发言人

Fazlur R. Khan 全会讲师

FRP 复合材料的结构工程创新：我过去三十年的历程

滕锦光

校长兼讲座教授
结构工程
香港理工大学

在过去的三十年里，纤维增强聚合物（FRP）复合材料已成为钢材和混凝土的一种有前途的替代品，既可用于加固现有结构，也可用于建造新结构，这主要是由于它们在海洋和其他侵蚀性环境中具有出色的耐腐蚀性能。在全球范围内，玻璃钢现已被广泛用作加固结构的主流材料，以延长其使用寿命。在新建工程中，人们探索开发和应用各种玻璃钢产品，包括玻璃钢螺纹钢、玻璃钢缠绕管和玻璃钢电缆，以取代钢材，从而提高耐久性和延长使用寿命。通过使用玻璃钢来延长结构的使用寿命，为大幅减少每个使用年的碳排放量提供了有效手段，从而为基础设施发展更可持续的未来做出贡献。

在本演讲中，我将首先回顾玻璃钢加固技术的发展历程，包括研究和实际应用两方面，以证明该技术现已成为主流加固技术。然后，我将对玻璃钢在新建筑结构中的应用进行批判性概述，重点介绍几种前景看好的玻璃钢产品，它们有可能取代钢材，提高结构的耐久性。接下来，我将探讨在新建筑中更广泛/更快地采用玻璃钢的障碍，以及克服这些障碍的策略。最后，我将以玻璃钢-混凝土-钢双层管状构件--一种由演讲者发明的新型玻璃钢混合结构构件--为例，展示其巨大潜力，并说明新材料结构从构思到实际应用的漫长历程。

全会主旨发言人

生命周期工程--对各种规模结构的影响

马克-萨尔基相

合伙人
Skidmore, Owings & Merrill LLP
美国

生命周期土木工程已成为各种规模结构设计的基本框架。考虑到结构的整个使用年限，就需要对寿命安全、性能、维护、恢复能力、成本以及对环境的影响等方面进行重点考虑。由于桥梁结构直接暴露在自然环境中，因此几年来，对桥梁结构的考虑是显而易见的，但对建筑结构的考虑就不那么明显了。最近，围绕着确定占用结构的预期寿命（尤其是在地震频发地区）所做的努力，产生了生命周期工程的重要方法。演讲和论文将通过具体实例，探讨从小型住宅结构到高层商业建筑等各种规模结构的生命周期工程。二氧化碳排放是结构生命周期工程设计的主要考虑因素。碳排放主要由三个部分组成：材料、建造过程和运营。这三个部分是材料、施工过程和可能的损坏。材料类型和使用数量通常对体现碳的影响最大，但施工时间和施工过程也是重要因素。对概率性损害的考虑是排放的最后一个重要因素。按照现行的标准建筑规范，建筑物的设计通常是为了保证生命安全，因此在地震中会对结构造成严重破坏。这种损坏会对环境造成重大影响，因为维修需要材料和施工时间。如果建筑物受到严重破坏并被认为无法居住，那么就必须考虑与拆除和重建相关的碳排放。目前已经采取了一些重大举措，以创建具有抗震能力的结构系统和组件，并限制在重大地震事件中的损坏，从而使建筑物在重大地震事件后无需维修或更换。

全寿命周期桥梁工程的挑战与机遇

法比奥-比翁迪尼

米兰理工大学教授

桥梁和基础设施系统的资产管理是公共当局和管理机构的重中之重，因为在不断变化的气候条件下，桥梁和基础设施系统的老化和退化过程以及暴露于多种灾害的情况会产生有害影响。在不确定的情况下，有必要采用多学科的、以风险为基础的、以生命周期为导向的标准、方法和工具，为合理分配有限资源的决策过程提供信息，并有效地确定基础设施规模的桥梁维护和维修干预措施的优先次序。事实上，在大多数发达国家，过去半个多世纪以来建造的大量桥梁和基础设施正迅速接近使用年限。维修或更换需求规模巨大，成为各国可持续发展的主要障碍。气候变化的影响加剧了这种状况，因为气候变化会改变环境危害的暴露程度，增加结构老化和基础设施老化的速度。为了应对这些挑战，桥梁工程正在经历一场深刻的变革，向生命周期方法转变，并在基础设施规模上采用系统性视角。这种模式转变对于巩固和加强标准、方法和程序，以保护、维护和提高关键基础设施系统的安全性、可靠性、冗余性、稳健性、功能性、抗灾能力和可持续性至关重要。然而，尽管基于风险的生命周期评估方法已经成熟，但由于有关在役结构长期性能的信息有限，对其进行可靠验证和精确校准是一项艰巨的任务。因此，从现有结构检测和实验测试中收集数据对于在实践中成功实施生命周期方法至关重要。应对这些挑战也可能释放出促进和推动桥梁工程发展的多种机遇，包括结构健康监测系统的广泛使用和创新，利用数字库存实时管理桥梁和高架桥的结构数据，以及通过实施人工智能、物联网和数字孪生等新兴技术发展智能基础设施等等。本讲座回顾了研究进展和成就，包括近期研究项目的成果和案例研究，以应对全寿命周期桥梁工程的挑战、机遇和未来前景。

在智能客观建模时代追求多灾害生命周期复原力

杰米-帕吉特

莱斯大学教授

在地震、飓风和洪水等灾害事件发生期间及之后，结构和基础设施系统的可靠、有效运行对公共安全、经济活力和生活质量至关重要。要做出风险知情的决策以提高基础设施的抗灾能力（或其抵御、适应和恢复能力），就必须对系统在整个生命周期中面临此类压力时的性能做出可靠的预测。然而，这种未来带来了动态、不断变化的条件方面的不确定性；自然灾害和基础设施（投资不足）的不同影响所带来的挑战；以及与智能系统和新兴数据与算法相关的机遇。本讲座将讨论一种范式转变，即对面临多种灾害的基础设施进行智能、公平的生命周期复原力建模。我们将讨论这种建模框架的特点和维度，该框架旨在注入智能，并促进在基础设施复原力的算法和结果中考虑公平因素。我们通过对各种灾害、系统和规模的案例研究，强调了从结构到基础设施再到社区规模的风险和复原力建模的最新进展。

混凝土碳化、钢筋腐蚀和温室气体影响。

罗伯特-梅尔切斯

纽卡斯尔大学教授
澳大利亚

内陆钢筋混凝土结构的钢筋腐蚀通常归因于 "碳化"。这种说法的依据是，大气中二氧化碳的进入降低了混凝土的 pH 值，足以使钢筋在潮湿的环境中发生腐蚀。大多数情况下，只考虑二氧化碳的渗透深度，通常是在实验室观察溶液，而不是在实际混凝土中。很少有关于钢筋严重锈蚀的直接证据的报告。本文报告了在温带气候区不同海拔高度和位置的几根钢筋混凝土柱子在连续大气暴露 60 年后的碳化深度、混凝土 pH 值和钢筋腐蚀情况的详细观察结果。尽管这些钢筋混凝土柱在没有任何保护措施的情况下裸露在外，但没有一根柱子显示出钢筋锈蚀的迹象。所有柱子都显示出碳化现象，碳化深度仅为混凝土基体的 10-15 毫米，混凝土的 pH 值从内部到外表面逐渐降低。这些观察结果可以用现代腐蚀科学来解释。总之，钢筋锈蚀的开始和发展只能通过混凝土碱的长期浸出和混凝土 pH 值的降低来实现。相比之下，二氧化碳形成的碳酸盐实际上是一种保护性物质，它可以堵塞混凝土孔隙，从而减缓碱浸出的速度。本文提出了一个预测钢筋锈蚀开始时间的简单模型。目前的观察结果表明，如果混凝土基质质量较高，碳化可以作为大气二氧化碳的吸收池，而不会产生严重的钢筋锈蚀风险。吸收大气中的二氧化碳有利于减少大气中的温室气体。结论是，人们经常提到的对 "碳化 "造成钢筋腐蚀的担心是基于对实际混凝土的不良实验描述及其解释，这种担心是错误的。

混凝土结构耐久性和回弹性的多物理场和多尺度预测理论

陈爱荣

同济大学教授
中国

混凝土桥梁的耐久性和韧性受到碳化、氯化物侵入、温度升高、钢筋腐蚀和混凝土开裂等降解过程的严重影响，所有这些都会破坏结构的完整性。为应对这些挑战，目前的研究已转向多物理场、多尺度预测理论，研究环境、材料和机械因素（包括温度、湿度、化学反应和机械应力）的耦合效应。关键的科学挑战包括理解裂纹的产生和扩展、准确模拟多场过程的耦合以及将中尺度机制与大尺度结构的行为联系起来。本讲座介绍了中尺度多物理场耦合理论，以解决碳化、氯化物渗透、钢筋腐蚀、开裂和火灾引发的损坏等降解机制。该模型综合了化学、电化学、热和机械过程，深入揭示了这些因素之间的相互作用，为制定明智的桥梁维护策略奠定了基础。

用于斜拉桥生命周期健康监测和维护的基于流的机械数字孪生系统

洪浩

ARC Laureate Fellow
John Curtin Distinguished Professor
科廷大学

传统的基于物联网的斜拉桥健康监测系统有利于传感器数据的传输和整合，但往往缺乏与有限元（FE）机械模型的直接互动。通常情况下，传感器数据被间接用于模态更新或手动输入以调整有限元模型，从而限制了实时结构评估的效率。在本研究中，我们提出了一个创新框架，利用流式计算将实时传感器数据与 FE 模型直接集成，从而实现机械模型的连续自动更新。这减少了人工干预，并能近乎实时地反映数字孪生中的结构状况变化。虽然数据传输和 FE 模型更新会产生轻微的延迟，但该系统仍能有效地进行生命周期健康监测。我们使用 Unity 3D 实时可视化机械模型，为传感器数据、有限元分析和模型更新以及数字孪生可视化创建了一个统一的平台。这种方法通过在数字孪生系统中连接传感器数据和桥梁物理模型，提高了桥梁监测的精度和响应速度。它为土木工程的生命周期管理设定了新标准。

老化结构的多目标优化生命周期管理与决策

Sunyong Kim

Wonkwang 大学教授
大韩民国

不断老化的结构和基础设施在其整个使用寿命期间会持续受到外部负载、机械应力、环境条件和极端事件的影响。这些因素在本质上具有高度不确定性，使得对结构性能和剩余使用寿命的准确评估和预测变得更加复杂。为了应对这些挑战，及时检查和监测至关重要。然而，仅靠检测和监测并不能延长使用寿命或提高性能。因此，整合检查、监测和维护管理对于有效管理老化结构的生命周期至关重要。本文基于多个目标，重点探讨如何优化全寿命周期检查、监测和维护规划。这些目标包括(a) 基于性能的目标，(b) 基于成本的目标，(c) 基于损伤检测的目标，(d) 基于使用寿命的目标，以及 (e) 基于风险的目标。本文介绍了这些目标的表述以及检查、监控和维护管理的单目标和多目标优化方法。本文还提供了选择最佳管理策略的决策过程。此外，还讨论了利用检查和监控信息的更新过程，以提高生命周期检查、监控和维护规划的准确性。