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      談近代力學思想在土木工程應(yīng)用中存在的困境

      2018-03-23 02:37:38
      山西建筑 2018年21期
      關(guān)鍵詞:客體力學尺度

      趙 正

      (湖北工程學院土木工程學院,湖北 孝感 432100)

      近代力學的系統(tǒng)化起自牛頓于1687年創(chuàng)作的《自然哲學的數(shù)學原理》,而力學作為諸學科的基礎(chǔ),在科學的各個門類都產(chǎn)生了深刻的影響。甚而一度產(chǎn)生一種觀念,但凡理論的最終模式與牛頓力學的表達形式存在相似性,則表示這種理論是正確的,麥克斯韋的電磁學的研究中這種傾向是明顯的[1]。

      力,作為衡量物質(zhì)之間能夠引起相對運動狀態(tài)改變的物理量。而土木工程的核心問題即在于工程系統(tǒng)的受力穩(wěn)定性和工程系統(tǒng)本身力的傳導(dǎo)機制的自洽性。所以力學與土木工程之間存在著本然的聯(lián)系。雖則如是,然則近代以來力學在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用實踐中依然存在著諸多問題。

      本文將著重探討力學在土木工程應(yīng)用中存在的三個困境:

      1)尺度的多樣性及多尺度下力學客體差異性的困境;2)工程系統(tǒng)的整體性和系統(tǒng)破壞的局部性所造成的力學客體選擇困境;3)工程狀態(tài)的發(fā)展和近代動力學的速度層次差異所帶來的困境。

      1 困境的描述

      1.1 尺度的多樣性及多尺度下力學客體的差異性困境

      尺度,一般而言依據(jù)探測研究的手段及其可見性的方式可分為:宏觀尺度、細觀尺度、微觀尺度。

      土木工程作為一種實踐性極強的學科,其材料構(gòu)成可謂種類繁多。從黏土、粉土到粗粒土、礫石、塊石,再到土石混合體、混凝土。其材料的尺度是存在極大差異的。這種差異不僅表現(xiàn)在材料顆粒可見性的差異,且表現(xiàn)在力學影響機制的差異。以混凝土而言,其可見性尺度為宏觀,而影響其受力性能的內(nèi)部裂隙尺度可以發(fā)展到細觀;以黏土為例,其顆??梢娦猿叨葹榧氂^,而對其工程屬性影響顯著的礦物成分屬性可以深入到微觀。即便對于同一種材料而言,其工程屬性尚且受到多個尺度下性狀的影響,對于實際工程實踐中所采用的的混合材料,其工程屬性的研究尺度則更不殫繁復(fù)了。

      而在不同的尺度下,土木工程材料的力學機制是存在差異的。在宏觀角度而言,普遍可以認為是各向同性,但細觀尺度下則表現(xiàn)為各向異性,微觀尺度下則更多的表現(xiàn)出隨機性。

      這種由于尺度的多樣性所導(dǎo)致的力學研究的無序性切實存在,在目前已然成為土木工程學科深入發(fā)展的一大障礙。

      1.2 工程系統(tǒng)的整體性和系統(tǒng)破壞的局部性所造成的力學客體選擇困境

      工程系統(tǒng)的整體性和局部性,這一點是略有些艱深。

      換言之,在土木工程設(shè)計及研究中,工作目標往往是從工程系統(tǒng)的整體性入手。因為工程系統(tǒng)的整體性是其功能實現(xiàn)的基礎(chǔ),而只有能夠發(fā)揮功能的工程才是有價值的。但,頗具嘲諷意味的是,土木工程系統(tǒng)的功能的實現(xiàn)障礙,或者說是功能的滅亡,往往不是從整體開始,而是發(fā)生在局部的。

      不論從高校的工程設(shè)計課本或《規(guī)范》而言,其對于設(shè)計的指導(dǎo)所一貫的思路都是“先滿足整體,后協(xié)調(diào)局部”。這種設(shè)計思想指導(dǎo)下,最終導(dǎo)致我們的設(shè)計人員所設(shè)計的局部,其實只是從系統(tǒng)整體功能實現(xiàn)模型中理論抽象出來的一個計算分項而已。

      這種困境的本質(zhì)是思想的困境,而不僅是方法的困境。

      1.3 工程狀態(tài)的發(fā)展和近代動力學的速度層次差異所帶來的困境

      該條困境是最顯著的。工程狀態(tài)的發(fā)展往往需要數(shù)年乃至數(shù)十年,而在相同的狀態(tài)下采用近代動力學模型往往是不適用的。因為工程狀態(tài)放在數(shù)年乃至數(shù)十年的時間跨度中,是一個動力學問題,而放在一周乃至一秒的時間跨度中,則是一個靜力學問題。而這個差異的來源,是工程狀態(tài)動力發(fā)展的低速性。對這一問題協(xié)調(diào)的一種嘗試是流變學。但將流變學應(yīng)用于土木工程的低速運動問題則是可笑的,在流變學中無論蠕變還是松弛,最終都將實現(xiàn)平衡。而土木工程系統(tǒng)的最終宿命必然是破壞,此論點應(yīng)絕無疑義,一切人類的構(gòu)筑物除卻極少數(shù)用途不明的特例之外,無一存留至今。工程狀態(tài)發(fā)展運動的研究的困境,根本上講是近代力學的局限性所致。

      2 對困境的思考

      2.1 土木工程學科研究對象的有效性問題

      在第1.1節(jié)中的尺度困境。筆者認為,可以用研究對象的有效性來解釋。

      何種研究對象是有效的,我們追本溯源,應(yīng)首先發(fā)掘當今的土木工程學科研究對象的歷史根據(jù)。西方近代學術(shù)潮流源于古代希臘,古代希臘的學術(shù),一言以蔽之,形而上學。形而上學,簡而言之,是從“客體”中提取其“本質(zhì)”,進而升華為理論模型。從自然科學上講,德謨克利特的“原子論”、歐幾里得的“幾何”,乃至牛頓、愛因斯坦的物理理論莫不如此;從社會科學上講,柏拉圖的“理想國”、亞當斯密的《國富論》,乃至達爾文的《物種起源》亦莫不如此。形而上學,必須從一個“客體”實在中,提煉升華出一個模型。用之于土木工程,則黏土、粉土、粗粒土、礫石、塊石等即謂之“客體”,而摩擦角、內(nèi)聚力、彈性模量、變形能等即謂之“本質(zhì)”。

      如果以這種研究方式深入下去,伴隨人類認知范圍的增長,則研究對象將無限增長。南宋陸九淵謂朱子之學“支離”,而所謂的多尺度問題,也是形而上學研究方式所導(dǎo)致的的“支離”之一種。以近代土木工程或近代科學數(shù)百年的發(fā)展來看,這種“支離”已令人不能把握,何況千年乎?萬年乎?永恒乎。因而筆者認為,以這種研究方式所選取的研究對象其實是“無效”的。

      那么有效的研究對象是什么,如果說上述研究對象是無效的,實則是因為這種研究缺乏一個統(tǒng)率其中的綱領(lǐng)。試將形而上學與中國古代哲學對比展開。

      《尚書》曰:“水曰潤下、火曰炎上、木曰曲直、金曰從革、土爰稼穡”。這是中國古代“五行論”的出處??芍?,五行是事物的物種變化方式(行,就是發(fā)展軌跡)。水,物質(zhì)融合;火,物質(zhì)分離;木,物質(zhì)量變;金,物質(zhì)消滅;土,物質(zhì)轉(zhuǎn)化(化生)。由此或可形成一種理論:任何客體的發(fā)展不外乎上述五種方式。而這五種方式,即是綱領(lǐng)。以綱統(tǒng)目,則“客體”均能入我彀中(將“五行論”與“原子論”對比,可顯著發(fā)現(xiàn)兩者差異)。

      故而,筆者認為有效的研究對象,不是“客體”本身,而是“客體”的運化方式。即便以近代科學而言,其能夠獲得較大成就者,如上述所舉,亦不外乎對于客體運化方式的研究。以這種角度看,“多尺度問題”,啻為學術(shù)思想的一種倒退(且不論以觀察手段差異所人為區(qū)分的尺度界限本身即存在一定問題)。

      以上述“有效研究對象”而言,土木工程的研究對象,則應(yīng)當是土木工程系統(tǒng)的運化方式,何為土木工程系統(tǒng)的運化方式,則恕筆者不敢妄言。

      2.2 土木工程理念的思想困境問題

      在1.2中筆者認為“先滿足整體,后協(xié)調(diào)局部”是一種思想困境。這種問題通過與古代建筑的對比可以明顯的覺察到。趙州橋的拱券并列組合設(shè)計思想,即典型的“先局部,后整體”理念。

      對于土木工程系統(tǒng)而言,局部與整體絕不是隸屬關(guān)系,而應(yīng)當是并存關(guān)系。當采用并存理念進行規(guī)劃設(shè)計時,方始能夠?qū)⒕植科茐膶φw功能的影響降至最低,甚而無影響。

      2.3 工程狀態(tài)運動模式問題

      在1.3節(jié)中所揭示的困境,對于土木工程系統(tǒng)的可靠性評價及災(zāi)害預(yù)防是有很大意義的。受限于近代力學思想,目前對于土木工程災(zāi)害預(yù)防的主要有效手段實際上只有實時監(jiān)測一種而已。

      土木工程狀態(tài)是運動的。衡量這種運動模式的途徑,只有對低速運動力學進行創(chuàng)建。以往的物理史觀認為牛頓力學是低速運動狀態(tài)力學模式,這種觀念必須得到糾正。

      筆者對于低速運動力學的創(chuàng)建,有以下幾條設(shè)想:

      1)低速運動是相對的。在量子力學中,物質(zhì)內(nèi)部的電子無時不在高速運動。在有溫度存在條件下,物質(zhì)內(nèi)部分子亦呈現(xiàn)無序的高速熱運動。而低速運動可能是基于對物質(zhì)內(nèi)部粒子運動邊界條件的一種概率說明。

      2)低速運動就當前的認知局限而言,也是存在“尺度”的。而運動作為一種物質(zhì)發(fā)展的衡量方式,其對于“尺度”間的貫通具有獨特的優(yōu)勢。因而低速運動模型的理論創(chuàng)造,實際上能夠?qū)ν聊竟こ虒W科涉及的“多尺度問題”形成最終解釋。

      3 結(jié)論

      本文通過對力學思想在土木工程應(yīng)用中的困境的分析和思考,主要得到以下結(jié)論:1)土木工程學科的發(fā)展,取決于對其研究對象的進一步考量。傳統(tǒng)的研究對象,從較長的時間尺度上講,是無效的。2)工程設(shè)計思想,應(yīng)當突破固有的“先整體,后局部”慣性。整體與局部應(yīng)當是并存關(guān)系。3)土木工程學科的精確化,必然涉及到低速運動力學模型的構(gòu)建。

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