針對(duì)土木工程學(xué)科計(jì)算方法的思考

陳世錦

摘要 本文通過(guò)總結(jié)土木工程學(xué)科的各種計(jì)算方法，提出了一個(gè)觀點(diǎn)：土木工程是一門基于“假設(shè)”的學(xué)科。文中分析了各課程中運(yùn)用的分析方法，并總結(jié)了其基本假設(shè)，以便能在工程實(shí)踐中對(duì)癥下藥，靈活運(yùn)用各種分析計(jì)算方法，并熟知其局限性及適用范圍。

關(guān)鍵詞 土木工程學(xué)科；分析方法；基本假設(shè)；分析結(jié)果調(diào)整

1 概述

科學(xué)的概念不同于技術(shù)和工程，科學(xué)注重探究事物的客觀規(guī)律，以發(fā)現(xiàn)為主；技術(shù)解決應(yīng)用的問(wèn)題，主要任務(wù)是利用和改造自然；工程作為開發(fā)和應(yīng)用科學(xué)的知識(shí)以及技術(shù)的手段來(lái)滿足社會(huì)需求的一種有創(chuàng)造力建設(shè)實(shí)踐，注重有創(chuàng)新力的實(shí)踐。土木工程學(xué)科是工程領(lǐng)域內(nèi)的一門學(xué)科，注重理論與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，采用量化的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于現(xiàn)實(shí)條件的復(fù)雜性，各種因素的綜合作用，實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力往往很復(fù)雜，完全按照實(shí)際結(jié)構(gòu)的工作和受力狀態(tài)進(jìn)行分析，困難比較大，同時(shí)為了方便工程師的實(shí)際應(yīng)用，簡(jiǎn)化是必不可少的。和處理其他的問(wèn)題一樣，抓住主要的矛盾，忽略次要的矛盾，往往能取得經(jīng)濟(jì)、實(shí)用而不失精確的結(jié)果。

2 各門課程中的分析方法

1、理論力學(xué)課程中，研究運(yùn)動(dòng)時(shí)采用質(zhì)點(diǎn)假設(shè)；研究物體間機(jī)械運(yùn)動(dòng)的相互限制時(shí)采用理想約束假設(shè)；研究外力平衡分析時(shí)，采用剛體假設(shè)；研究?jī)?nèi)力平衡分析時(shí)采用彈性體假設(shè)。

2、材料力學(xué)課程中，其所有的研究理論和方法都基于以下假設(shè)：連續(xù)性假設(shè)；小變形假設(shè)；均勻性假設(shè)；各向同性假設(shè)。桿件的內(nèi)力便可以通過(guò)平衡條件和變形協(xié)調(diào)及物理的本構(gòu)關(guān)系求解，變形可以使用積分法求解。

3、結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中，基本假設(shè)：結(jié)構(gòu)體在任何情況下保持連續(xù)；材料符合胡克定律；外部作用消失后構(gòu)件恢復(fù)原來(lái)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。基于以上才會(huì)有線彈性體的疊加原理，內(nèi)力和變形都可以疊加。求解變形的圖乘法，求解內(nèi)力的位移法、力矩分配法和位移法，都是建立在以上的假設(shè)。

4、混凝土結(jié)構(gòu)原理課程中，①受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算中基本假定：平截面假定，即截面彎曲變形后，截面平均應(yīng)變保持為平面；混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用拋物線上升段和水平直線段表示；鋼筋受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用理想彈性和理想塑性的雙直線表示；混凝土開裂后不考慮其抗拉強(qiáng)度。②斜截面受剪承載力計(jì)算時(shí)假設(shè)剪壓破壞時(shí)斜截面的力由混凝土、箍筋、彎筋承擔(dān)；破壞時(shí)與斜裂縫相交的鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度。受扭承載力計(jì)算時(shí)采用基于理想彈性理論和理想塑性理論的實(shí)用計(jì)算方法。其中最基本的是鋼筋的理想彈塑性假設(shè)和不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度。由于混凝土是一種復(fù)合材料，不同于材料力學(xué)中的單一材料，因此，混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算假設(shè)有不同于材料力學(xué)的地方，是考慮理論與實(shí)驗(yàn)的差異而提出來(lái)的，使計(jì)算結(jié)果能正確反映實(shí)際情況。

5、土力學(xué)課程中，達(dá)西定律中假設(shè)滲透為層流；土樣為各向同性。計(jì)算地基應(yīng)力中假設(shè)地基土為均勻、連續(xù)、各向同性的空間線性變形體，利用彈性理論求解。地基沉降計(jì)算中假定土中固體顆粒和水的壓縮量可以忽略不計(jì)，采用側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)的結(jié)果計(jì)算。地基臨界荷載計(jì)算中假設(shè)土為均質(zhì)土等。地基承載力計(jì)算中假定滑裂面的形狀為已知，再進(jìn)一步忽略基底摩擦力等因素，然后根據(jù)土體的靜力極限平衡條件求解。由于土的工程復(fù)雜性，計(jì)算結(jié)果往往和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差比較大，此時(shí)要做必要的修正，這往往涉及到工程經(jīng)驗(yàn)和對(duì)計(jì)算方法的透徹理解。

6、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程中，梁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)梁板為彈性體，支座按鉸支座或滾軸支座處理，根據(jù)受力情況分為單向板或雙向板，按彈性理論或者塑性內(nèi)力重分布理論計(jì)算，再考慮實(shí)際情況作內(nèi)力調(diào)整。排架柱計(jì)算中假設(shè)柱下端剛接于基礎(chǔ)，上端鉸接于屋架，且橫向屋架為一軸向無(wú)限剛性鏈桿。多高層框架結(jié)構(gòu)中計(jì)算水平作用力效應(yīng)采用分層法，假定框架無(wú)側(cè)移，梁上的荷載對(duì)其他各層梁的影響很小，可以忽略不計(jì)。反彎點(diǎn)法假設(shè)除底層外各層柱上下端轉(zhuǎn)角相同，反彎點(diǎn)的位置固定不變，通過(guò)調(diào)整傳遞系數(shù)和反彎點(diǎn)高度調(diào)整計(jì)算結(jié)果。

7、基礎(chǔ)工程課程中的設(shè)計(jì)方法大部分沿用了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論，因此兩者的基本假設(shè)有相同的地方；彈性力學(xué)課程采用的是固體力學(xué)的彈性理論和假設(shè)；砌體結(jié)構(gòu)課程中使用了基于實(shí)驗(yàn)和強(qiáng)度理論的計(jì)算方法；鋼結(jié)構(gòu)課程中因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)的性質(zhì)基本符合材料力學(xué)的假定，因此沿用了大部分材料力學(xué)的假設(shè)；結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程中針對(duì)多高層混凝土結(jié)構(gòu)、多層砌體房屋、多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋、單層工業(yè)廠房等不同的結(jié)構(gòu)類型，分別使用基于各自的非抗震設(shè)計(jì)方法分析，再按各自的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

深刻理解各種分析和設(shè)計(jì)方法的基本假設(shè)、適用范圍和限制條件，是概念分析的基礎(chǔ)，只有掌握最基本的概念性問(wèn)題，才能對(duì)結(jié)構(gòu)的受力原理透徹理解，不為計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果束縛。各種計(jì)算方法作為現(xiàn)實(shí)的一種抽象，一種模型，和實(shí)際有差別是難免的，因此有必要根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和基本原理對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。“先假設(shè)計(jì)算，后修正結(jié)果”已成為工程應(yīng)用的一種理論緊密聯(lián)系和反映實(shí)際的方法。

同時(shí)，作為專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)者，要特別注意每一種方法的適用范圍和基本假設(shè)，學(xué)習(xí)的過(guò)程中要懂得研究每一條假設(shè)運(yùn)用在計(jì)算的哪一個(gè)地方，哪一個(gè)步驟，而且要懂得斟酌為什么要采用該條假設(shè)，缺少它是否可行，有沒(méi)有替代性，同時(shí)認(rèn)識(shí)到其局限性，探究忽略其它因素對(duì)計(jì)算和分析結(jié)果造成的影響有多大，可以通過(guò)查找文獻(xiàn)等途徑增加對(duì)基本理論的理解，這樣能加深對(duì)基本原理和基本方法的理解。以上是通過(guò)探究性的學(xué)習(xí)方法加深理解，增加知識(shí)的研度、深度和廣度。

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（作者單位：鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院）