土木工程分析的施工力學(xué)與時(shí)變力學(xué)基礎(chǔ)解析

張 波

新疆藍(lán)天七色建設(shè)工程有限公司 新疆 五家渠 831300

引言

由于土木工程施工建設(shè)時(shí)存在一定的難度與復(fù)雜性，施工期間可能會(huì)出現(xiàn)安全事故，分析與土木工程有關(guān)的施工力學(xué)與時(shí)變力學(xué)知識(shí)，能夠讓工程建設(shè)更加規(guī)范化，進(jìn)而提升施工安全性。土木工程的安全將直接影響工程質(zhì)量，只有對(duì)土木結(jié)構(gòu)工程施工力學(xué)與時(shí)變力學(xué)做出詳細(xì)分析，才能夠?qū)崿F(xiàn)工程管理制度的改革與升級(jí)，延長(zhǎng)建筑物使用壽命。

1. 土木工程分析的施工力學(xué)研究

1.1 工程安全

與其他工程相比，土木工程施工周期很長(zhǎng)，施工時(shí)會(huì)存在較多不確定影響因素，比如地基下沉、地震等。施工單位在前期準(zhǔn)備階段需要對(duì)實(shí)際情況展開勘查，實(shí)地勘查后找出對(duì)土木工程有影響的危險(xiǎn)因素，隨后針對(duì)不同的隱患編制相應(yīng)的解決方案。施工部門需要對(duì)基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行定期與不定期的檢測(cè)，以便了解設(shè)備的使用情況，從而構(gòu)建施工管理體系，保證土木工程的施工力學(xué)能夠在規(guī)范的操作標(biāo)準(zhǔn)下完成。為了盡可能的保障工程施工質(zhì)量，施工時(shí)需要加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)備管理工作，為設(shè)備編制維修與保養(yǎng)計(jì)劃。管理部門應(yīng)聘請(qǐng)技術(shù)人才，定期對(duì)設(shè)備和力學(xué)設(shè)施進(jìn)行檢測(cè)分析，根據(jù)土木工程進(jìn)度情況控制施工成本，加強(qiáng)對(duì)施工力學(xué)的有效管理。測(cè)量員在施工開始前需將道路邊線、中線施放出來，并做好標(biāo)記，此后土方開挖過程中步步跟隨控制開挖深度。開挖一段，放量一段，再開挖一段，如此反復(fù)，直到工地最后收工。東北地區(qū)的土木工程施工建設(shè)時(shí)，需要考慮到地基施工受凍土層的影響，同時(shí)需要對(duì)地基采取一定的加固措施，避免凍土層因周期性凍融而給工程結(jié)構(gòu)帶來影響。西南地區(qū)的土木工程多為軟土地質(zhì)，在施工時(shí)需要考慮地下水對(duì)地基的侵蝕影響，對(duì)土木工程展開防水與排水工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土木工程施工的防患于未然[1]。

1.2 力學(xué)基礎(chǔ)

與其他力學(xué)相比，土木工程的力學(xué)不是指特定的結(jié)構(gòu)，其對(duì)象會(huì)根據(jù)時(shí)間與空間的變化而改變。時(shí)變力學(xué)是施工力學(xué)的基礎(chǔ)，人們?cè)谘芯繒r(shí)會(huì)借助研究對(duì)象之間具有的共同特點(diǎn)來分析，雖然外部因素會(huì)在時(shí)間的影響下而變化，但力學(xué)內(nèi)部參數(shù)恒定不變。力學(xué)在發(fā)展中會(huì)不斷有新的理論產(chǎn)生，信息技術(shù)水平的提升使傳統(tǒng)力學(xué)理論無法滿足現(xiàn)代化土木工程的發(fā)展。因此，人們?cè)谘芯客聊竟こ痰氖┕ちW(xué)時(shí)需要關(guān)注力學(xué)內(nèi)部參數(shù)的變化，為接下來時(shí)變力學(xué)的研究奠定基礎(chǔ)。

1.3 重力荷載變化

土木工程施工具有動(dòng)態(tài)化特性，施工周期內(nèi)建筑物重力荷載變化較大，具體表現(xiàn)在兩方面。一方面，混凝土、鋼筋結(jié)構(gòu)等施工材料的增加讓建筑物本身逐漸上升；另一方面，施工過程中建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形狀發(fā)生變化，原有的結(jié)構(gòu)所受到的重力荷載被重新分配，建筑結(jié)構(gòu)受到的重力可能不夠均勻。施工力學(xué)的應(yīng)用就是對(duì)土木工程構(gòu)件進(jìn)行分析，探究不同構(gòu)件承受的重力荷載，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，避免構(gòu)件因?yàn)槌惺芎奢d過大而出現(xiàn)裂縫問題。科學(xué)的土木工程設(shè)計(jì)需要將竣工結(jié)構(gòu)的荷載情況考慮進(jìn)去，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)施工時(shí)內(nèi)力時(shí)空變化影響進(jìn)行研究。

1.4 材料特性變化

土木工程施工建設(shè)時(shí)需要使用大量的混凝土與鋼筋框架材料，土木工程的物理強(qiáng)度、剛度會(huì)隨著建筑物使用時(shí)間的增加而出現(xiàn)變化。不僅如此，土木工程也會(huì)受其他因素的影響，導(dǎo)致建筑材料出現(xiàn)特性變化。比如某個(gè)建筑內(nèi)部鋼筋主體框架擁有50年的使用壽命，但受地震災(zāi)害的影響，墻體已經(jīng)有了細(xì)小的裂縫，降雨天氣下雨水沿著墻體裂縫逐漸深入建筑內(nèi)部，給鋼筋框架帶來侵蝕影響。久而久之，鋼筋結(jié)構(gòu)的抗剪切力下降，物理強(qiáng)度有所降低，鋼筋框架與建筑本體的使用壽命受到影響。

2. 土木工程中的時(shí)變力學(xué)分析

2.1 數(shù)值方法

施工力學(xué)中，關(guān)于土木工程的時(shí)變力學(xué)求解數(shù)值可以依靠有限單元法，根據(jù)這一方法的自身特點(diǎn)，讓單元集通過增減單元達(dá)到解域時(shí)變。土木工程施工時(shí)，用到的施工材料沒有熱效能，可采用時(shí)間變量的方法計(jì)算時(shí)變力學(xué)方程。方程中會(huì)有求解偏導(dǎo)項(xiàng)，但時(shí)間變量不會(huì)對(duì)數(shù)值產(chǎn)生不良影響，求解方程時(shí)只需要將最后的參數(shù)轉(zhuǎn)為時(shí)間函數(shù)，就能夠得到時(shí)變力學(xué)方程的數(shù)字化結(jié)果。時(shí)變單元法在解決土木工程解域時(shí)變問題時(shí)，離散網(wǎng)格的格式不便，可以通過單元大小隨著時(shí)間的變化來達(dá)到解域時(shí)變，以此解決方程奇異問題。在計(jì)算時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)值積分穩(wěn)定性問題，這時(shí)可以使用辛算法解決。拓?fù)渥兓ㄒ酝負(fù)鋵W(xué)原理為基礎(chǔ)，通過數(shù)值手段的應(yīng)用了解解域隨時(shí)間的變化，在無需重復(fù)求解方程的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確得到解域變化結(jié)果。

2.2非線性時(shí)變力學(xué)

如果建筑施工材料主要為混凝土與巖土介質(zhì)，需根據(jù)非線性時(shí)變力學(xué)的特點(diǎn)展開分析，將非線性時(shí)變力學(xué)的研究范疇具體確定。非線性中包含了幾何、物性、邊界非線性三類，將非線性時(shí)變力學(xué)中存在的問題加以解析，為了避免研究過程中影響施工進(jìn)度，在計(jì)算非線性時(shí)變力學(xué)時(shí)可以采用增量的方法解決問題。也可以結(jié)合物性與幾何參數(shù)的變化，對(duì)增量展開計(jì)算與分析[2]。

2.3 對(duì)其他建筑物的影響分析

土木工程施工需要經(jīng)過開挖和打孔等步驟，這些操作可能會(huì)對(duì)周圍建筑物的地基結(jié)構(gòu)與地下管道結(jié)構(gòu)造成影響。施工時(shí)可借助研究對(duì)象的幾何參數(shù)與時(shí)間函數(shù)展開施工。實(shí)際上，時(shí)變力學(xué)是一種數(shù)學(xué)理論，它能夠?qū)r(shí)變物體的物理現(xiàn)象展開研究分析，也能夠?qū)ξ矬w變量和參數(shù)加以研究。土木工程在施工時(shí)會(huì)面臨較多不確定的因素，導(dǎo)致建筑物重力荷載、建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原有的重力荷載被分解。研究土木工程的時(shí)變力學(xué)時(shí)，可抓住這一特點(diǎn)或性質(zhì)解決建筑主體墻面裂縫問題。人們?cè)诤笃谟?jì)算時(shí)，也會(huì)將土木工程竣工結(jié)構(gòu)的重力荷載納入時(shí)變力學(xué)分析中。

3. 總結(jié)

總而言之，無論是施工力學(xué)，還是時(shí)變力學(xué)，在土木工程施工建設(shè)中都占據(jù)著重要的地位。通過對(duì)二者的研究與分析，可有效保障工程施工質(zhì)量，提高施工效率。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑行業(yè)發(fā)展規(guī)模不斷擴(kuò)大，人們對(duì)土木工程施工安全提出了新的要求，而力學(xué)方面也得到了各方的重視，推動(dòng)了土木工程施工朝著的規(guī)范化的方向全面發(fā)展。