土木工程分析的施工力学与时变力学基础解析

张 波

新疆蓝天七色建设工程有限公司 新疆 五家渠 831300

引言

由于土木工程施工建设时存在一定的难度与复杂性，施工期间可能会出现安全事故，分析与土木工程有关的施工力学与时变力学知识，能够让工程建设更加规范化，进而提升施工安全性。土木工程的安全将直接影响工程质量，只有对土木结构工程施工力学与时变力学做出详细分析，才能够实现工程管理制度的改革与升级，延长建筑物使用寿命。

1. 土木工程分析的施工力学研究

1.1 工程安全

与其他工程相比，土木工程施工周期很长，施工时会存在较多不确定影响因素，比如地基下沉、地震等。施工单位在前期准备阶段需要对实际情况展开勘查，实地勘查后找出对土木工程有影响的危险因素，随后针对不同的隐患编制相应的解决方案。施工部门需要对基础设备进行定期与不定期的检测，以便了解设备的使用情况，从而构建施工管理体系，保证土木工程的施工力学能够在规范的操作标准下完成。为了尽可能的保障工程施工质量，施工时需要加强基础设备管理工作，为设备编制维修与保养计划。管理部门应聘请技术人才，定期对设备和力学设施进行检测分析，根据土木工程进度情况控制施工成本，加强对施工力学的有效管理。测量员在施工开始前需将道路边线、中线施放出来，并做好标记，此后土方开挖过程中步步跟随控制开挖深度。开挖一段，放量一段，再开挖一段，如此反复，直到工地最后收工。东北地区的土木工程施工建设时，需要考虑到地基施工受冻土层的影响，同时需要对地基采取一定的加固措施，避免冻土层因周期性冻融而给工程结构带来影响。西南地区的土木工程多为软土地质，在施工时需要考虑地下水对地基的侵蚀影响，对土木工程展开防水与排水工作，从而实现对土木工程施工的防患于未然[1]。

1.2 力学基础

与其他力学相比，土木工程的力学不是指特定的结构，其对象会根据时间与空间的变化而改变。时变力学是施工力学的基础，人们在研究时会借助研究对象之间具有的共同特点来分析，虽然外部因素会在时间的影响下而变化，但力学内部参数恒定不变。力学在发展中会不断有新的理论产生，信息技术水平的提升使传统力学理论无法满足现代化土木工程的发展。因此，人们在研究土木工程的施工力学时需要关注力学内部参数的变化，为接下来时变力学的研究奠定基础。

1.3 重力荷载变化

土木工程施工具有动态化特性，施工周期内建筑物重力荷载变化较大，具体表现在两方面。一方面，混凝土、钢筋结构等施工材料的增加让建筑物本身逐渐上升；另一方面，施工过程中建筑内部结构和形状发生变化，原有的结构所受到的重力荷载被重新分配，建筑结构受到的重力可能不够均匀。施工力学的应用就是对土木工程构件进行分析，探究不同构件承受的重力荷载，对结构进行调整，避免构件因为承受荷载过大而出现裂缝问题。科学的土木工程设计需要将竣工结构的荷载情况考虑进去，同时对结构施工时内力时空变化影响进行研究。

1.4 材料特性变化

土木工程施工建设时需要使用大量的混凝土与钢筋框架材料，土木工程的物理强度、刚度会随着建筑物使用时间的增加而出现变化。不仅如此，土木工程也会受其他因素的影响，导致建筑材料出现特性变化。比如某个建筑内部钢筋主体框架拥有50年的使用寿命，但受地震灾害的影响，墙体已经有了细小的裂缝，降雨天气下雨水沿着墙体裂缝逐渐深入建筑内部，给钢筋框架带来侵蚀影响。久而久之，钢筋结构的抗剪切力下降，物理强度有所降低，钢筋框架与建筑本体的使用寿命受到影响。

2. 土木工程中的时变力学分析

2.1 数值方法

施工力学中，关于土木工程的时变力学求解数值可以依靠有限单元法，根据这一方法的自身特点，让单元集通过增减单元达到解域时变。土木工程施工时，用到的施工材料没有热效能，可采用时间变量的方法计算时变力学方程。方程中会有求解偏导项，但时间变量不会对数值产生不良影响，求解方程时只需要将最后的参数转为时间函数，就能够得到时变力学方程的数字化结果。时变单元法在解决土木工程解域时变问题时，离散网格的格式不便，可以通过单元大小随着时间的变化来达到解域时变，以此解决方程奇异问题。在计算时可能会出现数值积分稳定性问题，这时可以使用辛算法解决。拓扑变化法以拓扑学原理为基础，通过数值手段的应用了解解域随时间的变化，在无需重复求解方程的基础上准确得到解域变化结果。

2.2非线性时变力学

如果建筑施工材料主要为混凝土与岩土介质，需根据非线性时变力学的特点展开分析，将非线性时变力学的研究范畴具体确定。非线性中包含了几何、物性、边界非线性三类，将非线性时变力学中存在的问题加以解析，为了避免研究过程中影响施工进度，在计算非线性时变力学时可以采用增量的方法解决问题。也可以结合物性与几何参数的变化，对增量展开计算与分析[2]。

2.3 对其他建筑物的影响分析

土木工程施工需要经过开挖和打孔等步骤，这些操作可能会对周围建筑物的地基结构与地下管道结构造成影响。施工时可借助研究对象的几何参数与时间函数展开施工。实际上，时变力学是一种数学理论，它能够对时变物体的物理现象展开研究分析，也能够对物体变量和参数加以研究。土木工程在施工时会面临较多不确定的因素，导致建筑物重力荷载、建筑内部结构发生变化，原有的重力荷载被分解。研究土木工程的时变力学时，可抓住这一特点或性质解决建筑主体墙面裂缝问题。人们在后期计算时，也会将土木工程竣工结构的重力荷载纳入时变力学分析中。

3. 总结

总而言之，无论是施工力学，还是时变力学，在土木工程施工建设中都占据着重要的地位。通过对二者的研究与分析，可有效保障工程施工质量，提高施工效率。随着我国国民经济的发展，建筑行业发展规模不断扩大，人们对土木工程施工安全提出了新的要求，而力学方面也得到了各方的重视，推动了土木工程施工朝着的规范化的方向全面发展。