土木工程中的时变力学问题

土木工程中的时变力学问题

赵军龚砚芬

关键词：土木工程；时变力学；施工力学

土木工程的安全直接影响着建筑工程整体的质量。伴随我国建筑行业的快速发展，土木工程的安全问题日益凸显，工程最终的施工质量影响着人民群众的生活质量。因此，要从土木结构工程的施工力学以及时变力学角度做出具体的分析，各相关部门要改善工程管理制度，不断升级与创新，提高土木工程的耐久性与安全性。

一、土木工程时变力学与施工力学

1、工程中的时变力学

（1）数值方法。土木工程中求解时变力学、时变数学的数值是一个重要的途径。施工力学中时变力学求解数值的方式主要是借助有限单元法，并根据有限单元法自身具备的特点，使得单元集能够通过增减单元的办法达到解域的时变。由于土木工程施工过程中所应用的材料不具备热效能，因此，可以借助时间变量的方法进行时变力学方程。虽然方程中会存在求解偏导的项，但是，其中所含有的时间变量不会对其产生消极的影响，在求方程解的过程中，只需要将解中的参数转化为时间函数，从而获得相应的数字化结果。

（2）非线性时变力学。如果建筑材料是混凝土或者是岩土介质，要借助非线性时变力学所具备的特点，施工人员在进行分析的过程，要将非线性时变力学的范畴进行具体准确分析。非线性主要包括几何、物性以及边界非线性三个方面。若为一般情况，要将非线性时变力学中所出现的问题进行详细解析，以便在整体的解析过程中出现问题，影响施工的进展。在进行非线性时变力学的计算过程中，可以借助增量的方法，以便解决相应的问题，在此过程中，还可以根据物性以及几何参数的变化进行多方面的考虑，并对每个增量进行计算。

（3）对其他建筑物的影响。在进行土木工程施工过程中，要进行开挖、打孔等。在操作过程中，会严重影响到周边建筑，例如地基结构、地下管道等。因此，在施工过程中，要对研究对象进行具体的分析，并借助其几何参数、时间函数进行施工。时变力学作为一种数学理论，不仅可以研究时变物体的物理现象，还能对物体的变量以及参数进行准确分析。土木工程的施工过程中存在诸多不稳定性的因素，致使建筑物的重力载荷也会随之发生变化。施工过程中的内部结构会发生改变，使得原本的重力载荷被分解，可以借助这一性质，降低建筑主体中可能出现的裂缝等质量的问题。专业技术人员中在完善计算时，要将竣工结构的重力载荷进行具体分析。

2、土木工程中的施工力学

（1）工程安全。土木工程的施工周期相比其他工程的周期较长，因此，在施工过程中会面临多种不确定因素，例如地震、泥石流、地基沉降等。因此，施工团队在前期施工阶段要对当地的实际情况进行充分考察，并对存在的危险因素进行全面分析，制订高效合理的解决方案。各施工部门要定期检测基础设备的质量以及存在的安全隐患，构建完善合理的施工管理体系，并确保工程的施工力学在正确的操作标准下进行。为确保土木工程的整体施工质量，施工过程中要加强对施工基础设备的管理与检测工作，及时对基础设备中潜在的问题制订切实可行的维修方案。为保障工程的施工安全以及工程质量，可以建立系统专业的施工团队。管理部门要聘请高素质的技术人才，定期对基础设备以及力学的设施进行检测与监管。在此过程中，要根据工程进度的实际情况，控制好成本的同时加强施工力学的管理工作。不论是管理部门，还是施工部门都要按照整体工程的标准进行工作。与此同时，管理人员要及时把控各环节的施工力学的运行情况，保障工程的进度能够在规定工期内完成。

（2）力学基础。与传统的力学相比，土木工程中的力学不再是特定的结构，所设计的对象会根据时间与空间的变化而发生改变。时变力学作为施工力学的基础，专业学者在进行研究的过程中，会借助研究对象所具备的共同特点进行客观分析。即便外部因素会受到时间的影响发生改变，但是，力学的内部参数都是恒定不变的，大部分研究学者凭借这一点，在力学上进行深入的研究。力学作为持续发展的一项学科，在发展过程中不断产生新的理论。在信息技术不断发展的时代背景下，科学技术不断进步，传统力学的理论基础已经不能满足现代化的建筑工程发展。专业研究人员在进行力学基础在土木工程上的研究过程中，非常重视力学内部参数的变化，对时变力学的发展具有一定的促进作用。

二、土木工程中的时变力学问题

1、混凝土时变力学问题。混凝土是土木工程中应用最广泛的材料之一,其徐变与收缩是随时间而变化的,这已成为结构工程界所共知的事实,但其强度的时变性常常被回避.一般说来,混凝土强度随龄期缓慢增长.但在实际环境中,由于受外界的影响,混凝土强度具有初期增长、后期下降的时变特性，混凝土材料的改性将成为材性研究的重点.其主要发展方向是高强、轻质、耐久、提高抗裂性和易于成型.外加剂的发明与应用为混凝土改性提供了条件.除了比较成熟的减水剂、增塑剂、缓凝剂、早强剂、防水剂、防冻剂之外,目前正在试验的掺有高分子化合物的混凝土,如浸渍混凝土、聚合物混凝土、树脂混凝土,将在本世纪得到广泛应用.这类混凝土不仅抗压性能好,抗拉性能也好,而且耐磨性、抗渗性、抗冲击、抗冻性均大大优于普通混凝土.对于这类混凝土在强度建立过程的描述与控制将涉及到流变学的若干前沿课题.由于聚合物凝胶的流变性相当复杂,目前尚无一个本构方程能准确描述其特性,考虑聚合物材料分子链的分形结构特点,可采用分数阶导数或积分来描述其本构关系,并应计入其时变特性。

2、基础工程中的时变力学。深基础应用日益广泛,大开挖(人工挖孔桩、地下室)不可避免对地基土原状产生扰动.伴随基坑开挖,原有的地基土“卸载”产生“应力释放”,而新基础的浇注,又重新建立起相互协调的关系,这种应力随时间的释放及基础与土相互作用过程的建立,都牵涉到基础时变力学问题.同时,对房屋的加层改造、纠偏等,都要对受上部结构作用后的地基进行重新评价.这方面的研究还很薄弱.一致的看法是地基承载力提高了,但量化的指标缺乏统一尺度.描述原有房屋地基受载的时变过程,可以提出比较准确的地基土物理力学指标.土的渗透固结理论是土力学中理论性比较强的一部分,非饱和土的研究更是当前土力学中的热门课题,这些都涉及到土的物理力学性质的时变过程,为时变土力学的研究提出了新的课题.

3、施工中的时变力学。施工过程的监控对于新结构的质量、安全和使用寿命起着关键性的作用.但施工是一个随时间变化的动态过程.其中的力学问题也由时变力学来回答.例如,混凝土凝固时间与其强度的关系及拆模时间的合理选择对房屋质量的影响评估.迭合构件两次浇捣前后应力变化与承载能力随时间变化的规律,房屋修建过程中结构的物理时变与几何时变的问题。

4、时变力学的方法。土木工程中的时变力学问题,时变力学由于其控制方程中变量对时间导数项与几何、物理、边界时变项耦联增加了求解的难度,且工程中的时变力学问题常常具有非定常、非线性、动力学因素,体现出中间状态的“过程相关性”,必须研究新的求解方法。实验方法仍是研究时变力学的最好方法.对所要研究的对象,进行实验模拟,可以观察对象、参数的时间相关性,在此基础上总结出相应的理论与经验公式.其次是计算机模拟时变过程.计算机仿真分析可以大大节省实验费用,并作为试验的一种补充.在理论上进一步深入研究,把经典方法向前推进一步,寻求数值解.目前这项工作已有较大进展,时变力学的数值分析涉及基本方法与工程应用的多个方面,如逐次积分法、分区耦合、重分析法等。

三、土木工程时变力学与施工力学基础与方法

1、土木工程施工分析的力学基础。传统的工程设计分析对象为恒定结构物,与经典力学材料力学、结构力学、弹塑性力学、岩土力学等相对应。而施工力学的主要特征,在于研究对象随时间发生变化,其力学基础为时变力学。几百年力学发展历史中所研究的众多对象,都具有一个共同特征是其外部条件如施加载荷场、温度场、电磁场等可以随时间发生变化,但内部参数包括几何形状、物理特性、边界状态等在研究时段内,总是认为恒定、保持不变的,众多力学学科分支的基本理论与控制方程都是建立在这个前提下。近代科学技术的迅速发展,要求研究内部参数随时间变异的物体的力学现象与规律,形成一门新的时变力学学科分支。时变力学是重大工程施工分析、高新技术器件工艺分析、时变机械动力分析的共同力学基础。土木工程施工分析将涉及线弹性时变力学、粘弹性时变力学、非线性时变力学、热弹性时变力学、物性时变力学等学科分支。

2、土木工程施工分析的数学基础。施工过程分析研究对象(如结构物、地基、围岩等的几何参数(形状)、物理参数(材料性能)、边界参数(边界坐标)是时间函数,因此其控制方程为变系数(常、偏)微分方程(组)或时变边值条件,属时变数学范畴。时变数学是研究时变体物理现象的数学理论,同时含有物体空间变量及参数时变的时间变量,故将主要探讨变系数偏微分方程或通过数值化后形成的变系数常微分方程组。一般“数理方程”是研究描述物理现象的(常系数)偏微分方程,得到解析解也十分有限；而“时变数学”研究的变系数偏微分方程在数学上求解变得十分困难,通过综合对比上述集中数学计算方法，对比其实用性和计算简单性，最终采用数值方法。

3、土木工程施工力学分析的数值方法。土木工程施工力学及相应时变力学、时变数学的数值化求解是一个重要手段。施工力学问题通过数值方法建立的离散化方程组中刚度阵、质量阵、阻尼阵以及热刚阵等运算矩阵中,元素不再为常系数而是时间变量函数,存在时域数值积分的稳定性与收敛性等一系列新问题,是一般计算力学所未遇见的,因此形成“计算时变力学”新分支。施工力学数值方法主要包括一般有限元法、时变单元法及拓扑变化法。施工力学采用一般数值方法分析主要是有限单元法,这基于有限元法具有域内全离散特点,便于单元集合时采取增减单元办法来实现解域的时变,但这类方法可能存在运算矩阵奇异问题。

总之，施工力学以及时变力学在土木工程中占据重要的位置。对其进行深入的分析与研究，在提升施工质量的同时，还要保障施工的安全与效率。伴随我国国民经济的高速增长，不断推动着建筑行业的发展，在土木工程的施工安全上也提出了更高的要求，因此，要加强对力学方面的重视程度，使土木工程施工朝向更规范、更合理的方向发展，以此带动建筑行业的全面发展。

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