土木工程学科前沿综述
同济大学 项海帆
李杰 吕西林 葛耀君 袁勇
一、前 言
1660年创立的虎克定律被认为是土木工程学科从古代进入近代的标志。从那时到第二次世界大战结束的约三百年间，建筑材料方面由古代的石料、木材和砖瓦转变为以铸铁、钢材、混凝土、钢筋混凝土，乃至早期的预应力混凝土。理论方面则由十七世纪伽利略、虎克和牛顿奠基的土木工程设计基础理论发展出十八世纪以欧拉的稳定理论和库仑的强度理论和土力学理论为代表的更新的理论。
十八世纪蒸汽机的发明催生了英国工业革命。1825年英国建成了第一条铁路，1863年伦敦又建成了第一条地铁。转炉炼钢法(1856年)和钢筋混凝土(1867年)的相继问世促使了近代土木工程的快速发展。19世纪的60年代和70年代还相继发明了内燃机和电机，到1885年德国造出了第一辆汽车。铁路、公路、高层建筑和大型公共建筑(车站、展览馆、体育场馆等)在十九世纪的大量建设使近代土木工程在世纪末已达到了相当成熟的阶段。继十九世纪下半叶的世界三大标志性工程：美国布鲁克林悬索桥(主跨486m，1883年)、法国埃菲尔铁塔(高305m，1899年)和英国Forth桁架桥(主跨520m，1890年)。二十世纪上半叶建成的世界三大标志性工程是：美国旧金山金门大桥(主跨1280m，1937年)、澳大利亚悉尼拱桥(主跨503m，1932年)和美国纽约帝国大厦(高378m，102层，1931年)。与此同时，20世纪的30和40年代也是土木工程有关力学理论和设计方法蓬勃发展和日臻完善的时期，结构稳定和振动理论、非线性大挠度理论、组合结构计算理论、梁桁空间计算理论、高层框架分析方法、板壳和薄壁杆件扭转理论等相继建立起来，为大跨桥梁、高层建筑和大跨穹顶结构的分析和设计提供了有力的支持。
第二次世界大战后，计算机的问世标志着土木工程进入了发展更为迅猛的现代
时期。在20世纪60年代，世界各国进入了战后大兴土木的高潮期。高速公路网的建设和城市化进程大大推动了土木工程的发展。战前发明的预应力混凝土技术日趋成熟，并成为战后最主要的结构形式。计算机的不断进步和有限元法的创立使数值方法逐渐代替了战前所采用的解析和半解析方法，并促使结构分析和设计向精细化方向前进。两种传统的材料：钢和混凝土不断向高强度、高性能、耐腐蚀的方向进步，为预应力混凝土结构的发展提供了更好的条件。使用多种材料的组合结构和复合材料的应用也为创新的结构体系和构造的不断涌现开拓了广阔的前景。
在工程方面，20世纪下半叶建成的世界标志性工程有很多，其中可以代表这一高速发展时期成就，并列入“世界奇观”的作品有：美国芝加哥西尔斯大厦(高443m，110层，1973年)，美国路易斯安娜圆顶体育馆(直径208m，1975年)，加拿大多伦多国家电视塔(高553.3m，1975年)，英吉利海峡“欧洲隧道”(长48.5公里，1993年)，日本明石海峡大桥(主跨1991m悬索桥，1998年)。
土木工程学科在战后的大发展中也出现了快速的分支。战前大学土木系一般都设有材料、结构、路工、市政和水利等专业组。其中市政组中的建筑、城市规划和给排水专业以及材料组和水利组首先从土木工程中分离出去，独立组成了新的系科。随后，路工组中的铁路、公路、交通也发展成独立的系科。到了六十年代，土木工程学科只留下结构组中的桥梁、房屋、隧道及基础工程的内涵，并且进一步形成了结构工程(Structural Eng.)和岩土与地下工程(Geotechnical Eng.)两个相对独立的学科。
国际桥梁及结构工程协会(IABSE，1929)、国际预应力联盟(FIP，1952)、国际隧道协会(ITA，1974)、国际土力学和基础工程协会(ISSMFE，1936)、国际岩石力学与工程学会（ISRM，1962）、国际壳体与空间结构协会(IASS，1959)、国际结构安全度联合委员会（JCSS，1972），以及1956年成立的国际地震工程协会(IAEE)和1963年成立的国际风工程协会(IAWE)这两个新兴的边缘学科国际组织，共同组成了现代土木工程学科的大家庭，这些协会所组织的国际会议也是现代土木工程师活动的重要舞台。
下面就以结构工程、桥梁工程、岩土及地下工程以及防灾减灾和防护工程等四个土木工程下属的二级学科分别介绍它们的学科前沿情况。
二、结构工程
1 学科概述
结构工程随着社会生产的发展和人类活动的需要而发展，其基本内涵包括结构分析、结构实验、结构设计、结构施工、结构检测与维护等诸方面。
我国正在进行的规模空前的基本建设，为结构工程学科的发展提供了前所未有的机遇。2003年，我国基本建设投资约为2.29万亿人民币，占国民生产总值约20%。我国水泥消耗总量达8.25亿吨，约占全世界40％。随着工程建设规模的扩大和工程结构使用功能的提高，现代结构工程正在朝着大跨度、大深度、长距离、超高层的方向迅速发展。由此，引发了一系列关键科学与技术问题的研究。20世纪80年代以来，在结构工程领域内人们开始认识到：对于结构受力全过程、全寿命行为的研究与控制是结构工程研究的重点与核心；在这一研究中，结构理论、结构试验与结构计算构成了三足鼎立的发展局面；同时，结构工程正在经历着从单体结构的分析与设计到对整个工程系统的关注与研究的历史性变革[1][2]。
伴随着近二十年来先进材料、信息技术、传感技术与控制技术等高新技术向土木工程的渗透与发展，近年来，在国际范围内提出了智能结构、基于性态的结构设计原则、可持续结构工程等一系列的新理念。以实践这些理念为目的，结构工程在未来将表现出的基本走向是：结构材料向高标准、多功能方向发展；结构形式向自感知、自适应、自修复的智能结构方向发展；结构设计理论向精细化、全寿命、可生成方向发展；结构实验技术向复杂受力与复杂环境下的本构关系、大型复杂结构的协同试验两极发展。与此同时，工程系统全局设计的思想与理念，也将获得实质性研究进展。
2 学科研究前沿
2.1 挑战结构极限
高层建筑、大跨度结构、生命线工程向更高、更深、更长、更广的结构及结构系统发展，是近代结构工程发展的典型特征。
现代高层建筑起源于美国，已有110多年的发展历史，其中代表性建筑是1931
