土木工程分析的施工力學與時變力學基礎解析

張 波

新疆藍天七色建設工程有限公司 新疆 五家渠 831300

引言

由于土木工程施工建設時存在一定的難度與復雜性，施工期間可能會出現安全事故，分析與土木工程有關的施工力學與時變力學知識，能夠讓工程建設更加規范化，進而提升施工安全性。土木工程的安全將直接影響工程質量，只有對土木結構工程施工力學與時變力學做出詳細分析，才能夠實現工程管理制度的改革與升級，延長建筑物使用壽命。

1. 土木工程分析的施工力學研究

1.1 工程安全

與其他工程相比，土木工程施工周期很長，施工時會存在較多不確定影響因素，比如地基下沉、地震等。施工單位在前期準備階段需要對實際情況展開勘查，實地勘查后找出對土木工程有影響的危險因素，隨后針對不同的隱患編制相應的解決方案。施工部門需要對基礎設備進行定期與不定期的檢測，以便了解設備的使用情況，從而構建施工管理體系，保證土木工程的施工力學能夠在規范的操作標準下完成。為了盡可能的保障工程施工質量，施工時需要加強基礎設備管理工作，為設備編制維修與保養計劃。管理部門應聘請技術人才，定期對設備和力學設施進行檢測分析，根據土木工程進度情況控制施工成本，加強對施工力學的有效管理。測量員在施工開始前需將道路邊線、中線施放出來，并做好標記，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，直到工地最后收工。東北地區的土木工程施工建設時，需要考慮到地基施工受凍土層的影響，同時需要對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構帶來影響。西南地區的土木工程多為軟土地質，在施工時需要考慮地下水對地基的侵蝕影響，對土木工程展開防水與排水工作，從而實現對土木工程施工的防患于未然[1]。

1.2 力學基礎

與其他力學相比，土木工程的力學不是指特定的結構，其對象會根據時間與空間的變化而改變。時變力學是施工力學的基礎，人們在研究時會借助研究對象之間具有的共同特點來分析，雖然外部因素會在時間的影響下而變化，但力學內部參數恒定不變。力學在發展中會不斷有新的理論產生，信息技術水平的提升使傳統力學理論無法滿足現代化土木工程的發展。因此，人們在研究土木工程的施工力學時需要關注力學內部參數的變化，為接下來時變力學的研究奠定基礎。

1.3 重力荷載變化

土木工程施工具有動態化特性，施工周期內建筑物重力荷載變化較大，具體表現在兩方面。一方面，混凝土、鋼筋結構等施工材料的增加讓建筑物本身逐漸上升；另一方面，施工過程中建筑內部結構和形狀發生變化，原有的結構所受到的重力荷載被重新分配，建筑結構受到的重力可能不夠均勻。施工力學的應用就是對土木工程構件進行分析，探究不同構件承受的重力荷載，對結構進行調整，避免構件因為承受荷載過大而出現裂縫問題。科學的土木工程設計需要將竣工結構的荷載情況考慮進去，同時對結構施工時內力時空變化影響進行研究。

1.4 材料特性變化

土木工程施工建設時需要使用大量的混凝土與鋼筋框架材料，土木工程的物理強度、剛度會隨著建筑物使用時間的增加而出現變化。不僅如此，土木工程也會受其他因素的影響，導致建筑材料出現特性變化。比如某個建筑內部鋼筋主體框架擁有50年的使用壽命，但受地震災害的影響，墻體已經有了細小的裂縫，降雨天氣下雨水沿著墻體裂縫逐漸深入建筑內部，給鋼筋框架帶來侵蝕影響。久而久之，鋼筋結構的抗剪切力下降，物理強度有所降低，鋼筋框架與建筑本體的使用壽命受到影響。

2. 土木工程中的時變力學分析

2.1 數值方法

施工力學中，關于土木工程的時變力學求解數值可以依靠有限單元法，根據這一方法的自身特點，讓單元集通過增減單元達到解域時變。土木工程施工時，用到的施工材料沒有熱效能，可采用時間變量的方法計算時變力學方程。方程中會有求解偏導項，但時間變量不會對數值產生不良影響，求解方程時只需要將最后的參數轉為時間函數，就能夠得到時變力學方程的數字化結果。時變單元法在解決土木工程解域時變問題時，離散網格的格式不便，可以通過單元大小隨著時間的變化來達到解域時變，以此解決方程奇異問題。在計算時可能會出現數值積分穩定性問題，這時可以使用辛算法解決。拓撲變化法以拓撲學原理為基礎，通過數值手段的應用了解解域隨時間的變化，在無需重復求解方程的基礎上準確得到解域變化結果。

2.2非線性時變力學

如果建筑施工材料主要為混凝土與巖土介質，需根據非線性時變力學的特點展開分析，將非線性時變力學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，將非線性時變力學中存在的問題加以解析，為了避免研究過程中影響施工進度，在計算非線性時變力學時可以采用增量的方法解決問題。也可以結合物性與幾何參數的變化，對增量展開計算與分析[2]。

2.3 對其他建筑物的影響分析

土木工程施工需要經過開挖和打孔等步驟，這些操作可能會對周圍建筑物的地基結構與地下管道結構造成影響。施工時可借助研究對象的幾何參數與時間函數展開施工。實際上，時變力學是一種數學理論，它能夠對時變物體的物理現象展開研究分析，也能夠對物體變量和參數加以研究。土木工程在施工時會面臨較多不確定的因素，導致建筑物重力荷載、建筑內部結構發生變化，原有的重力荷載被分解。研究土木工程的時變力學時，可抓住這一特點或性質解決建筑主體墻面裂縫問題。人們在后期計算時，也會將土木工程竣工結構的重力荷載納入時變力學分析中。

3. 總結

總而言之，無論是施工力學，還是時變力學，在土木工程施工建設中都占據著重要的地位。通過對二者的研究與分析，可有效保障工程施工質量，提高施工效率。隨著我國國民經濟的發展，建筑行業發展規模不斷擴大，人們對土木工程施工安全提出了新的要求，而力學方面也得到了各方的重視，推動了土木工程施工朝著的規范化的方向全面發展。