就完全沒有考慮到在現(xiàn)實(shí)生活中是否可以實(shí)施，導(dǎo)致建筑的負(fù)荷量小、穩(wěn)定性差、耐用時(shí)間短。

4 淺析現(xiàn)代化土木結(jié)構(gòu)技術(shù)

4.1 結(jié)構(gòu)智能化

結(jié)構(gòu)智能化，與傳統(tǒng)的土木結(jié)構(gòu)相比，剛好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)土木結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的土木結(jié)構(gòu)在建設(shè)完成后，是屬于比較被動(dòng)的一種結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗谑褂蒙虾推涔δ苌隙即嬖谥淮_定性，所以，對(duì)土木結(jié)構(gòu)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(zhì)量與效率。而結(jié)構(gòu)智能化是經(jīng)過自我學(xué)習(xí)、自我診斷、自我適應(yīng)以及自我修復(fù)等過程逐步形成的，通過與先進(jìn)技術(shù)的完美配合，不僅實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)智能化，同時(shí)還提升了現(xiàn)代化土木結(jié)構(gòu)的技術(shù)。

4.2 結(jié)構(gòu)智能化歷程

以往的土木結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)被動(dòng)的構(gòu)造，如果設(shè)計(jì)、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(yù)測(cè)性，這就為結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與維護(hù)帶來了困難。為了處理上述情況，探究與研發(fā)了在線的監(jiān)控模式，其基于以往的土木結(jié)構(gòu)層面上實(shí)施再現(xiàn)監(jiān)控，進(jìn)而讓人們輕松的掌握結(jié)構(gòu)的力學(xué)場(chǎng)及物理變化。這同樣也是結(jié)構(gòu)智能化的第一層面?；谠诰€監(jiān)控的層面上，增添了數(shù)據(jù)監(jiān)控的智能處理系統(tǒng)，從而讓結(jié)構(gòu)可以自行判斷、自行推理，這就進(jìn)入了結(jié)構(gòu)智能的第二層面。在結(jié)構(gòu)中添加自動(dòng)控制機(jī)制，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果及推斷方向，結(jié)構(gòu)的耦合作用做出反應(yīng)，進(jìn)而智能化的操控結(jié)構(gòu)，這就是結(jié)構(gòu)智能化的第三層面。例如：結(jié)構(gòu)的老化、開裂、形變行為等，抑制結(jié)構(gòu)動(dòng)力震動(dòng)，從而降低了建筑維修與養(yǎng)護(hù)的資金投入。對(duì)結(jié)構(gòu)智能化的演變進(jìn)行類別劃分，可以包含以下內(nèi)容：自行感知土木建筑的結(jié)構(gòu)，這也是智能結(jié)構(gòu)的地基形態(tài)；自動(dòng)判斷智能土木的結(jié)構(gòu)，具備對(duì)上一層結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能化加工的能力，包含結(jié)構(gòu)物理場(chǎng)的自行計(jì)算、判斷結(jié)構(gòu)參數(shù)、制定結(jié)構(gòu)本身的處理方案、自行推理等；智能操控土木的結(jié)構(gòu)，其也是智能土木結(jié)構(gòu)的高級(jí)形態(tài)。圖1為土木智能化演變?nèi)?xiàng)內(nèi)容的關(guān)系。

圖1 智能化演變?nèi)?xiàng)內(nèi)容的關(guān)系

4.3 對(duì)現(xiàn)代化的土木結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類

現(xiàn)代化的土木結(jié)構(gòu)主要分為兩類，一類是嵌入式現(xiàn)代化的土木結(jié)構(gòu)，一類是智能材料以及基體的耦合結(jié)構(gòu)。

4.3.1 嵌入式現(xiàn)代化的土木結(jié)構(gòu)

嵌入式現(xiàn)代化的土木結(jié)構(gòu)，就是在傳統(tǒng)的土木結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的一種新的結(jié)構(gòu)。例如，在鋼筋混凝土以及一些鋼結(jié)構(gòu)制造中，嵌入一些相關(guān)材料或者是具有控制、處理、傳感等功能的相關(guān)儀器，集成了與現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)于一體的技術(shù)，通過嵌入式現(xiàn)代化的土木結(jié)構(gòu)的傳感功能對(duì)信息進(jìn)行檢驗(yàn)和采取，然后傳送到計(jì)算機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算處理，處理完之后，把計(jì)算結(jié)果再傳輸?shù)骄哂锌刂谱饔玫目刂破?，由控制器來發(fā)出下一步的動(dòng)作指令。其工作原理如圖2所示。

圖2 嵌入式現(xiàn)代化的土木結(jié)構(gòu)原理圖

4.3.2 智能材料以及基體的耦合結(jié)構(gòu)

有的材料其本身就具有一些現(xiàn)代化的智能功能，對(duì)于有時(shí)候出現(xiàn)的一些突發(fā)狀況，可以隨著其自身的物理狀態(tài)或是力學(xué)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(dǎo)電性發(fā)生變化，只要對(duì)其變化進(jìn)行檢測(cè)，就能夠間接、輕松的獲取結(jié)構(gòu)的內(nèi)部力學(xué)資料。而根據(jù)結(jié)構(gòu)智能化的不同目的，還可以把基體的耦合結(jié)構(gòu)分為以下幾種類型，分別是：進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的自我診斷的智能混凝土結(jié)構(gòu)；有感知的智能減震結(jié)構(gòu)；具有自我調(diào)節(jié)的智能減震結(jié)構(gòu)；進(jìn)行裂縫自我診斷以及自我愈合的智能混凝土結(jié)構(gòu)；具備預(yù)報(bào)疲勞使用壽命功能的土木結(jié)構(gòu)等。

4.4 現(xiàn)代化的土木結(jié)構(gòu)主要研究?jī)?nèi)容分析

現(xiàn)代化的土木結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容有3個(gè)方面：智能化的設(shè)計(jì)；通過傳感元件從而實(shí)現(xiàn)智能化的控制；作動(dòng)材料的分析。

4.4.1 智能化的設(shè)計(jì)

對(duì)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)智能化概念的設(shè)計(jì)研究是現(xiàn)代化土木結(jié)構(gòu)的首要研究?jī)?nèi)容。首先，要根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、目前的技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)方面的流動(dòng)資金情況等各方面的條件；然后確定一個(gè)具有實(shí)用性、技術(shù)先進(jìn)性以及經(jīng)濟(jì)合理性的智能化目標(biāo)；在把智能化目標(biāo)確定了以后，根據(jù)在使用結(jié)構(gòu)的過程中有可能遇到的一些問題進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)，還要對(duì)結(jié)構(gòu)在力學(xué)環(huán)境以及物理環(huán)境下可能出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行預(yù)測(cè)；最后，根據(jù)整體預(yù)測(cè)的情況，來確定結(jié)構(gòu)的監(jiān)控計(jì)劃。

4.4.2 通過傳感元件從而實(shí)現(xiàn)智能化的控制

傳感元件實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)智能化控制的一個(gè)比較重要的內(nèi)容，是現(xiàn)代化土木結(jié)構(gòu)中最基本的一項(xiàng)功能，傳感原件主要存放在傳統(tǒng)的建筑材料中，用來采集相關(guān)信息，進(jìn)而分析里面所包含的信息，可以很好的實(shí)現(xiàn)自我診斷、自我控制以及自我驅(qū)動(dòng)的智能化功能，所以，對(duì)于傳感元件的要求也就比較嚴(yán)格。首先是尺寸方面，一定要準(zhǔn)確、細(xì)微，否則會(huì)影響到外形；然后是傳感元件的性能方面，不僅要求穩(wěn)定性要好，覆蓋面和信號(hào)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(jié)構(gòu)的耦合情況要良好，這樣，對(duì)結(jié)構(gòu)原材料的影響才會(huì)小；最后，也是最重要的一點(diǎn)，就是傳感元件的外界抗干擾性一定要強(qiáng)，只有這樣才能在結(jié)構(gòu)的正常使用濕度以及溫度的范圍下正常工作。像光導(dǎo)纖維、壓電陶瓷、碳纖維、電阻應(yīng)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(diǎn)。

4.4.3 作動(dòng)材料的分析

現(xiàn)代化的土木工程想要實(shí)現(xiàn)的最終目標(biāo)是結(jié)構(gòu)的智能化控制的實(shí)現(xiàn)，然而，要想實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的智能化控制，所要依靠的是作動(dòng)材料。一些常在物理上出現(xiàn)的光、電以及熱等非機(jī)械量及其機(jī)械量材料，這些都屬于常出現(xiàn)的耦合現(xiàn)象的材料，將他們作為作動(dòng)材料。通過對(duì)一些光、電以及熱等非機(jī)械量的控制變化來獲取應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、形狀、頻率、位置等一般結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)作動(dòng)材料的目的。但是，對(duì)作動(dòng)材料還是有一定的要求的，與基本結(jié)構(gòu)必須有良好的耦合性和較高的結(jié)合度；靜強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度要強(qiáng)；信號(hào)頻率的響應(yīng)范圍要廣泛、響應(yīng)速度要快，并且是可以很好控制的；穩(wěn)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(diǎn)，可以應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中去。

4.5 現(xiàn)代化土木結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用

綜上所述，智能土木結(jié)構(gòu)的定義是為了進(jìn)一步處理評(píng)估完整性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久性、安全性等問題而提出的。如果土建結(jié)構(gòu)的性能可以及時(shí)、準(zhǔn)確進(jìn)行預(yù)測(cè)，不但可以極大程度的降低維修資金的投入，同時(shí)還可以增強(qiáng)建筑物的質(zhì)量。最近幾年，研究的各項(xiàng)無損檢測(cè)方法都無法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)施及時(shí)檢測(cè)，而這種智能的土木結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)從內(nèi)向外的預(yù)報(bào)，具有良好的使用前景。就當(dāng)前情況來看，其主要應(yīng)用在橋梁、高層建筑及大壩等領(lǐng)域中。

在美國(guó)，20世紀(jì)80年代末，逐漸開始在很多橋梁中安裝檢測(cè)傳感設(shè)備，從而對(duì)設(shè)計(jì)中的部分假定進(jìn)行驗(yàn)證，監(jiān)控施工的質(zhì)量及安全服役情況，例如：坐落于美國(guó)福羅里達(dá)州坦帕灣上的陽(yáng)光高架橋，是世界上最長(zhǎng)的混凝土斜拉橋，全程長(zhǎng)29040km，并且也是美國(guó)19號(hào)高速路及275號(hào)洲際公路的構(gòu)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(gè)傳感設(shè)備。美國(guó)于20世紀(jì)80年代末就開始在橋梁中放置監(jiān)控設(shè)備及儀器。在我國(guó)，Hong Kong的青馬大橋、Lantan Fixed Crossing Bridge、內(nèi)陸的江陰橋、虎門橋等也在施工過程中放置了傳感設(shè)備，對(duì)大橋工作期間的安全情況進(jìn)行監(jiān)控。在1993年，Canada在艾爾伯特省的卡爾加里修建Bedding Trail大橋時(shí)，第一次裝置了布拉格光纖光柵傳感設(shè)備，從而對(duì)大橋的內(nèi)部變化狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)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(tái)等，都曾經(jīng)嘗試架設(shè)傳感設(shè)備來創(chuàng)建智能結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，最近幾年新發(fā)展的智能傳感設(shè)備原件也被廣泛應(yīng)用到民用的項(xiàng)目建設(shè)中。如今，智能化的大廈像雨后的春筍般不斷涌現(xiàn)。智能化應(yīng)用于民用建筑的結(jié)構(gòu)方面，此研究已經(jīng)存在約30a的歷史了。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的建筑業(yè)得到了人們的普遍認(rèn)同，主要就是因?yàn)橹悄芑目刂茖?shí)現(xiàn)的非常好，以建筑為發(fā)展平臺(tái)，集通信、辦公自動(dòng)化與服務(wù)、管理于一身，創(chuàng)造了一個(gè)安全、舒適及便利的建筑環(huán)境，所以，通過對(duì)建筑工程中的土建技術(shù)進(jìn)行探析，可以清楚地了解到要想使現(xiàn)代化土木工程得到進(jìn)一步的發(fā)展，必須要實(shí)現(xiàn)智能化的控制。

[1] 黃志鋒，陳建忠.超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的施工技術(shù)探討[J].科技信息：科學(xué)教研，2008(02).

[2] 費(fèi)躍忠.上海光源主體建筑土建工程關(guān)鍵施工技術(shù)[J].建筑施工，2008（03）.