淺析土木工程的現(xiàn)狀

孫振坤

摘 要：系統(tǒng)分析了土木工程的建設(shè)成就和建筑材料、結(jié)構(gòu)型式、設(shè)計(jì)理論等方面的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀；對(duì)土木工程的未來發(fā)展方向從復(fù)雜結(jié)構(gòu)型式的研究，新材料、新技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用，巖土錨固技術(shù)，基于可靠度的設(shè)計(jì)理論等方面進(jìn)行了探討。提出應(yīng)加強(qiáng)土木工程各學(xué)科間的交流，促進(jìn)土木工程的更大發(fā)展。

關(guān)鍵詞：土木工程；現(xiàn)狀；發(fā)展

經(jīng)過多年的發(fā)展，目前土木工程的實(shí)踐和研究已取得顯著成就，無論是結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論和方法以及結(jié)構(gòu)的施工手段，都有了非常大的突破；特別是近若干年，在高層、大跨結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)方面成績尤其驚人。但展望未來，土木工程領(lǐng)域中仍然有許多課題需要我們進(jìn)一步探討。

自改革開放以來，我國高層建筑的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段，高層建筑不僅在數(shù)量上越來越多，而且在高度上也越來越高。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，我國已建成20層以上高層建筑物10000多棟，超過100m的高樓有500多棟，200m以上的高層建筑50多棟，有20多棟超過300m。目前我國最高的高層建筑為上海浦東金茂大廈，地上88層，高度420.5m，地下3層，其高度在世界已有建筑物中排第3位，為鋼筋混凝土和鋼構(gòu)架混合結(jié)構(gòu)。即將動(dòng)工興建的上海金融中心大廈地面94層、地下3層，高466m，建成后，其高度將超過目前世界最高的吉隆坡佩重納斯大廈而成為世界第一高度。

公路、鐵路飛速發(fā)展，“十五”期間，我國將有公路160萬km，其中高速公路2.5萬km，2010年，全國高速公路將達(dá)3萬km。我國第1條國道主干線京滬高速公路于2000年4月20日客運(yùn)已全線貫通。到2005年，全國鐵路營業(yè)里程約達(dá)7.5萬km，首條跨海的粵海鐵路通道于998年8月30日破土動(dòng)工，全長542.6km；國務(wù)院批準(zhǔn)建設(shè)的青藏鐵路，東起青海格爾木，西至西藏拉薩，全長1118km，其中多年凍土地段約600km，海拔高于4000m的地段960多km，將成為世界上海拔最高和最長的高原鐵路，是西部大開發(fā)的又一項(xiàng)標(biāo)志性工程。

橋梁工程也取得了驚人的成就，伴隨著橋梁類型的不斷翻新，主跨跨度一再突破；而斜拉撟的復(fù)興更是橋梁工程的另一個(gè)輝煌。日本的時(shí)石海峽大橋（1991m懸索橋）、多多羅大橋（890m斜拉橋），丹麥的海帶橋（1624m懸索橋），法國諾曼底橋（856m斜拉橋）被公認(rèn)為是20世紀(jì)橋梁的代表作而載入史冊(cè)。而楊浦大橋、南浦大橋、蕪湖長江大橋、南京長江二橋等大跨橋梁的建成都標(biāo)志著我國的大跨結(jié)構(gòu)達(dá)到了一個(gè)新的水平，已跨入世界先進(jìn)行列。目前，我國已建成千米以上大橋3座（尚有2座正在興建中）、800m以上大橋8座、600m以上大橋15座、400m以上大橋40座，重慶萬縣單孔跨度達(dá)420m的鋼筋混凝土拱橋更引起世界同行的莫大興趣。

近年來，隨著高標(biāo)號(hào)水泥的大量生產(chǎn)，鋼纖維和玻璃纖維混凝土、聚合物浸漬混凝土等快硬、高強(qiáng)、輕質(zhì)、復(fù)合和節(jié)能混凝土的研制，復(fù)合、新型墻體材料的開發(fā)，鋼化玻璃、多功能涂層玻璃、雙層中空玻璃等建筑用平板玻璃等的發(fā)展，都帶來了土木工程的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)等方面的新發(fā)展。而從20世紀(jì)80年代興起的碳纖維的應(yīng)用研究，更是土木工程在這一領(lǐng)域的又一重大突破。國內(nèi)由呂志濤院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組及其他研究機(jī)構(gòu)業(yè)已開展利用碳纖維布對(duì)鋼筋混凝土梁、板、柱進(jìn)行加固的研究，已取得許多成果，標(biāo)志著我國在這一領(lǐng)域已處于較為領(lǐng)先的地位。目前，利用碳纖維材料加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)已在工程中獲得應(yīng)用，其前景非常廣闊。

20世紀(jì)80年代，我國預(yù)應(yīng)力技術(shù)已從單個(gè)構(gòu)件發(fā)展到預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的新階段。預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用已擴(kuò)大到大跨度、大柱網(wǎng)、大開間的多層與高層建筑，連續(xù)橋、斜拉橋等橋梁結(jié)構(gòu)，核電站預(yù)應(yīng)力安全殼、大型預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)倉與儲(chǔ)液池，預(yù)應(yīng)力地錨與預(yù)應(yīng)力管樁等特種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力技術(shù)也是建造大跨度公共建筑、大型會(huì)議展覽中心及大開間住宅的重要技術(shù)，也是高層、超高層建筑和承受特重荷載（如轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)、重型傳力大梁等）的結(jié)構(gòu)中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。預(yù)應(yīng)力技術(shù)在解決大、高、重、新建筑工程的設(shè)計(jì)和建造難題中發(fā)揮著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。此外，預(yù)應(yīng)力技術(shù)還將推動(dòng)建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，如預(yù)應(yīng)力拉桿替代柱的懸掛建筑結(jié)構(gòu)將獲得一定的發(fā)展。在公路工程中，預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)解決路面混凝土開裂和減少伸縮縫，提高使用壽命具有良好的應(yīng)用前景。在橋梁工程中，不論是超大跨的懸索橋（1000m以上，甚至達(dá)2000m）、特大跨的斜拉橋（500～1000m），還是大中跨度的系桿拱橋（<500m）、連續(xù)梁橋、剛構(gòu)橋及小跨度的簡支梁橋、板橋，都可有效地應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)。預(yù)應(yīng)力混凝土更是建造海洋工程的最好材料。預(yù)應(yīng)力混凝土抗裂性高、耐久性好等優(yōu)越性將得到充分的發(fā)揮，預(yù)應(yīng)力技術(shù)在海洋采油平臺(tái)、海洋儲(chǔ)罐，海上運(yùn)輸船以及海上防波堤、跨海大橋等海洋工程中將發(fā)揮更高的效能。此外，預(yù)應(yīng)力技術(shù)也將在水利工程或其他工程如舊建筑的加固改造、加層和拆除中也已獲得更多的應(yīng)用。

目前世界上最大的地下街是日本東京八重洲地下街，共3層，建筑面積70km2最深的地下街是莫斯科切爾坦沃住宅小區(qū)地下商業(yè)街，深度在70～100m；最大的地下娛樂中心是蘇格蘭Varis2su市地下娛樂中心，戰(zhàn)時(shí)可掩蔽1.1萬人。我國也已有約20個(gè)城市進(jìn)行了地鐵系統(tǒng)的規(guī)劃和具體實(shí)施階段，先后提出25項(xiàng)地鐵和輕軌項(xiàng)目，總長度達(dá)到320km正在施工階段。同時(shí)地下空間技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展和提高。目前我國城市地下工程建設(shè)主要施工方法有明挖法、暗挖法、蓋挖法、盾構(gòu)法、沉管法、凍結(jié)法及注漿法等，這些技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，這也為地下空間開發(fā)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

長期以來，人們一直習(xí)慣于以安全系數(shù)作為土木工程的評(píng)價(jià)指標(biāo)。然而，安全系數(shù)只是一個(gè)由確定的信息得到的一個(gè)定值，它未能考慮設(shè)計(jì)變量中任何客觀存在的變異性，某一特定的安全系數(shù)值，對(duì)于不同的工程未必具有同樣的意義。考慮實(shí)際工程中的不確定因素，對(duì)工程進(jìn)行隨機(jī)力學(xué)分析和可靠度評(píng)估具有十分重要的意義。近來，隨著土木工程理論的不斷發(fā)展和人們認(rèn)識(shí)的不斷深入，工程隨機(jī)力學(xué)和工程可靠度理論及其應(yīng)用研究已處于一個(gè)熱門的研究狀態(tài)。結(jié)構(gòu)可靠度的計(jì)算已由元件可靠度發(fā)展到體系可靠度；計(jì)算方法上有Monte-Carlo法、近似計(jì)算方法、界限估計(jì)法發(fā)展到Hohenbichler的降維法、Ditlevsen的Taylor展開法、Comell的窄界限法；在實(shí)際應(yīng)用方面，在洪華生（AlfredoH.S.Ang）等國際著名專家的推動(dòng)下，美國和日本等國家已基于全概率思想，考慮投資風(fēng)險(xiǎn)和效益，進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠度動(dòng)力設(shè)計(jì)方法的研究，其成果已用于若干高樓的設(shè)計(jì)。