第一篇：土木工程前沿

对未来大跨桥梁的发展趋势的研究

摘要：近30多年来桥梁的发展概况，可以看出结构在向轻巧、纤细方面发展，而载重和跨度却不断在增长。为了适应这种桥梁发展需要，就要对建筑材料、结构构造、设计计算理论、施工方法等方面提出新的要求。同时，在桥梁美学方面也应予以足够的重视。

关键词：桥梁发展；新型材料；桥梁CAD；施工技术；桥梁美学

一、引言

现在桥梁建筑已不单纯地被视为交通线上重要的工程实体，同时也是一个国家科学技术、综合国力的综合体现。由于科学技术的进步,工业水平的提高,人类社会文明的发展,桥梁工程日新月异。随着时代前进的步伐,人们对桥梁工程提出了更高的要求,对“适用、安全、经济、美观”的桥梁设计原则赋以更新的内容。桥梁工程无论是现在还是以后都不会停步的，它的发展前景会更广阔。

大跨桥梁的的发展是社会发展的必然产物，自从桥梁出现以来, 其跨径一直在不断的加大。从几米的小桥发展到现今主跨一千多米的特大桥,体现出了人类改造自然的能力在不断变化。自18世纪80年代以来的200多年间，随着大工业的兴起和交通运输的需要而发展起来的世界桥梁，桥跨由英国熟铁链杆桥曼内海峡桥主跨177米的最初桥跨的世界之最，到1931年美国建成乔治华盛顿桥，主跨首先突破1000米大关，达到1067米，百米到千米桥跨的发展历经了一个半世纪。20世纪的后70年里，美国的主跨1280米的金门大桥、主跨1289米的维拉扎纳大桥，两次刷新了当时的世界桥跨记录，到20世纪八九十年代英国的恒比尔河大桥、日本的明石海峡大桥先后再次刷新世界桥跨记录，桥跨才开始接近2000米大关。

在21 世纪, 由于跨海工程的出现, 桥梁还要向更大跨径的方向发展。21世纪世界桥梁跨度有多长？随着意大利主跨3300米的墨西拿海峡大桥设计的完成，人类社会的建桥技术、新型材料运用使桥梁跨度已步入登峰造极阶段。据有关桥梁专家预测，筹建中的西班牙与摩洛哥之间的直布罗陀海峡大桥、美俄之间的白令海峡大桥的桥梁跨度将突破墨西拿海峡大桥主跨的长度，成为21世纪新的世界桥梁跨度之最。这些主跨接近4000米达到登峰造极水平的特大型桥梁建成之后，除大洋洲孤悬于大洋之中外，亚非欧美四大洲将联为一体。大跨的跨海桥梁将会成为21世纪桥梁建设的主题。我国桥梁向跨海桥梁工程发展的路在何方？要如何切实可行地实现大跨桥梁？以下我就国内大跨桥梁发展趋势发表一些个人的看法。

二、材料的应用和发展

在桥梁中随着跨度的增大。混凝土材料，钢材的强度渐渐不够使用，例如混凝土预应力梁桥当跨度超过300m后应力几乎用足，只有提高标号或改变材料才能把跨度继续做大。又如在斜拉桥中如果用碳纤维取代钢索则跨度更大，最有利于同悬索桥的竞争。要推动桥梁跨度的发展、材料的发展是一根本问题。

新材料对桥梁工程的发展具有关键性作用。没有材料科学的发展，就不会有长大跨及新桥型的诞生。当桥梁向大跨度方向发展的同时，未来桥梁新材料应具有高强、高弹模、轻质的特点，对建桥材料也提出了高强、轻质和多功能的要求，桥梁的规模有一个理论上的限度。新型材料不断出现，不过它们的实际应用仅仅受制于对其使用寿命的顾虑。在以保守的方式使用新型材料的初期验证阶段、目前桥梁常用的钢和混凝土，从而实现高强轻质的目标。材料科学的进步为桥梁实现轻巧、简洁、形式的多样化提供了更多的可能性，进一步探索新型的、高强、超高强工程材料建立其可靠的力学本构关系，以充分发挥材料潜在的承载力，并在结构理论研究上发展更符合实际状态的力学分析方法与新的设计理论，不同类型轻质材料组合拼装的各类新型斜拉桥、悬索桥、轻质拱桥，并向可靠度理论方向进行探索，将一跨而过的大川海湾。

新型钢材料的应用将推动桥梁工程的发展。钢材料在桥梁建设中尤为重要，随着钢材料的发展，我国还将进一步的开展低含碳量以及其他合金元素、经过微合金化和晶粒细化处理的超高强度钢材的研究以及生产。此种高强度的钢材具有优异的焊接功能。在我围已建的采用了焊接性能良好的14MnNbq及15MnVNq钢以及栓焊整体节点所组成的大型桥梁，还需进一步的发展，向更高强度钢及全焊钢梁结构发展。抗腐蚀性好、结构表面不需要油漆的耐候钢也逐步得到应用。

先进复合材料也会得到较大的推广使用。先进复合材料(Advanced Composites)又称纤维增强塑料(Fibre Reinforced Plastics，简称FRP)，是以非金属纤维(如玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维)作增强材料，以树脂(如不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基酯树脂)作基体材料的复合材料。树脂将纤维束结成整体，既能保护纤维免受机械破坏和化学腐蚀，又能使纤维整体受力。先进复合材料具有以下特点：

1、强度高。用S玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维做成的复合材料筋束，其抗拉强度高于高强钢丝，用E玻璃纤维做成的复合材料筋束，其抗拉强度与高强钢丝接近。

2、耐腐蚀。玻璃纤维复合材料水管的寿命为钢水管和混凝土水管的两倍。

3、应变关系直至破断均呈线性。

4、弹性模量。碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材，但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一。

5、疲劳特性。碳纤维和芳纶纤维复合材料的疲劳强度高于高强纲丝，E玻璃纤维复合材料的疲劳强度则介于普遍钢丝和高强钢丝之间。金属材料在交变应力作用下，疲劳极限仅为静荷强度的30%～40%。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度的70%～80%，并在破坏前有变形显著的征兆。

6、容重轻。约为钢的五分之一至四分之一。

据有关桥梁专家介绍，21世纪的桥梁主材将采用高强度、高韧性钢材和抑振合金材料。日本明石海峡大桥的加劲梁采用780兆帕焊接时低预热型新型高强度钢板，使其桥梁主跨设计刷新了20世纪的最大跨记录，达到1991米。21世纪钢桁连续梁将大量采用高强度低预热型焊接用钢板，大线能量焊接用钢板、高韧性钢板、抗层状撕裂型钢板、异形钢板、耐候钢及镀锌钢板、抑振厚板、玻璃钢、抑振合金材料，不仅可有效地增大钢桁梁桥的桥跨，而且能有效地降低梁体自重，实现大跨、轻质目标。高强度混凝土是桥梁建设必不可少的主材料之一，21世纪的混凝土材料将加入来亚纳米、水溶性聚合物、有机纤维以不断提高强度与耐久性。桥梁建设将广泛运用环保型混凝土，桥梁的韧性、耐久性及强度将得以有效地提高。

三、学科发展

随着计算机微处理器技术的迅猛发展，桥梁CAD技术将面临新的发展机遇。集结构分析、工程制图、工程数据库及专家系统的桥梁CAD软件将会问世，并将迈入桥梁设计的网络时代。借助计算机和非线性数值方法的不断进步，使力学模型日益精细化，仿真度提高，可以在设计阶段逼真地描述大桥在地震、强风、海浪等恶劣自然条件下施工和运营的全过程，为决策提供动态的虚拟现实图像。大型桥梁基础的施工技术可分为大型群桩基础施工技术、大型冻结基础施工技术以及大型沉井基础施工技术等。以江阴长江大桥为代表的沉井基础施工、润扬大桥为代表的大型排桩冻结法施工、苏通桥基础为代表的大型群桩基础施工，都是我国在大型桥梁基础施工方面取得的创新成果。海上桥梁基础工程发展的重点在于海洋钻井平台技术的引进。目前世界桥梁基础尚未超过 100m 深海基础工程，下一步需进行 100——300m 深海基础的实践。大型桥梁基础施工技术不断创新。

四、桥梁美学研究

桥梁通常是社会大型公用设施，与其他土木建筑相比，它具有土木工程建筑的一般属性，桥梁建筑还具有自身的特点，有使用和观赏两重功能。其主要功能是给人们提供跨越障碍的通道，具有体型庞大、位置固定、建造具有不可逆性且耗资巨大等特点。由桥梁的特殊功能决定了桥梁必须是一个开放的体系、结构散布在社会各处，任何人在任何时间都可以使用它。与人类的活动密切相关，具有开放性，使用寿命也比较长。因此，公共性、公平性、安全、适用、经济必然是桥梁设计的原则。桥梁规模越大，激发了公众参与的热情，经济因素在桥梁建设中所占的比重就越大，人们对其建造都非常关注，这一点在现代桥梁设计实践中已得到足够的重视，这就是推动桥梁美学研究的直接动力。创新便是桥梁建筑艺术的灵魂，通过总结前人的创新经验，终究会走向桥梁的艺术范畴。桥梁建筑属于结构，创新必须以实践为基础，其存在的基础是其适用性，也需要用理论来指导。闻名遐尔的美国旧金山金门大桥、澳大利亚悉尼港桥、英国伦敦桥、日本明石海峡大桥、中国上海杨浦大桥、南京长江二桥、香港青马大桥等这些著名大桥都是一件件宝贵的空间艺术品，成为陆地、江河、海洋和天空的景观，成为城市标志性建筑。宏伟壮观的澳大利亚悉尼港桥与现代化别具一格的悉尼歌剧院融为一体，成为今日悉尼的象征。因此，21世纪的桥梁结构必将更加重视建筑艺术造型，重视桥梁美学和景观设计，达到人文景观同环境景观的完美结合。

五、结语

桥梁跨度不是科技进步的唯一标志，但它是科技进步的重要标志。桥梁的跨径代表着一个国家的经济、工业和科学技术的整体水平。跨度的大小并非人的主观愿望，它是由经济、材料、桥型等多种因素确定的，跨度的推进必然会给工程带来更多的风险，而工程是只能成功不能失败的，只允许存在缺点而不能有错误，因为桥梁工程、特别是大跨的桥梁工程的失败或错误是谁也承担不起的。大跨桥梁的发展是社会经济发展的必然，随着一系列跨海工程的出现，迫使我们必须挑战更大的桥梁跨度。由于国外许多国家的桥梁事业相对于中国都起步较早，很多桥梁技术都比中国先进，所以我们在发展大跨桥梁时应该多借鉴国外桥梁方面的成功经验，推动大跨度桥梁在中国更快的发展。可以预见,21 世纪大跨度桥梁工程建设必将取得新的突破,取得更大、更新的发展。

第二篇：《土木工程前沿学科》读书报告

硕士研究生课程

«土木工程前瞻性学术讲座»读书报告

院(系): 土木工程与建筑学院 专业： 建筑与土木工程 任课教师: 研究生姓名:

学号: 成绩： 日期： 2014年 月 日

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摘要

本学期选修了《土木工程前沿》这门课程，通过一学期的学习，对这门课程所讲的内容有了一定的了解，余教授主要通过六个专题，给我们介绍了当今世界土木工程前沿技术的发展概况，让我们对土木工程这个行业有了更深刻的了解，也让我们开阔了眼界、发展了思维。本文分四个部分，第一部分为土木工程发展历史简介；第二部分为六个专题的简介及本人对六个专题的感想和认识；第三个部分为本人对大跨度桥梁发展趋势的一些看法；第四部分为结语。

第一部分

土木工程发展历史简介

土木工程的发展，已经有悠远的历史了，总的来说分为三个阶段。

人们在早期只能依靠泥土、木料及其它天然材料从事营造活动，后来出现了砖和瓦这种人工建筑材料，使人类第一次冲破了天然建筑材料的束缚。中国在公元前十一世纪 的西周初期制造出瓦。最早的砖出现在公元前五世纪至公元前三世纪战国时的墓室中。砖和瓦具有比土更优越的力学性能，可以就地取材，而又易于加工制作。

砖和瓦的出现使人们开始广泛地、大量地修建房屋和城防工程等。由此土木工程技术得到了飞速的发展。直至18～19世纪，在长达两千多年时间里，砖和瓦一直是土木工程的重要建筑材料，为人类文明作出了伟大的贡献，甚至在目前还被广泛采用。

钢材的大量应用是土木工程的第二次飞跃。十七世纪70年代开始使用生铁、十九世纪初开始使用熟铁建造桥梁和房屋，这是钢结构出现的前奏。

从十九世纪中叶开始，冶金业冶炼并轧制出抗拉和抗压强度都很高、延性好、质量均匀的建筑钢材，随后又生产出高强度钢丝、钢索。于是适应发展需要的钢结构得到蓬勃发展。除应用原有的梁、拱结构外，新兴的桁架、框架、网架结构、悬索结构逐渐推广，出现了结构形式百花争艳的局面。

建筑物跨径从砖结构、石结构、木结构的几米、几十米发展到钢结构的百米、几百米，直到现代的千米以上。于是在大江、海峡上架起大桥，在地面上建造起摩天大楼和高耸铁塔，甚至在地面下铺设铁路，创造出前所未有的奇迹。

为适应钢结构工程发展的需要，在牛顿力学的基础上，材料力学、结构力学、工程结构设计理论等就应运而生。施工机械、施工技术和施工组织设计的理论也随之发展，土木工程从经验上升成为科学，在工程实践和基础理论方面都面貌一新，从而促成了土木工程更迅速的发展。

十九世纪20年代，波特兰水泥制成后，混凝土问世了。混凝土骨料可以就地取材，混凝土构件易于成型，但混凝土的抗拉强度很小，用途受到限制。十九世纪中叶以后，钢铁产量激增，随之出现了钢筋混凝土这种新型的复合建筑材料，其中钢筋承担拉力，混凝土承担压力，发挥了各自的优点。二十世纪初以来，钢筋混凝土广泛应用于土木工程的各个领域。

从三十年代开始，出现了预应力混凝土。预应力混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力，大大高于钢筋混凝土结构，因而用途更为广阔。土木工程进入了钢筋混凝土和预应力混凝土占统治地位的历史时期。混凝土的出现给建筑物带来了新的经济、美观的工程结构形式，使土木工程产生了新的施工技术和工程结构设计理论。这是土木工程的又一次飞跃发展。

了解了土木工程的发展历史，我们就能更加清晰的认识土木工程的重要性以及土木工程的美好的发展前景。

第二部分 土木工程前沿技术简介

余教授就六个专题

（一）当代世界与中国的高层建筑、（二）现代大跨桥梁的设计与施工、（三）高铁工程的进展与关键技术、（四）近代隧道工程的现况与未来、（五）水利、水电工程的世界之最、（六）绿色材料与环境工程的发展，分别为我们介绍了当代土木工程前沿技术的发展概况，使我们对土木工程这个专业又有了一个新的认识。下面就这六个专题分别简单阐述下我自己的认识。

（一）当代世界与中国的高层建筑

超过一定层数或高度的建筑称为高层建筑。高层建筑的起点高度或层数，各国规定不一，且多无绝对、严格的标准。中国的《高层建筑混凝土结构技术规程》（高规）JGJ3-2002规定10层及10层以上或高度超过28m的建筑，称为高层建筑。现如今，各个发展及发展中国家，为了展现自己国家的实力，越来越偏爱于建造各种难度大，高度高的超高层建筑。如迪拜的迪拜塔、俄国的俄罗斯大厦、中国的上海中心大厦、美国的世贸中心自由塔等等。

当高层建筑的层数和高度增加到一定程度时，它的功能适用性、技术合理性和经济可行性都将发生质的变化。与多层建筑相比，在设计上、技术上都有许多新的问题需要加以考虑和解决，如在建筑方面、结构方面、设备和电器方面等。

高层建筑也存在着许多综合问题，主要有：①关于城市经济效益和环境效益问题，应遵照城市规划部门指定的地段和控制高度建造，而不能完全根据建筑本身的需要。②高层建筑由于应力增加，设备和装修水平必须提高，施工难度增大，因而造价必然大大高于多层建筑。因此，需要各专业设计人员密切合作使平面布局合理，提高使用系数，做到构造简洁，自重轻，便于安装，综合降低造价。③ 3

高层建筑最突出的是防火安全设计，各专业设计人员应严格遵守高层建筑设计防火规范的规定。

虽然高层建筑还存在着许多综合问题，但是高层建筑能够节约城市土地，缩短公用设施和市政管网的开发周期，从而减少市政投资，加快城市建设，这些优点已经逐渐得到公认。各国的大城市建设部门，都在不断地对已经出现的各种问题进行全面研究，采取改进措施。高层建筑是当代社会的大势所趋，所以，学好相关知识，才能为以后祖国的建设添一份自己的力量。

（二）现代大跨桥梁的设计与施工

顾名思义，跨度较大的桥梁即为大跨度桥梁；目前《桥规》规定：单跨跨径大于40m即为大桥，一般认为单跨跨径大于100m的桥梁即为大跨度桥梁；大跨径桥梁不仅是技术范畴的概念，也是历史发展的概念（随着技术进步，大跨径桥梁的门槛不断变化，如70年代，跨径大于50m即为大跨径桥）；大桥主要指规模大（长桥）、跨度大两种情况，因此，大桥不一定是大跨径桥。

综观大跨径桥梁的发展趋势，可以看到世界桥梁建设必将迎来更大规模的建设高潮。且大跨度桥梁正在向更长、更大、更柔的方向发展，并将新开发的材料应用在桥梁的建设上面，在第三部分，会有详细介绍。

（三）高铁工程的进展与关键技术

高速铁路一般是运行速度达200公里/小时以上的铁路，是由适合于高速运行的基础设施、固定设备、移动设备，完善且科学的安全保障系统和运输组织方法有机结合起来的庞大的系统工程，是当代高新技术的综合集成。如高铁技术可行、经济合理、社会效益良好、国力能够承受，就能够建设高铁。中国高速铁路网分骨干网、重要的区域网、大城市之间的城际高铁等三种类型。中国高建铁路的发展给经济带来了巨大的变化。

高铁作为一种低能耗高效益的运输方式，被很多国家接受，我国高铁建设出现高铁热现象是非常正常的现象。高铁建设对我国经济政治等方面产生的影响将是不可估量的。虽然高铁建设还存在一定的问题，但只要我们能正视这些问题，相信高铁建设能给我们带来很大的效益，坚持政府制定的大方向，高铁必将显示出它的巨大优势。

（四）近代隧道工程的现况与未来

当前，我国正在大规模推进高质量的铁路建设，跨省的远距离的铁路施工正在全国范围内铺开。由于我国是一个地域辽阔，地形复杂的国家，其中山地、丘陵和高原面积约占国土总面积的60%多，铁路建设中遇到山岭和丘陵地区，采用隧道建设方案是最直接，也是最高效的穿行方案，可以有效地发挥缩短行车里程，提高线型标准、保障运营安全，保护生态环境等特点。

由于隧道建设是一项艰苦、危险性较高的工程，如何高效率得在保证施工安全前提下，提高隧道掘进的质量和速度，监控系统正在其中发挥越来越重要的作用。虽然视频监控是比较成熟的应用，但由于隧道是特殊路段，普遍存在挖进深度大、空间环境狭窄、光线变化大、视野不清的特点，所以比一般环境存在更大的潜在事故危险，尤其在大西铁路局这样隧道地形环境复杂的项目上，当发生火灾等紧急事件时，交通输导和救援工作与普通路段大不一样，而且二次事故产生的后果远比原发性事故严重得多，因此保障隧道内的安全建设和运营是管理部门最关注的问题，先进的无线监控系统将发挥重要的作用。

公路是国民经济的重要命脉，由于其特有的灵活和优越性，发挥着其他运输方式不可替代的作用。公路隧道是公路工程结构的重要组成部分之一，随着我国社会主义市场经济的发展，西部大开发战略的实施，高等级公路已从沿海地区向西南、西北山岭区延伸，公路隧道建筑规模也越来越大，原来的两车道隧道已远远不能满足日渐增长的行车要求，隧道规模越大技术也相应复杂，因此，与过去一般公路隧道在设计、施工和运营管理方面均有质的差别，这带给我们公路隧道建设者的是机遇也是挑战，是学习与提高的机会，同时它也挑战我们的观念、我们的技术和管理水平。面临这些挑战，我们要总结自己的经验，同时学习借鉴国外经验，在勘察设计、施工控制以及运营管理方面的能力更上一层楼。

（五）水利、水电工程的世界之最

毋庸置疑，三峡工程是世界最大的水电站，是防洪效益最大的水利枢纽。同时，三峡工程也是航运效益最显著的枢纽，是综合工程规模最大的工程。三峡工程的金属结构（无论是金属制作的总工程量，还是安装的工程总量）是世界之最 它的混凝土浇筑、截流流量等指标亦属世界之最。三峡水库淹没及移民安置难度也是世界之最。垂直升船机可将3000吨轮船垂直提升113米，属于世界规模最大、5

难度最高的升船机。它是世界泄洪能力最大的泄洪闸，也是世界上级数最多、总水头最高的内河船闸。

还记得初中时候，随着夏令营队伍去宜昌参观三峡大坝，那轰轰的泄洪声还在我耳边回荡，那宏伟高大的坝堤还在我眼前耸立着，我为我们国家建造了这样伟大的三峡工程而感到无比的骄傲和自豪。

（六）绿色材料与环境工程的发展

绿色材料是指在原料采取，产品制造使用和再循环利用以及废物处理等环节中与生态环境和谐共存并有利于人类健康的材料，它们要具备净化吸收功能和促进健康的功能。绿色材料是在1988年第一届国际材料会议上首次提出来的，并被定为下世纪人类要实现的目标材料之一。绿色材料包括循环材料净化材料绿色材料和绿色建材。

绿色材料指洁净的能源如太阳能，风能水能潮汐能及废热垃圾发电等的开发和利用的新能源材料。绿色建材是指有利于 环境保护的建筑材料。建筑材料中的墙体材料和水泥，其原料不源于我们赖以生存的土地，由此每年要破坏大量土地，另一方面建筑垃圾等的堆放也占用大量土地。绿色建材的标准是既要满足强度要求，又能最大限度地利用废弃物，并具有节能，净化功能及有利人类身心健康。

环境工程是研究和从事防治环境污染和提高环境质量的科学技术。环境工程同生物学中的生态学、医学中的环境卫生学和环境医学，以及环境物理学和环境化学有关。

迄今为止，人们对环境工程学这门学科还存在着不同的认识。有人认为，环境工程学是研究环境污染防治技术的原理和方法的学科，主要是研究对废气、废水、固体废物、噪声，以及对造成污染的放射性物质、热、电磁波等的防治技术；有人则认为环境工程学除研究污染防治技术外还应包括环境系统工程、环境影响评价、环境工程经济和环境监测技术等方面的研究。我认为，尽管对环境工程学的研究内容有不同的看法，但是从环境工程学发展的现状来看，其基本内容主要有大气污染防治工程、水污染防治工程、固体废物的处理和利用、环境污染综合防治、环境系统工程等几个方面。随着地球的资源慢慢枯竭，地球的自然环境日益恶劣，那么，保护环境、探索新型能源是刻不容缓的事情。大自然是我们每个 6

人生存的必要条件，保护它就是保护我们自己。所以，研究绿色材料与环境工程，是当今的热门课题，更是前所未有的挑战。

第三部分 大跨度桥梁的发展趋势

综观大跨径桥梁的发展趋势，可以看到世界桥梁建设必将迎来更大规模的建设高潮。就中国来说，国道主干线同江至三亚就有5个跨海工程、杭州湾跨海工程、珠江口伶仃洋跨海工程，以及琼州海峡工程。其中难度最大的有渤海湾跨海工程，海峡宽57公里，建成后将成为世界上最长的桥梁；琼州海峡跨海工程，海峡宽20公里，水深40米，海床以下130米深未见基岩，常年受到台风、海浪频繁袭击。此外，还有舟山大陆连岛工程、青岛至黄岛、以及长江、珠江、黄河等众多的桥梁工程。在世界上，正在建设的著名大桥有土耳其伊兹米特海湾大桥（悬索桥，主跨1668米）、希腊里海安蒂雷翁桥（多跨斜拉桥，主跨286+3×560+286米）；已获批准修建的意大利与西西里岛之间墨西拿海峡大桥，主跨3300米悬索桥，其使用寿命均按200年标准设计，主塔高376米，桥面宽60米，主缆直径1.24米，估计造价45亿美元。在西班牙与摩洛哥之间，跨直布罗陀海峡也提出了一个修建大跨度悬索桥的方案，其中包含2个5000米的连续中跨及2个2000米的边跨，基础深度约300米。另一个方案是修建三跨3100米+8400米+4700米的巨型斜拉桥，其基础深度约300米，较高的一个塔高达1250米，较低的一个塔高达850米。这个方案需要高级复合材料才能修建，而不是当今桥梁用的钢和混凝土。未来，大跨度桥梁的发展趋势主要有以下几点：

1、大跨度桥梁向更长、更大、更柔的方向发展

研究大跨度桥梁在气动、地震和行车动力作用下其结构的安全和稳定性，拟将截面做成适应气动要求的各种流线型加劲梁，以增大特大跨度桥梁的刚度；采用以斜缆为主的空间网状承重体系；采用悬索加斜拉的混合体系；采用轻型而刚度大的复合材料做加劲梁，采用自重轻、强度高的碳纤维材料做主缆。

2、新材料的开发和应用

新材料应具有高强、高弹模、轻质的特点，研究超高强硅粉和聚合物混凝土、高强双相钢丝纤维增强混凝土、纤维塑料等一系列材料取代目前桥梁用的钢和混凝土。

3、在设计阶段采用高度发展的计算机

计算机作为辅助手段，进行有效的快速优化和仿真分析，运用智能化制造系统在工厂生产部件，利用GPS和遥控技术控制桥梁施工。

4、大型深水基础工程

目前世界桥梁基础尚未超过100米深海基础工程，下一步须进行100—300米深海基础的实践。

5、桥梁建成交付费用

使用后将通过自动监测和管理系统保证桥梁的安全和正常运行，一旦发生故障或损伤，将自动报告损伤部位和养护对策。

6、重视桥梁美学及环境保护

桥梁是人类最杰出的建筑之一，闻名遐尔的美国旧金山金门大桥、澳大利亚悉尼港桥、英国伦敦桥、日本明石海峡大桥、中国上海杨浦大桥、南京长江二桥、香港青马大桥等这些著名大桥都是一件件宝贵的空间艺术品，成为陆地、江河、海洋和天空的景观，成为城市标志性建筑。宏伟壮观的澳大利亚悉尼港桥与现代化别具一格的悉尼歌剧院融为一体，成为今日悉尼的象征。因此，21世纪的桥梁结构必将更加重视建筑艺术造型，重视桥梁美学和景观设计，重视环境保护，达到人文景观同环境景观的完美结合。在20世纪桥梁工程大发展的基础上，描绘21世纪的宏伟蓝图，桥梁建设技术将有更大、更新的发展。综观大跨径桥梁的发展趋势，可以看到世界桥梁建设必将迎来更大规模的建设高潮。就中国来说，国道主干线同江至三亚就有5个跨海工程、杭州湾跨海工程、珠江口伶仃洋跨海工程，以及琼州海峡工程。其中难度最大的有渤海湾跨海工程，海峡宽57公里，建成后将成为世界上最长的桥梁；琼州海峡跨海工程，海峡宽20公里，水深40米，海床以下130米深未见基岩，常年受到台风、海浪频繁袭击。此外，还有舟山大陆连岛工程、青岛至黄岛、以及长江、珠江、黄河等众多的桥梁工程。在世界上，正在建设的著名大桥有土耳其伊兹米特海湾大桥（悬索桥，主跨1668米）、希腊里海安蒂雷翁桥（多跨斜拉桥，主跨286+3×560+286米）；已获批准修建的意大利与西西里岛之间墨西拿海峡大桥主跨3300米悬索桥，其使用寿命均按200年标准设计，主塔高376米，桥面宽60米，主缆直径1.24米，估计造价45亿美元。在西班牙与摩洛哥之间，跨直布罗陀海峡也提出了一个修建大跨度悬索桥的方案，其中包含2个5000米的连续中跨及2个2000米的边跨，基础深度约300米。另 8

一个方案是修建三跨3100米+8400米+4700米的巨型斜拉桥，其基础深度约300米，较高的一个塔高达1250米，较低的一个塔高达850米。这个方案需要高级复合材料才能修建，而不是当今桥梁用的钢和混凝土。在20世纪桥梁工程大发展的基础上，描绘21世纪的宏伟蓝图，桥梁建设技术将有更大、更新的发展。

第四部分 结语

在当今的土木工程这个行业里，设计方法正在精确化、设计工作正在自动化。在19世纪与20世纪，力学分析的基本原理和有关微分方程已经建立，用之指导土木工程设计也取得了巨大成功。但是由于土木工程结构的复杂性和人类计算能力的局限性，人们对工程的设计计算还比较粗糙，有一些还主要依靠经验。数值计算机的进步使过去不能计算的带有盲目性的估计可以变为较精确的分析。例如，土木工程中的由各个杆件分析到整体分析；工程结构的定型分析到按施工阶段的全过程仿真分析；工程结构中在灾害载荷作用下的全过程非线性分析；与时间有关的长时间徐变分析和瞬间的冲击分析等。

同时，信息和智能化技术正在全面引入土木工程。信息、计算机、智能化技术在工业、农业、运输业和军事工业等各行各业中得到了愈来愈广泛的应用，土木工程也不例外，将这些高新技术应用于土木工程将是今后相当长时间的重要发展方向。例如，土木工程的可持续发展。面临人口的增长、生态失衡、环境污染、人类生存环境恶化，一些学者呼吁：“我们只有一个地球”，并提出“冻结繁荣，停止发展”的口号。这一口号不仅受到发达国家人士的批评，更是受到发展中国家的一致反对。如果“停止发展”，则发展中国家永远停留在落后状态，这是不能接受的。

土木工程任然有着远大的发展前途的。在当今社会发展如此迅速，土木工程在社会的需求程度任是很大的。对于我们这些土木学子，只有很好把自己的专业知识学好并将之展现给社会，才能为祖国的建设贡献一份自己的力量！

[参考文献] [1]陈肇元，谭维组等.高等钢筋混凝土与高性能混凝土.中国科学技术前沿.高等教育出版社.2000 年

[2]赵西安编著.高层结构设计.中国建筑科学研究院.1995 年 [3]项海帆，2003，中国桥梁科技发展战略思考

[4]王长庆等译绿色建筑技术手册：设计。建造。运行[M]北京：中国建筑工业出版社，1999

第三篇：土木工程发展前沿海报-方国兴

报告题目：A painless approach to reliability-based design 报告人: Phoon Kok-Kwang(方国光)

时 间：2011年9月6日（周二）下午3:00

地 点：建工新学科楼（东区）一层东侧报告厅

报告简要: Structural reliability theory has a significant impact on the development of modern design codes.Much of its success could be attributed to the advent of the first-order reliability method(FORM)– which provides a practical scheme of computing small probabilities of failure at high dimensional space spanned by the random variables in the problem.It has been noted that this simple first-order theory fulfills most practical needs.Its numerical accuracy is usually more than sufficient.While the theoretical background underlying FORM has been developed about three decades ago, application of this useful technique to design remains limited in the general geotechnical engineering community.One main concern is that geotechnical engineers are not sufficiently well-versed in probability theory to model uncertainties realistically and to perform seemingly complex reliability computations correctly.The objective of this talk is to show that practical first-order reliability computations could be performed using a relatively painless spreadsheet approach.Using a reliability-based approach, a foundation could be designed more rationally to achieve a constant reliability level, under different scenarios involving different degree of parametric uncertainties and model uncertainties, correlation between soil parameters, and possibly non-normal probability distribution models.It is believed that our profession would benefit from this approach because the geotechnical engineer can devote more attention to ground and construction evaluation, without having to agonize over how to choose the elusive factor of safety in a rational and defensible manner.专家介绍：方国光, 男，新加坡国立大学土木与环境工程系教授，岩土工程专家。新加坡国立大学软土工程中心主任、新加坡岩土工程协会主席。担任国际期刊Georisk主编及10个岩土工程领域国际主流学术期刊编委。在国际主流学术期刊及国际学术会议等发表了论文150 余篇，他的“Multiple Resistance Factor Design(MRFD)for Spread Foundations”获得了2005ASCE最高奖章Norman Medal殊荣，2006获得了ASTM最高技术奖项Hogentogler Award，2008年获得国际岩土力学计算方法与进展协会IACMAG杰出贡献奖，同年获得新加坡交通部颁发的研发创新奖。主办单位：建筑工程学院

第四篇：前沿讲座

计算机视觉学科前沿知识

计算机视觉就是用计算机来模拟人的视觉系统，实现人的视觉功能，通常是指用摄像机和计算机代替人眼对目标进行识别、跟踪和测量等，从而实现对客观的三维世界的识别。人与其他动物一样，视觉、听觉、触觉等感官功能的产生，首先在于进化过程中生存的需要。根据美国心理学家Gibson的理论，人的视觉不管有多少用处，但主要功能可概括为适应外界环境和控制自身的运动。看到汽车冲过来，你会赶快回避；看到前面有激流，你不会冒然趟过去。“适应外界环境和控制自身的运动”还是比较抽象的概念。事实上，为了适应外界环境和控制自身的运动，视觉系统需要能识别物体（可想而知，一个人连亲戚、同事、朋友都不认识，会怎样生活），能判断物体的运动以及确定物体的形状和方位（否则，无法抓取物体）。所以，物体识别、物体定位、物体三维形状恢复和运动分析，就构成了计算机视觉的主要研究内容。

随着自动化水平不断的提高，机器视觉在自动化行业中应用也是越来越多，而机器视觉在我国可以说处于刚起步发展阶段，机器人视觉是一门新兴的发展迅速的学科，八十年代以来, 机器人视觉的研究已经历了从实险室走向实际应用的发展阶段。从简单的二值图象处理到高分辨率多灰度的图象处理,从一般的二维信息处理到三维视觉机理以及模型和算法的研究都取得了很大的进展。而计算机工业水平的飞速提高以及人工智能、并行处理和神经元网络等学科的发展,更促进了机器人视觉系统的实用化和涉足许多复杂视觉过程的研究。

目前，机器人视觉系统正在广泛地应用于视觉检测、机器人的视觉引导和自动化装配领域中。在现代化的大生产之中，视觉检测往往是不可缺少的环节。比如，汽车零件的外观，药品包装的正误，IC字符印刷的质量，电路板焊接的好坏等等，都需要众多的检测工人，通过肉眼或结合显微镜进行观测检验。大量的人工检测不仅影响工厂效率，而且带来不可靠的因素，直接影响产品质量与成本。另外，许多检测的工序不仅仅要求外观的检测，同时需要准确获取检测数据，比如零件的宽度，圆孔的直径，以及基准点的坐标等等，这些工作则是很难靠人眼快速完成。近年来发展迅猛的机器视觉技术解决了这一问题。机器视觉系统一般采用CCD照相机摄取检测图象并转化为数字信号，再采用先进的计算机硬件与软件技术对图象数字信号进行处理，从而得到所需要的各种目标图象特征值，并由此实现模式识别，坐标计算，灰度分布图等多种功能。然后再根据其结果显示图象，输出数据，发出指令，配合执行机构完成位置调整，好坏筛选，数据统计等自动化流程。与人工视觉相比较，机器视觉具有精确，快速，可靠，和易数字化等优点。

机器视觉系统的输入装置可以是摄像机、转鼓等，它们都把三维的影像作为输入源，即输入计算机的就是三维管观世界的二维投影。如果把三维客观世界到二维投影像看作是一种正变换的话，则机器视觉系统所要做的是从这种二维投影图像到三维客观世界的逆变换，也就是根据这种二维投影图像去重建三维的客观世界。机器视觉系统主要由三部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示。将近80%的工业视觉系统主要用在检测方面，包括用于提高生产效率、控制生产过程中的产品质量、采集产品数据等。产品的分类和选择也集成于检测功能中。例如生产线上的单摄像机视觉系统，它的视觉系统用来检测生产线上的产品，决定产品是否符合质量要求，并根据结果，产生相应的信号输入上位机。图像获取设备包括光源、摄像机等；图像处理设备包括相应的软件和硬件系统；输出设备是与制造过程相连的有关系统，包括过程控制器和报警装置等。数据传输到计算机，进行分析和产品控制，若发现不合格品，则报警器告警，并将其排除出生产线。机器视觉的结果是CAQ系统的质量信息来源，也可以和CIMS其它系统集成。

由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定的应用实例，要选择相应的照明装置，以达到最佳效果。过去，许多工业用的机器视觉系统用可见光作为光源，这主要是因为可见光容易获得，价格低，并且便于操作。常用的几种可见光源是白帜灯、日光灯、水银灯和钠光灯。但是，这些光源的一个最大缺点是光能不能保持稳定。以日光灯为例，在使用的第一个100小时内，光能将下降15%，随着使用时间的增加，光能将不断下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持稳定，是实用化过程中急需要解决的问题。另一个方面，环境光将改变这些光源照射到物体上的总光能，使输出的图像数据存在噪声，一般采用加防护屏的方法，减少环境光的影响。由于存在上述问题，在现今的工业应用中，对于某些要求高的检测任务，常采用X射线、超声波等不可见光作为光源。但是不可见光不利于检测系统的操作，且价格较高，所以，目前在实际应用中，仍多用可见光作为光源。

机器视觉系统中，视觉信息的处理技术主要依赖于图像处理方法，它包括图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割、特征抽取、图像识别与理解等内容。经过这些处理后，输出图像的质量得到相当程度的改善，既改善了图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、处理和识别。图像的增强用于调整图像的对比度，突出图像中的重要细节，改善视觉质量。通常采用灰度直方图修改技术进行图像增强。图像的灰度直方图是表示一幅图像灰度分布情况的统计特性图表，与对比度紧密相连。图像的数据编码和传输，数字图像的数据量是相当庞大的，一幅512*512个像素的数字图像的数据量为256 K字节，若假设每秒传输25帧图像，则传输的信道速率为52.4M比特/秒。高信道速率意味着高投资，也意味着普及难度的增加。因此，传输过程中，对图像数据进行压缩显得非常重要，数据的压缩主要通过图像数据的编码和变换压缩完成。图像边缘锐化处理主要是加强图像中的轮廓边缘和细节，形成完整的物体边界，达到将物体从图像中分离出来或将表示同一物体表面的区域检测出来的目的。图像分割是将图像分成若干部分，每一部分对应于某一物体表面，在进行分割时，每一部分的灰度或纹理符合某一种均匀测度度量。图像的识别过程实际上可以看作是一个标记过程，即利用识别算法来辨别景物中已分割好的各个物体，给这些物体赋予特定的标记，它是机器视觉系统必须完成的一个任务。

在本世纪四、五十年代发展起来的线性滤波器以其完善的理论基础，数学处理方便，易于采用FFT和硬件实现等优点，一直在图像滤波领域占有重要地位，其中以WIENER滤波器理论和卡尔曼滤波理论为代表。但是线性滤波器存在着计算复杂度高，不便于实时处理等缺点。虽然它对高斯噪声有良好的平滑作用，但对脉冲信号干扰和其它形式的噪声干扰抑制效果差，信号边缘模糊。为此，1971年，著名学者TUKEY提出非线笥滤波器——中值滤波器，即把局部区域中灰度的中值作为输出灰度，并将其与统计学理论结合起来，使用迭代方法，比较理想地将图像从噪声中恢复出来，并且能保护图像的轮廓边界，不使其变模糊。近年来，非线性滤波理论在机器视觉、医学成像、语音处理等领域有了广泛的应用，同时，也反过来促使该理论的研究向纵深方向发展。

第五篇：前沿讲座

智能控制及其应用

院 － 系： 信息工程与自动化学院 专 业： 模式识别与智能系统 年 级： 2011 级 学生姓名： 朱 丹 学 号： 2011204082 任课教师： 杨承志、冯丽辉、万舟

2011年11月

摘要

智能控制是自动控制发展的高级阶段，是人工智能、控制论、信息论、系统论、仿生学、进化计算和计算机等多种学科的高度综合与集成，是一门新兴的边缘交叉学科。智能控制的主要方法有人工神经网络、模糊控制与专家系统，为解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题提供了有效的理论和方法。目前，智能控制已经被广泛应用于工业、农业、服务业、军事航空等众多领域，具有广阔的发展前景。

关键词： 智能控制 人工神经网络 模糊控制 专家系统

ABSTRACT

Intelligent automatic control is the advanced stage of development of automatic control．It is comprehensive and integrated subject of artificial intelligence, cybernetics, information theory, system theory, bionics, evolutionary computation, computer and so on.It is a new edge of the overlapping subject.The main method of intelligent control are following：artificial neural network , fuzzy control and expert system.In order to solve the complex control problem which is difficult to solve by the traditional methods.It provides effective theory and method.At present, the intelligent control has been widely used in industry, agriculture, services, military aviation, etc, and has a broad development prospects.Keywords: intelligent automatic control artificial neural network fuzzy control expert system

引言

随着信息技术的发展，许多新方法和技术进入工程化、产品化阶段，这对自动控制技术提出了新的挑战，促进了智能控制理论在控制技术中的应用，以解决用传统的方法难以解决的复杂系统的控制问题。智能控制不仅包含了自动控制、人工智能、系统理论和计算机科学的内容，而且还从生物学等学科汲取丰富的营养，正在成为自动化领域中最兴旺和发展最迅速的一个分支学科。

一、智能控制的基本概念和特点

传统的控制方法是建立在被控对象的精确数学模型之上的，而智能控制是针对系统的复杂性、非线性、不确定性等提出来的。IEEE控制系统协会把智能控制归纳为：智能控制系统必须具有模拟人类学习和自适应的能力。一个智能控制系统一般应具有以下一些特点：

1.智能控制具有混合控制特点，系统能以知识表示非数学广义模型和以数学表示的混合控制过程，采用开闭环控制和定性决策及定量控制相结合的多模态控制方式；

2.智能控制系统具有足够的关于人的控制策略、被控对象及环境的有关知识以及运用这些知识的能力；

3.智能控制系统具有自学习、自适应、自组织能力，能从系统的功能和整体优化的角度来分析和综合系统，以实现预期的控制目标； 4.智能控制系统有补偿及自修复能力；

5.智能控制系统能对复杂系统(如非线性、多变量、时变、环境扰动等)进行有效的全局控制，并具有较强的容错能力。

二、智能控制的主要方法 2.1 模糊控制

模糊控制是基于模糊推理和模仿人的思维方法，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制，其成功应用的根源在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法，以模糊集合、模糊语言变量与模糊逻辑推理为基础，以先验知识和专家经验为控制规则。其基本思想是用机器模拟人对系统的控制,就是在被控对象的模糊模型的基础上运用模糊控制器近似推理等手段,实现系统控制。在实现模糊控制时主要考虑模糊变量的隶属度函数的确定,以及控制规则的制定二者缺一不可。

2.2 专家控制

专家控制是智能控制的一个重要部分，它在将人工智能中专家系统的理论和技术同自动控制的理论和方法有机结合的基础上，在未知环境下模仿专家的智能，实现对系统的有效控制。专家系统一般由知识库、推理机、解释机制和知识获取系统等组成。知识库用于存储某一领域专家的经验性知识、原理性知识、可行操作与规则等，可通过知识获取系统对原有知识进行修改和扩充。推理机根据系统信息并利用知识库中知识按一定的推理策略来解决当前的问题。解释机制对找到的知识进行解释，为用户提供了一个人机界面。通过对知识的获取与组织,按某种策略适时选用恰当的规则进行推理,以实现对控制对象的控制。专家控制可以灵活地选取控制率,灵活性高;可通过调整控制器的参数,适应对象特性及环境的变化,适应性好;通过专家规则,系统可以在非线性、大偏差的情况下可靠地工作,鲁棒性强。

2.3 神经网络控制

神经网络是模拟人脑神经元的活动,利用神经元之间的联结与权值的分布来表示特定的信息,通过不断修正连接的权值进行自我学习,以逼近理论为依据进行神经网络建模,并以直接自校正控制、间接自校正控制、神经网络预测控制等方式实现智能控制。随着人工神经网络应用研究的不断深入，新的模型不断推出，在智能控制领域中，应用最多的是BP网络Hopfield网络等。与传统控制相比，它具有以下重要特性：○1非线性神经元网络在理论上可以充分逼近任意非线性函数；○2自学习和自适应能力；○3并行式分布处理机制；○4数据融合能力。目前神经网络在信号处理、系统辨识和优化、模式识别、故障诊断、机器人等多个领域取得成功应用，它对智能控制的发展应用将具有重大而深远的意义。

三、智能控制的应用

目前，智能控制已经被广泛应用于工业、农业、服务业、军事航空等众多领域，具有广阔的发展前景。主要表现在以下几个方面：

3.1机械制造

在现代先进制造系统中,需要依赖那些不够完备和不够精确的数据来解决难以或无法预测的情况,人工智能技术为解决这一难题提供了有效的解决方案。智能控制随之也被广泛地应用于机械制造行业,它利用模糊数学、神经网络的方法对制造过程进行动态环境建模,利用传感器融合技术来进行信息的预处理和综合。利用模糊集合和模糊关系的鲁棒性,将模糊信息集成到闭环控制的外环决策选取机构来选择控制动作。利用神经网络的学习功能和并行处理信息的能力,进行在线的模式识别,处理那些可能是残缺不全的信息。

3.2 智能仪器

随着微电子技术、微机技术、人工智能技术和计算机通讯技术的迅速发展，自动化仪器正朝着智能化、系统化、模块化和机电一体的方向发展，微型计算机或微处理机在仪器中得到广泛应用，已成为仪器的核心组成部件之一。它能够实现信息的记忆、判断、处理、执行以及测控过程的操作、监视和诊断，因而这类仪器被称为”智能仪器”。

3.3 智能机器人

智能机器人是一种能够代替人类在非结构化环境下从事危险、复杂劳动的自动化机器，是集机械学、力学、电子学、生物学、控制论、计算机、人工智能和系统工程等多学科知识于一身的高新技术综合体。机器人研究者们所关心的主要研究方向之一是机器人运动的规划与控制。一个规定的任务出台之后，设计人员首先必须作出满足该任务要求的运动规划；然后，规划再由控制来执行，该控制足以使机器人适当地产生所期望的运动。

3.4 智能监控

在许多的工业连续生产线，其生产过程需要监视和控制，以保证高性能和高可靠性。为保持物理参数具有一定的精度确保产品的优质高产，我们已在一些连续生产线或工业装置上采用了有效的智能控制模式。例如，旋转水泥窑的模糊控制、汽车工业的高级模糊逻辑控制、轧钢机的神经控制、工业锅炉的递阶智能控制以及核反器的知识基控制等。

3.5 医疗过程智能控制

从70年代中叶起，专家系统技术就被成功的应用于各种医疗领域。医用智能过程控制的新例子之一就是一个用于控制手术过程中麻醉深度的病人平均动脉血压(MAP)的模糊逻辑控制系统。MAP是衡量麻醉深度的重要参数。在该控制系统的设计和实现时，我们采用模糊关系函数和语言规则。本系统已在许多不同的外科手术中得到成功应用。

四、智能控制的发展前景

智能控制广泛应用于工业、农业、服务业、军事航空等多个领域，解决了传统控制无法解决的实际控制问题。但是智能控制仍然只处于开创性阶段。就目前智能控制系统的研究和发展来看，智能控制还有许多问题有待解决，主要有以下几点： ○1加强理论研究，给出智能控制的稳定性、可测性、可控性、鲁棒性定义及准则；○2解决知识获取和优化的瓶颈问题，特别是动态系统的知识获取和分类； ○3加强各种智能控制方法结合的耦合度； ○4加强学习问题的研究，进而加快收敛速度，提高实时控制能力； ○5融入更多领域知识，拓宽智能控制的范围。

智能控制是一门跨学科、需要多学科提供基础支持的科学，智能控制很难存在普遍、统一的理论体系，因此，建立具有开放性、形式非唯一的集成化智能控制框架是现实的，也是必要的。

参考文献

[1] 安宁，邱玮炜，戚焐.智能控制综述[J].技术与市场,2010,5(17):10-11.[2] 胡博.智能控制及其应用[J].芜湖职业技术学院，2010，1(12).[3] 宋胜利.智能控制技术概论[M]．北京：国防工业出版社，2008.[4]习玲丽，王永初.智能控制的发展前景[J].国立华侨大学机电及自动化学院，2006.[5] 魏峰，胡腾，王晓明.智能控制研究的发展及应用[J].工业控制计算机

2007(8).