结构工程基础研究20年
—来自国家自然科学基金委员会的报告
这是年《建筑结构学报》第2期的文章，作者是国家自然科学基金委的茹继平教授和同济大学李杰教授。本文回顾了结构工程基础研究20年来在中国的发展，并对未来20年结构工程的发展做出了分析和展望。对于从事结构工程研究的学者，可能有一定的参考和借鉴意义。考虑到篇幅，“土木小兵”在编排过程中对原文中少量内容进行删减，不列参考文献，如果需要，请参考原文。
摘要：回顾了结构工程基础研究20年来在中国的发展。梳理了国家自然科学基金委员会在过去20年中对结构工程学科的资助概况与资助重点；总结了结构工程学科主要研究方向上包括结构工程材料、结构试验技术、结构健康监测技术、结构计算理论、结构抗灾设计理论、结构振动控制、新型结构体系、结构耐久性研究及生命线工程研究等9个方面的重要研究进展。对未来20年结构工程学科基础研究包括材料科学的创新、力学基础理论的发展、多重灾害研究的深入、结构监测与结构控制、结构耐久性研究的发展、第三代工程结构设计理论等的发展做出了分析与展望。
1
前言结构工程是研究各类工程结构的设计理论、施工方法与维护技术的学科。这一学科涵盖了结构分析、结构实验、结构设计、结构施工、结构检测与维护等研究方向。结构工程学科的发展随着人类活动的需要和社会生产的发展而发展。20世纪90年代初，伴随着我国改革开放的新浪潮，我国土木工程建设呈现出大规模发展态势。在这一背景下，国家自然科学基金委员会(简称“基金委”)迅速抓住发展契机，逐步加大了对结构工程学科的投入，有力推动了我国结构工程学科的发展。回顾近20年来结构工程学科在中国的发展，可以欣喜地看到，在结构工程学科主要的研究方向上，我国已经迈入国际学科发展的前沿。追溯这一学习、追踪、赶超国际先进水平的历程，无疑会对结构工程学科在未来的发展中起到启迪的作用。
2
基金委对结构工程学科资助概况与成效基金委执行国家杰出青年科学基金资助计划始于年，这标志着我国青年一代科学家开始以学术带头人的身份登上历史舞台。选取这样一个时间节点作为回顾历史的起点，具有独特的意义。基金委于年启动的“大型复杂结构的关键科学问题”重大项目，则可视为其开始高度重视结构工程基础研究发展的标志。
自-年的21年中，基金委对结构工程学科基础研究的投入高达20.5亿元，其中，面上项目总数投入11.2亿元，重点项目1.18亿元，国家杰出青年基金0.44亿元；基金委更是在年划时代地设立了“重大工程动力灾变”重大研究计划，为期8年，投入1.9亿元；而于年，开始设立优秀青年基金项目，在最近的4年间共资助结构工程相关项目24项。
数额巨大的投入，有力推动了结构工程学科基础研究的发展。高水平研究论文的发表数量，是衡量这一发展水平和自然科学基金资助成效的重要指标。以WebofScience和CSCD为文献检索工具，我们进行了相关研究，图1是-年间我国学者在结构工程领域国际主要学术期刊上发表论文（SCI收录）的情况。
图1结构工程各学科SCI论文发表量
如果以-年3年平均论文数为初始基数，以-年三年平均论文数为比较基数，则可给出结构工程各主要研究方向在过去20年间的增长倍数，统计结果见图2。可见在过去20年间，结构工程学科在国际学术刊物上发表论文的数量平均增长了3.8倍，其中，作为新兴研究热点的结构健康监测研究方向的论文增长了接近8倍。
图2结构工程各学科SCI论文增长倍数
图3给出了结构工程各主要研究方向在国内重要学术期刊发表论文(中国科学引文数据库CSCD)的统计数据，由此可以得到类似的结论，其中，作为结构工程基础的结构计算理论方向的研究论文增长了11倍。
图3结构工程各学科CSCD论文发表量
图4给出了年在世界范围内各主要国家在结构工程学科发表SCI收录论文数量的排名。可见，年我国在国际主要学术期刊上发表论文已经达到篇，仅次于美国，稳居第2位。但是在年，我国学者在结构工程领域发表的SCI收录论文仅91篇(世界排名第8位)。经过20年的努力，我国结构工程领域学者发表的SCI收录论文总量是年的25倍。由此可见我国结构工程领域研究的巨大历史进步。显然，这与基金委对结构工程领域基础研究的大力支持密切相关。并且，我国在结构工程领域的主要研究方向上已与国际研究同步，而且体现了我国土木工程建设迅速发展的特点。
图4年SCI收录论文各国对比
3
结构工程基础研究重要学术进展为了回顾我国结构工程基础研究在过去20年中的主要进展，以基金委在过去20年间对结构工程学科资助的重点研究项目和国家杰出青年基金项目为线索，以WebofScience、GoogleScholar和CSCD为检索工具，对我国结构工程研究中涌现出来的、在国内外产生了较大影响的学术成果进行了梳理和分类。以下以结构工程主要学科方向为线索，概述这一研究的主要结果。
01
结构工程材料
在过去20年中，工程结构材料的研究成果表现在高性能混凝土的研发与应用、高性能钢材的应用与普及、轻质砌体材料的研究等方面，这些研究成果对推动我国结构工程的发展起到了重要作用。而就国际影响力而言，则当推我国科学家在纤维增强材料(FRP)的结构应用研究方面的贡献。
从纤维增强材料的基本力学性能研究入手，我国科学家在FRP-混凝土界面应力传递机理与黏结剥离理论模型、FRP配筋混凝土梁的受弯、受剪破坏机理、包裹FRP混凝土柱的受力破坏机理等方面取得了为世界所公认的重要研究成果。这些研究成果，不仅为我国在此方面的工程结构设计规范的制订奠定了理论基础，也为英国混凝土学会设计指南、澳洲混凝土设计规范提供了基本设计公式的理论依据。这在中国结构工程研究发展的历史上是为数不多的。
02
结构试验技术
基金委于年在湖南长沙召开学术研讨会，重点研讨美国自然科学基金会NEES计划开始实施形势下的中国发展对策。这一事件，标志着结构试验技术在我国开始得到前所未有的重视。这次会议之后，基金委迅速设立以远程协同拟动力试验为主题的两项重点研究项目，并在年开始执行的基金委重大研究计划中设立了以实时混合试验技术为主题的重点支持研究项目。这些项目的设立，对结构混合试验技术的发展起到重要的推动作用。10年后的今天，尽管我国在此领域的研究还没有达到实质性推动结构工程发展的理想境界，但我国科学家的努力，使我国在此领域的研究保持了与国际水平同步发展，并开始逐步走到国际前沿。我国科学家在结构混合动力试验的无条件稳定显式算法、实时子结构试验的等效力控制方法等方面的工作得到了国际学术同行的高度重视。事实上，在过去的20年间，多点输入地震模拟振动台的建立、风浪联合作用风洞实验室的建设、大吨位多功能试验机的研发、多种功能环境实验室的开拓，都标志着我国在结构工程试验技术与装备方面，已然走在了世界的前列。
03
结构健康监测技术
以结构健康监测为标志的结构性能监测技术的发展，是过去20年间国际结构工程领域的发展标志之一。国家科技部于年设立的攀登计划项目中的重点研究课题“高层建筑安全性检测与监测”基础理论研究，可以视为结构健康监测研究在我国发展的起点。而年由基金委在北京主持召开的重大工程灾变行为与健康监测研讨会，则将这一方向的研究推向了高潮。在过去20年间，我国在此领域的研究论文发表数量增长近8倍之多。与之相适应，我国在此领域的研究也理所当然地走在了世界前列。文献研究表明，我国科学家在大尺度、多参量传感技术、纳米混凝土应力传感器研发、光纤光栅传感应变传递规律、基于分形理论的损伤识别等方面的研究均达到了国际先进水平。由于我国科学工作者的杰出成就，欧进萍院士当选为国际智能基础设施结构健康监测学会副主席。
04
结构计算理论
结构分析与计算是结构设计的基础。纵观结构工程设计理论的发展史，可以清晰地看到从基于材料强度设计到基于结构极限状态设计，再到基于结构功能设计的发展历程。与之相应，在结构分析理论的研究领域，则可以清晰地看到从线性材料力学到非线性材料力学、再到固体力学的发展历程。事实上，力学基础理论是结构工程研究赖以发展的核心与灵魂。经过20世纪50-60年代的学习、80-90年代的跟踪这一漫长过程，中国科学家终于在20世纪90年代后期开始在结构分析理论研究中赶上了世界发展的步伐，并开始在一些领域展现出自身的特色。结构随机动力学与混凝土损伤力学的研究进展，就是这一领域发展中有代表性的研究成果。由我国科学家提出的概率密度演化理论，因为科学地揭示了随机系统与物理系统的内在联系而在国际上引起广泛重视，并以PDEM为专有名词而广为人知，被誉为是这一研究领域具有“突破性的研究进展”。混凝土随机损伤力学的研究，则科学地揭示了混凝土结构细观损伤演化的物理机制，从而成为我国混凝土结构设计规范中关于结构非线性分析的理论基础，并开始在我国工程建设中发挥关键作用。
05
结构抗灾设计理论
结构抗灾设计理论的发展，是过去20年中我国结构工程研究发展的另一个重要标志。在过去20年间由基金委资助的55项结构工程重点研究项目中，与结构抗灾设计理论研究相关的项目高达20项。而分别于年和年启动的国家自然科学基金重大研究项目和重大研究计划，更是直接以结构抗灾设计理论研究为主题，充分表明了基金委对工程结构抗灾设计理论发展的高度重视。
从20世纪60年代起步的结构抗震设计理论研究，到20世纪90年代中期开始赶上了国际研究发展的步伐。从结构构件到整体结构模型的大规模结构试验，成为我国结构抗震研究的典型特征。这在一定程度上支撑了结构工程师进行复杂结构抗震设计的信心，也促成了我国在此领域研究的繁荣局面。从年以来，我国科学家在可恢复功能结构方面的研究探索，开始在结构抗震的国际前沿取得一席之地。
我国结构抗风的研究，始于高层建筑结构抗风的研究。而真正使我国在国际风工程领域取得重要学术地位与影响力的工作，当属大跨度桥梁抗风设计理论的研究。在多模态颤振耦合理论、斜拉索风雨激振机理、桥梁抗风可靠性设计等方面的研究成果，使我国从事风工程研究的科学家们连续三次被邀请在国际风工程大会上做特邀报告，这在国际风工程界尚无先例。由于我国研究工作的突出贡献，项海帆院士、葛耀君教授先后当选为国际桥梁与结构协会副主席。
自20世纪90年代中期以来，工程抗灾设计理论研究的突出特征是对结构寿命期内多种灾害作用的白斑专科著名医院北京中科医院是假的吗