土木工程分析的施工力学与时变力学基础_曹志远
土木工程结构力学重要考点总结
土木工程结构力学重要考点总结土木工程结构力学是土木工程专业的核心课程之一，它的学习对于培养学生的结构设计和分析能力至关重要。
在土木工程结构力学的学习过程中，有一些重要的考点需要我们特别注意和掌握。
本文将对这些考点进行总结，并提供相应的知识点和解题技巧。
一、静力学基础1. 平衡条件：对于静力学系统来说，平衡条件是至关重要的基础。
它包括力的平衡条件和力矩的平衡条件。
在求解平衡条件的过程中，需要掌握力的合成和分解、力矩的计算方法等知识点。
2. 刚体和刚体平衡：刚体是静力学中最基本的概念之一。
刚体平衡是指刚体在受到外力作用时，保持静止或匀速直线运动的状态。
在刚体平衡的求解过程中，需要熟练运用条件平衡方程和力的杠杆原理。
3. 空间力系：力系是指多个力作用在物体上的力的集合。
在空间力系的求解中，需要掌握力系的合力和力矩的计算方法，以及力趋于零的条件等知识点。
4. 框架结构：框架结构是土木工程中常见的结构形式之一。
在框架结构的分析过程中，需要掌握节点受力平衡和杆件内力计算的方法，以及应力、应变和变形等相关知识。
二、受力分析与结构静力学1. 杆件的受力分析：杆件是土木工程中最常见的结构构件之一。
在杆件的受力分析过程中，需要掌握杆件内力的计算方法，包括正应力、剪应力和轴向力等的求解，以及杆件的强度判定。
2. 板和壳体的受力分析：板和壳体是土木工程中常见的承重构件。
在板和壳体的受力分析中，需要掌握受力平衡原理和变形原理，以及板和壳体的应力、应变和变形等相关知识。
3. 梁的受力分析：梁是土木工程中重要的承重构件。
在梁的受力分析过程中，需要掌握受力平衡原理和变形原理，以及梁的剪力、弯矩和挠度等的计算方法。
4. 桁架结构和索链结构的分析：桁架结构和索链结构是土木工程中常见的大跨度结构形式。
在桁架结构和索链结构的分析中，需要掌握节点受力平衡和构件内力计算的方法，以及结构的稳定性和刚度等相关知识。
三、力的作用与结构稳定性1. 内力的作用：结构内力是指结构构件受力过程中产生的力和力矩。
土木工程力学(本).
土木工程力学（本）第四章静定结构的位移计算学习要求1. 理解变形体体系虚功原理的内容及其应用。
2. 理解并熟练掌握静定结构位移计算的一般公式。
3. 熟练掌握静定结构在荷载作用下的位移计算方法及图乘法。
4. 掌握支座位移和温度改变等因素作用下的位移计算方法。
5. 了解线弹性结构的互等定理。
6. 理解静定结构的基本力学特性。
学习重点1. 变形体体系的虚功原理及其应用。
2. 静定结构位移计算的一般公式和不同外因作用下的应用。
3. 图乘法计算荷载作用下静定梁和刚架等的位移。
4. 静定结构的基本力学特性。
常见问题解答1.什么是结构的变形和位移？变形，是指结构或构件的截面形状发生改变，而位移则是指结构各处位置的移动。
静定结构产生位移的原因有荷载作用、温度变化、支座位移、制造误差、材料收缩等。
荷载作用使静定结构产生内力，进而发生变形，导致结构产生位移。
温度变化时，静定结构产生位移，不产生内力。
支座位移（移动或转动）时，静定结构既无内力也无变形产生，只发生刚体位移。
2．静定结构位移计算时采用了什么假设条件？静定结构位移计算时，通常采用以下假设条件：（1）结构、构件的材料符合胡克定律，即应力应变成线性关系。
（2）结构、构件发生的变形与其几何尺寸相比极其微小，因此，可以认为结构或构件的几何形状和尺寸以及荷载的作用位置及方向在变形前后保持不变。
满足上述假设条件的结构体系称为线弹性结构。
线弹性结构中的结构体始终是连续的，位移与荷载之间成线性比例关系，卸载之后位移完全消失，所以计算位移时可以使用叠加原理。
3.什么是实功和虚功？力在其自身引起的位移上作功称为实功。
当作功所需两个因素中的力与其相应的位移彼此独立无关时，这种功称为虚功。
实功恒为正值，虚功可以是正值、负值和零。
实功不能应用叠加原理。
虚功可以应用叠加原理。
4．什么是变形体体系的虚功原理？变形体体系的虚功原理可以表述为：若变形体体系在力系作用下处于平衡状态，由其它原因产生的微小连续位移满足约束条件，则力状态中的外力在位移状态中相应位移上所作的虚功恒等于力状态中的内力在位移状态中相应变形上所做的虚功。
土木工程学中的结构力学分析
土木工程学中的结构力学分析在土木工程学中，结构力学分析是非常重要的一环。
它是针对建筑物或其它结构物受力情况所进行的一项工作，在工程设计的各个方面都有着不可或缺的作用。
那么，为什么结构力学分析如此重要呢？本文将从几个方面探讨这个问题。
第一，结构力学分析可以帮助我们了解结构的受力情况。
一个结构物所受力的情况非常复杂，如果没有经过科学的分析，很难确定结构物的安全性。
而结构力学分析正是针对这种情况而设计的一种方法。
它可以通过把建筑物或其它结构物看作一个整体，通过计算各个点的力的大小和方向，来判断它是否能够承受外力的冲击。
如果力过大，或者力的方向过于偏斜，那么结构物就会出现不稳定的情况，甚至崩塌。
因此要确保结构物的安全性，就必须进行结构力学分析。
第二，结构力学分析可以帮助我们大幅提高工程设计的效率。
负责工程设计的人员往往需要对建筑物或其它结构物的每一个节点进行计算，包括力的大小和方向、力的作用点、结构物的形状、固定方式等等。
这些工作需要大量的计算和分析，如果没有使用结构力学分析的方法，就需要耗费大量的时间和精力。
而结构力学分析可以进行多种计算方式，包括有限元法、矩阵法、弹性线性分析、非线性计算等等。
这些方法不仅可以节省时间和精力，还可以提高设计的准确性和可靠性。
第三，结构力学分析可以帮助我们更好地预测建筑物的使用寿命和维护时间。
建筑物的使用寿命和维护时间是非常重要的问题，尤其对于大型工程来说更是如此。
如果工程设计师没有经过科学的结构力学分析来确定建筑物的负荷能力，那么在使用的过程中就很难确定建筑物的使用寿命和维护时间。
事实上，建筑物的使用寿命和维护时间都是受结构力学分析结果所决定的。
如果分析结果显示建筑物不能承受某些力的冲击，那么就需要采取措施维护或加强建筑物，以确保它的使用寿命和维护时间。
总之，结构力学分析是土木工程学中不可或缺的一环。
在各个方面中都有着重要的作用，包括了解结构的受力情况、提高工程设计的效率、预测建筑物的使用寿命和维护时间等等。
土木工程专升本工程力学复习要点
土木工程专升本工程力学复习要点一、位移与变形1.位移：概念、计算及位移分量的运算法则。
2.变形：概念、计算及应变分量的运算法则。
3.三种一维应变定义：正应变、切应变和体积应变。
4.应变量代表的物理量：应变能和剪应变能。
二、应力与应变1.弹性体的应力应变关系：胡克定律。
2.应力概念与分类：正应力、切应力、平均应力、最大应力、主应力和应力的坐标表达。
3.线性弹性材料的应力应变关系。
4.弹性体的应力应变关系对于多向载荷的表达：平面应力和平面应变假设。
5.立方体零件的应力分析。
三、弹性力学基本理论1.基本力学假设：物体连续假设、材料均匀性假设、平衡条件、固体假设、产生理论基础假设。
2.内力与真实应力：概念及计算。
3.平衡方程与应力分析：平衡条件、平衡方程、平衡方程的应用。
4.应变分析：坐标变换、应变向量、应变张量、应变分析的应用。
四、弹性力学理论的应用1.单轴拉伸、压缩应力应变关系：工程应力应变关系、应力应变曲线的计算。
2.剪切和挤压切应变关系：平面应变、平面正应变、平面切应变的概念、关系及计算。
3.齿轮、轮胎、螺旋桨和叶片的应力分析。
4.曲杆轮机零组件的应力分析。
五、弹性力学分析1.弯曲的基本概念：闭合曲线及其坐标表达、应变方程及其应用。
2.直梁与曲梁：差动曲率、空间应变、曲梁的横截面变形及计算模型。
3.主动力与分布载荷下曲梁的应力弯矩计算。
4.平面问题的弹性力学分析。
六、梁的变形与挠度1.弯曲位移概念与计算：位移曲线、位移方程、定义和计算方法。
2.弯曲变形时的静定和静不定梁挠度计算方法。
3.弯曲变形时的主动力和分布载荷下的挠度计算。
七、复合轴系中的变形1.基本概念与应变计算：正应变、切应变、平均应变及应变分量特性。
2.复合轴系中的复合变形及其计算方法。
八、悬臂梁、榀板、运动与冻土效应1.竖直荷载下的悬臂梁挠度分析。
2.运动效应：运动理论、运动方程以及运动效应对应力应变的影响。
3.冻土效应：冻土力学和冻土效应的影响。
地下洞室开挖过程中洞周损伤分布的时变反演
地下洞室开挖过程中洞周损伤分布的时变反演
王华宁;曹志远
【期刊名称】《力学季刊》
【年(卷),期】2002(23)4
【摘要】洞室开挖过程中,洞周围岩的损伤场是时间和空间的函数。
本文由建立的岩体时变损伤本构模型,基于位移反演理论,依据各步开挖后洞周及深部测线量测位移,对地下洞室由开挖引起的时变损伤分布情况进行辨识。
通过构造损伤分布拟合函数直接反演洞周损伤分布的时变过程,尝试了用拟合函数法实现动态分布参数的反分析。
在对某直墙半园拱顶隧道进行反演时,将洞室边界映射成单位圆,建立了由衰减函数和傅立叶级数构成的拟合函数,并采用约束优化法反演。
最终结果显示,反演得到的区域损伤平均值与真值相比,绝大多数误差较小。
本方法在地下工程施工的岩体内部损伤监测中具有一定的参考价值。
【总页数】9页(P471-479)
【关键词】地下洞室;开挖过程;损伤;时变;反演;分布函数
【作者】王华宁;曹志远
【作者单位】同济大学固体力学教育部重点实验室工程力学与技术系
【正文语种】中文
【中图分类】U453.2
【相关文献】
1.大岗山地下厂房洞室群围岩力学参数的动态反演与开挖稳定性分析研究 [J], 张强勇;向文;杨佳
2.大断面地下洞室不良地质段贯通时的开挖支护 [J], 关汉峰;郭钊
3.地下厂房洞室群开挖三维初始应力场反演分析 [J], 黄敏;唐绍辉;黄英华;吴亚斌
4.地下工程中洞室群开挖顺序优化研究 [J], 许勇;王健
5.拉西瓦水电站地下厂房洞室群分层开挖过程仿真反演分析 [J], 姚显春;李宁;陈莉静;孙宏超;景茂贵
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土木力学知识点总结
土木力学知识点总结一、土木力学的基本概念1.力学的基本原理力学是研究物体运动和静止状态的学科，其中包括静力学和动力学两个方面。
静力学主要研究物体平衡的原理，动力学则研究物体在外力作用下的运动规律。
在土木工程中，力学的基本原理是土木力学的核心内容，它们包括平衡条件、受力分析等。
2.受力分析受力分析是土木力学中非常重要的一部分，它主要研究在不同力的作用下物体所受到的力的分布情况。
受力分析的主要内容包括力的合成、力的分解、力矩的计算等，这些都是土木工程设计和施工中必须掌握的知识。
3.应力和应变在土木工程中，材料因受力而产生的内部相互作用是非常重要的。
应力是表示单位面积上的受力情况，而应变则是表示单位长度上的变形情况。
研究材料的应力和应变是土木力学中的一个重要内容，它涉及到材料力学性质的分析和计算。
4.变形与位移物体在受力作用下会发生变形和位移，这是土木力学研究的另一个重要内容。
变形和位移的研究涉及到材料的弹性和塑性特性，以及变形和位移的计算方法，对土木工程设计和施工具有重要意义。
5.弹性力学弹性力学是研究物体在受力作用下的弹性变形和恢复规律的学科。
在土木工程中，弹性力学是一个非常重要的理论基础，它涉及到材料的弹性模量、泊松比等重要参数，对结构的稳定性和安全性有重要影响。
6.塑性力学塑性力学是研究物体在受力作用下的塑性变形和破坏规律的学科。
在土木工程中，塑性力学对材料的塑性变形特性、破坏机制等进行了深入研究，为工程材料的选取和设计提供了重要依据。
7.结构分析结构分析是土木工程中非常重要的一部分，它主要研究各种结构的受力情况和强度计算。
结构分析包括静力学分析、动力学分析、变形分析等，它是土木工程设计和施工中的关键环节。
8.应用土木力学的应用非常广泛，它涉及到建筑结构、桥梁、隧道、地基基础、水利工程等方面。
通过对土木力学的研究和应用，可以更好地设计和施工各种工程结构，提高工程的安全性和经济性。
二、土木力学的重要知识点1.平衡条件在土木力学中，平衡条件是指物体的受力和受力点之间的关系，它包括静平衡和动平衡两种情况。
土木工程结构力学基本知识解析
土木工程结构力学基本知识解析土木工程结构力学是土木工程中一门重要的基础学科，主要研究各种结构的力学性能和力学行为。
本文将对土木工程结构力学的基本知识进行解析，包括力的基本概念、应力与变形的关系、结构受力分析、应力分析和变形分析等方面的内容。
一、力的基本概念力是物体相互作用的结果，是描述物体受力情况的物理量。
力的基本概念包括力的大小、方向和作用点等要素。
在土木工程中，我们通常关注结构所受到的外力和内力。
外力是作用于结构上的力，包括静力学的重力、支反力以及动力学的风荷载、地震力等。
设计土木工程结构时，需要对这些外力进行合理估计和计算，以保证结构的安全性。
内力是结构内部各点之间相互作用的结果，是力学分析的重要内容。
常见的内力有轴力、剪力和弯矩。
了解结构内部的内力分布情况，可以帮助工程师评估结构的抗力能力，从而优化结构设计。
二、应力与变形的关系应力和变形是结构力学分析中的两个重要概念，它们之间存在密切的关系。
应力是单位面积上的力，是描述结构内部力学行为的物理量。
常见的应力有压应力、拉应力和剪应力。
应力的分布情况会直接影响结构的承载能力和稳定性。
变形是结构在受力作用下发生的尺寸、形状或位置的改变。
结构的变形既包括弹性变形，也包括塑性变形。
弹性变形是结构在受力作用下能够恢复原状的变形，而塑性变形则是结构受力超过其塑性极限时发生的不可恢复的变形。
应力与变形之间的关系可以通过应变来描述。
应变是描述物体变形程度的物理量，可以用应变率表示。
根据材料力学性质的不同，应力与应变之间存在不同的本构关系，如胡克定律等。
三、结构受力分析结构受力分析是土木工程结构设计的基础，它主要研究结构所受到的外力和内力的计算和分析。
在结构受力分析中，首先需要确定结构所受的外力，包括静力学和动力学的作用力。
然后，根据结构的几何形状、材料特性和内力分布等信息，采用静力学、动力学和能力法等方法对结构进行受力分析。
通过受力分析，可以计算出结构各点的内力和应力分布情况。
(完整版)土木工程力学基础.doc
土木工程力学基础（120）一、填空题（共30 分，每空 1 分））1．约束力的方向总是与约束所能阻止的物体的运动趋势的方向。
2．柔体约束的约束特点是只能承受，不能承受。
3．当力与坐标轴垂直时，则力在该坐标轴上的投影为。
4．通常规定转向的力矩为正值；转向的力矩为负值。
5．力的作用线通过矩心时，力矩为。
6．作用在刚体上的力可沿其作用线任意移动，而力对刚体的运动效果。
7．力的 ________、 _________、 _________称为力的三要素，所以说力是________量。
8．固定端既限制物体的__________，又限制物体的 ________。
9．画受力图时，必须根据_______________画约束力。
10．力是物体间 ________，力使物体的 ________发生变化，或者使物体产生__________ 。
11．均布线载荷是指沿构件 ___________方向且在各处大小 __________的分布载荷。
12．物体的平衡状态，是指物体相对于地球____________或做 ____________的状态。
13．水平地面上放着一桶重量为260N 的水，某同学用 140N 的力竖直向上提水桶，这时水桶受到的合力是 _________，地面受到的压力为__________。
14．常见的约束有：、、、链杆、、、七种。
二、判断题 (共 15 分，每题 1 分 )（） 1. 物体的平衡是绝对的平衡。
（） 2. 用扳手拧紧螺母时，用力越大，螺母就越容易拧紧。
（） 3. 力的合成、分解都可用平行四边形法则。
（） 4. 当矩心的位置改变时，会使一个力的力矩大小和正负都可能发生变化。
（） 5. 光滑接触面的约束力方向是沿接触面法线方向而指向物体。
（） 6. 作用于一点上的两个或两个以上的力可以合成作用于一点的一个力。
（） 7. 固定铰链支座的约束力方向一般是固定的。
（） 8. 力的平衡条件是：大小相等，方向相反，作用在同一物体上。
《土木工程力学》目录
阚 翔
目录
引言 第1章 静力学分析基础 章 第2章 力系的平衡问题 章 第3章 平面问题的几何组成分析 章 第4章 静定结构的内力 章 第5章 构件的应力与强度 章 第6章 压杆稳定 章 第7章 静定结构的位移与刚度计算 章 第8章 超静定结构的计算方法 章
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全国高等职业教育力学教学工作委员会 《土木工程力学多媒体教学软件》编制组 编著
机械工业出版社
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主编 宋小壮 副主编 林贤根 易小娟 阚 翔
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全国高等职业教育力学教学工作委员会《土 木工程力学多媒体教学软件》编制组 编制组负责人：宋小壮 撰稿：宋小壮 林贤根 沈青青 周赵凤 图文制作：宋小壮 易小娟 图文编辑：宋小壮
土木工程力学基础(多学时)6工程中常见结构简介
单元66.1 平面结构的几何组成分析6.2 工程中常见静定结构简介6.3 工程中常见超静定结构简介知识要点问题探讨技能训练基础知识： 几何组成分析，常见的静定结构和超静定结构的内力分析。
岗位技能： 工程中多跨梁、刚架、桁架、拱等结构的几何组成分析及其受力特征。
122 / 土木工程力学基础（多学时）土木工程中承受荷载、传递荷载并起骨架作用的部分称为结构。
图6-1所示是一个单层工业厂房承重骨架的示意图，它由屋面板、屋架、吊车梁、柱子及基础等构件组成，每一个构件都起着承受和传递荷载的作用。
如屋面板承受着屋面上的荷载并传递给屋架，再由屋架传递给柱，由柱传递给基础，最后由基础传递给地基。
前面，我们介绍了单个杆件的强度和稳定性问题，本单元将要介绍结构的几何组成规则、结构受力分析的基本知识、不同结构形式的受力特点等问题。
6.1平面结构的几何组成分析一、 几何组成分析的概念图6-2a 所示铰接四边形，不费多少力就可将其变成平行四边形（图6-2b ），这种铰接四边形不能承受任何荷载的作用，当然不能作为建筑结构使用。
如果在铰接四边形中加上一根斜杆（图6-2c ），那么在外力作用下其几何形状就不会改变了。
图6-1图6-2单元6 工程中常见结构简介 / 123从几何组成的观点看，由杆件组成的体系可分为以下两类：（1） 几何不变体系。
在荷载作用下，不考虑材料的应变时，体系的形状和位置是不能改变的（图6-2c ）。
（2） 几何可变体系。
在荷载作用下，不考虑材料的应变时，体系的形状和位置是可以改变的（图6-2a ）。
几何可变体系的实质就是由杆件组成的体系成为一个机构。
如飞机的起落架（图6-3）。
在某一瞬间可以发生微小位移的体系称为瞬变体系，如图6-4所示。
虽然瞬变体系经微小位移位后不再运动，但是有时瞬变体系在受力时会对杆件产生巨大的内力，使构件发生破坏，因此瞬变体系不能作为建筑结构使用。
显然，建筑结构必须是几何不变体系。
记住：建筑结构必须是几何不变体系。
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土木工程分析的施工力学与时变力学基础曹志远(同济大学)摘 要 提出土木工程施工力学分析及其时变力学基础的研究方向,对其基本课题、特征及力学、数学基础与方法作了较为系统阐述,并结合工程实践说明本方向研究重要性与发展前景。
关键词 施工力学 时变力学 土木工程中图分类号:T B12 文献标识码:A文章编号:1000Ο131X(2001)03Ο0041Ο061 土木工程施工力学研究的提出与应用随着国民经济建设的蓬勃发展,各类工程建设规模日益扩大,重大工程项目包括高耸建筑、大跨度建筑、地下建筑、深大基础、高坝、海洋工程等日益增多,它们的共同特点是施工规模大、范围广、周期长、过程复杂。
在土木工程建设规模迅速发展的同时,建筑施工中事故不断增多,严重影响人民生命财产安全及工程建设速度。
据不完全统计,全国建筑工程发生倒塌事故而死亡三人以上的,1991年仅13起,而1992年达31起,1993年47起,1994年近60起,在1995年上半年,仅上海地区就发生事故25起,死亡30人。
据全国近十年357起倒塌事故统计,有78%是在施工中发生,而追究其原因,其中由于设计中未考虑施工过程中诸多因素或对施工过程中复杂与突发情况未进行应有受力分析,占到相当比例。
工程与科学技术的发展,在20世纪已基本解决了工程结构物本身分析的有关方法与技术,并相对成熟。
众所周知,这种分析均基于设计图纸上完整(竣工后)结构物承受所设计(使用)载荷为依据,而由于工程规模日益扩大,建设有一个漫长的施工过程,且日趋复杂、情况多变,这期间有一个逐步变化(包括几何形状与物理特性)的不完整结构(工程)承受不断变化的施工荷载的受力过程。
这种随时间变异的结构与工程分析,无论在理论还是应用上目前仍十分薄弱,而随工程规模扩大,将日显重要。
另一方面,施工过程对环境及周围构筑物的影响与危害的分析及其预测与防治,也随工程规模日趋扩大而引起工程界广泛关注。
诸如打桩、深大基坑开挖、旧居民区内工程建设以及地铁、地下隧道、地下管道与收稿日期:1999Ο06Ο25,收到修改稿日期:2000Ο01Ο20国家自然科学基金、教育部博士点基金资助项目设施的开挖与施工,将严重影响到地面沉降、塌陷、隆起、基坑边坡失稳、道路路面破损、地下已有管道破坏以及已建房屋特别是危房的损坏。
这些问题成为现代城市施工中受到严重关注并急待解决的课题。
综上所述,近代工程建设发展提出一个设计中不但要考虑我们需要设计与建造的工程结构物本身,同时也需涉及其施工与形成过程中,不同阶段中间产物及其动态与相互影响问题,因此施工过程中,结构物及工程介质的分析,形成了与工程建设密切相关的新的工程力学学科分支———施工力学。
施工力学是力学学科与土木工程等工程学科结合的产物。
将涉及固体力学、结构力学、岩土力学、流体力学、计算力学以及结构工程、基础工程、地下工程、水工工程、海洋工程、道桥工程、环境工程等多门学科,需要基础科学与工程科学密切配合与交叉、渗透。
施工力学研究在理论上属学科前沿,反映学科交叉;在应用上与国民经济密切相关,是工程技术发展急待解决,体现科技与经济相结合的一个重要研究方向,其成果将会对全国工程建设以及21世纪发展产生广泛、深远影响。
2 土木工程施工力学研究的基本课题土木工程施工中有一系列科学与技术问题,而与力学分析相关的基本课题可归纳为以下十类:211 在施工载荷作用下,时变结构内力重分配与时空最大值确定结构与工程的施工力学分析与传统的工程设计计算的主要不同在于:一是作用的不是使用(设计)载荷,而是施工载荷,主要包括结构自重、施工材料与设备荷重,开挖力、打桩力以及装配内力与混凝土徐变次内力等,其特点是数值与位置随时间发生变化;二是随施工过程结构形状发生变化,原本静不定结构 第34卷第3期土 木 工 程 学 报V ol134 N o13 2001年6月CHI NA CI VI L E NGI NEERI NGJOURNA L June 2001体系将发生内力重分配。
这两种因素使整个结构在施工过程中,内力具有时空变化特征,每个构件的设计内力要按自身变化,过程中最大值为依据,而其最大值发生时刻,对系统中每个构件来说又是不一样的。
完善的设计计算,应同时考虑常规竣工结构在使用载荷下分析,以及结构施工过程中内力时空变化影响。
212 施工中不完整结构受环境、突发、灾害性载荷的安全度分析施工中结构除上述施工载荷外,还可能遭遇自然灾害(地震、暴风、海浪等)、突发事件(撞击、塌落、断裂等)与工程环境(开挖、打桩、沉降等)因素影响,这时施工结构整体承载能力又远未达到设计水平。
这种动态、随机与多重特性往往给施工结构可靠性分析增加难度。
213 材料刚性、强度特性随时间变异的结构分析及其对结构设计影响施工中有些建筑材料(如混凝土),其刚度与强度随浇筑龄期发生变化,属于物性随时间变异系统。
而且结构(如框剪)或工程(如大坝)是分段分时逐步浇注的,在浇筑下一段的时候,前一段往往尚未达标,因此形成一个由不同物理特性并不断变化的材料组成,加上几何形状与载荷工况又随时间发生变化的复杂力学分析模型,这与常规恒定的结构设计计算模型有很大差异,这种影响是施工力学研究的一个重要方面。
214 施工过程中不同时段非稳定粘性应力场时效叠加效应许多岩土工程的岩土介质具有与时间有关的流变特性(粘性)。
施工过程中前一阶段开挖产生流变尚未达到稳定,又发生新的开挖与流变,因此某时某地的变形状态,是以前不同状态应变场经不同时间间隔流变产生时效叠加,有别于现有恒定工程粘性分析,属于材料时效与几何时变耦联的复杂力学问题。
215 大体积混凝土结构浇筑过程中,不定常温度场与热应力场传播与体积变异耦合效应混凝土浇筑过程还产生热效应。
对于大体积混凝土结构(如重力坝、深大基础等)其浇筑是分段进行,前段热效应未达平衡,即浇筑下一段,会产生不同起始时段、不同热源、对不同体积域传播累加效应,这有别于常规的热传导与热弹性分析,形成非定常热场和应力场与几何时变耦联的新问题。
216 结构与工程介质非线性特性引起施工路径效应大部分土木工程(包括岩土、混凝土等)所用材料均具有本构关系的非线性特性,即材料刚度不是恒值而与当时应力(应变)状态有关,因而不同施工路线,造成某点应力路径不同,故其瞬态刚度路径不同,因而其最终应力状态是不一样的。
因此不同施工路线(不同形状变化过程),即使是同一最后状态(结构或工程形状),但其形成的最终应力场是不一样的,这是非线性材料施工力学所特有的路径效应,也是施工力学研究的新课题。
217 地下与地基工程开挖过程中,地应力扰动与地面沉降规律研究这是施工力学的一个特殊问题。
地下与地基工程的开挖,相对于原始自由场状态,相当于在开挖边缘施加一释放载荷,从而引起地应力扰动与地面沉降。
每一步开挖是前一步应力场释放与扰动,因此开挖中的路线,直接影响到施工中地应力场变异与地面沉降变化规律,这只有通过施工力学分析才能得到的。
218 施工过程对已建构筑物影响、危害及防治的机理与定量研究各类土木工程施工,包括打桩、基坑开挖、隧道的顶管与盾构施工、地下空间结构与地面大型构筑物建造,均会对周围已建构筑物及地下设施产生影响与危害。
主要包括施工引起的地基变形、地面沉降与坑底回弹、震动与噪声、降水与次固结沉降等,这是一个施工过程的力学影响场分析问题。
与这一问题相关联的是,保证地上与地下构筑物安全的地面与地基变形的定量标准研究,这是力学上的反演问题,即由构筑物的安全控制反推地面变形或地下构筑物周围变形的允许值,这才能为安全施工提出可靠、科学的综合定量指标。
219 施工流程与方式的优化从上面一些施工力学课题可以看出,施工过程的力学分析结果,不但和最后竣工对象本身有关,而且和施工作业路线(流程)有密切关系。
选择适当的施工流程,不但会减少施工结构与工程的内力与变形,提高安全度,而且会降低对周围环境的影响,这就存在一个施工流程与方式的优化问题。
施工力学中优化问题,往往不是优化参数与形状,而是优化路线,这在优化领域内是个新课题。
施工力学中优化理论与方法和常规(竣工)结构或工程优化有许多不同,主要前者的设计形状与参数是固定的,变化的是过程;而后者设计的形状与参数是可变的,而过程是不考虑的。
2110 旧构筑物拆迁过程的受力分析与施工原则施工力学是一个力学过程分析。
与其相类似,但过程相反的则是房屋与构筑物拆迁的受力分析。
拆迁的力学分析中,存在许多课题在力学本质上与施工力学相类似,但由于结构材料特性、施工作业方式与方法不同,也有特殊问题需专门加以研究,特别是在施・24・土 木 工 程 学 报2001年工力学理论与实践指导下提出系统、实用的旧构筑物拆迁施工原则。
3 土木工程施工分析的力学、数学基础与方法311 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。
312 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,大都采用数值方法。
313 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。