針對土木工程學科計算方法的思考

陳世錦

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

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

1 概述

科學的概念不同于技術(shù)和工程，科學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)用科學的知識以及技術(shù)的手段來滿足社會需求的一種有創(chuàng)造力建設(shè)實踐，注重有創(chuàng)新力的實踐。土木工程學科是工程領(lǐng)域內(nèi)的一門學科，注重理論與實際應(yīng)用的結(jié)合，采用量化的計算方法進行設(shè)計。由于現(xiàn)實條件的復(fù)雜性，各種因素的綜合作用，實際結(jié)構(gòu)的受力往往很復(fù)雜，完全按照實際結(jié)構(gòu)的工作和受力狀態(tài)進行分析，困難比較大，同時為了方便工程師的實際應(yīng)用，簡化是必不可少的。和處理其他的問題一樣，抓住主要的矛盾，忽略次要的矛盾，往往能取得經(jīng)濟、實用而不失精確的結(jié)果。

2 各門課程中的分析方法

1、理論力學課程中，研究運動時采用質(zhì)點假設(shè)；研究物體間機械運動的相互限制時采用理想約束假設(shè)；研究外力平衡分析時，采用剛體假設(shè)；研究內(nèi)力平衡分析時采用彈性體假設(shè)。

2、材料力學課程中，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)原來無應(yīng)力狀態(tài)。基于以上才會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度。②斜截面受剪承載力計算時假設(shè)剪壓破壞時斜截面的力由混凝土、箍筋、彎筋承擔；破壞時與斜裂縫相交的鋼筋達到屈服強度。受扭承載力計算時采用基于理想彈性理論和理想塑性理論的實用計算方法。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度。由于混凝土是一種復(fù)合材料，不同于材料力學中的單一材料，因此，混凝土結(jié)構(gòu)的計算假設(shè)有不同于材料力學的地方，是考慮理論與實驗的差異而提出來的，使計算結(jié)果能正確反映實際情況。

5、土力學課程中，達西定律中假設(shè)滲透為層流；土樣為各向同性。計算地基應(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。地基沉降計算中假定土中固體顆粒和水的壓縮量可以忽略不計，采用側(cè)限壓縮實驗的結(jié)果計算。地基臨界荷載計算中假設(shè)土為均質(zhì)土等。地基承載力計算中假定滑裂面的形狀為已知，再進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，計算結(jié)果往往和實際的實驗結(jié)果相差比較大，此時要做必要的修正，這往往涉及到工程經(jīng)驗和對計算方法的透徹理解。

6、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計課程中，梁板結(jié)構(gòu)設(shè)計時假設(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)力重分布理論計算，再考慮實際情況作內(nèi)力調(diào)整。排架柱計算中假設(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限剛性鏈桿。多高層框架結(jié)構(gòu)中計算水平作用力效應(yīng)采用分層法，假定框架無側(cè)移，梁上的荷載對其他各層梁的影響很小，可以忽略不計。反彎點法假設(shè)除底層外各層柱上下端轉(zhuǎn)角相同，反彎點的位置固定不變，通過調(diào)整傳遞系數(shù)和反彎點高度調(diào)整計算結(jié)果。

7、基礎(chǔ)工程課程中的設(shè)計方法大部分沿用了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論，因此兩者的基本假設(shè)有相同的地方；彈性力學課程采用的是固體力學的彈性理論和假設(shè)；砌體結(jié)構(gòu)課程中使用了基于實驗和強度理論的計算方法；鋼結(jié)構(gòu)課程中因為鋼結(jié)構(gòu)的性質(zhì)基本符合材料力學的假定，因此沿用了大部分材料力學的假設(shè)；結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程中針對多高層混凝土結(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)計方法分析，再按各自的設(shè)計準則，對內(nèi)力進行調(diào)整，進行截面設(shè)計。

3 結(jié)論

深刻理解各種分析和設(shè)計方法的基本假設(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題，才能對結(jié)構(gòu)的受力原理透徹理解，不為計算方法和計算結(jié)果束縛。各種計算方法作為現(xiàn)實的一種抽象，一種模型，和實際有差別是難免的，因此有必要根據(jù)工程實際經(jīng)驗和基本原理對計算結(jié)果進行修正?！跋燃僭O(shè)計算，后修正結(jié)果”已成為工程應(yīng)用的一種理論緊密聯(lián)系和反映實際的方法。

同時，作為專業(yè)知識的學習者，要特別注意每一種方法的適用范圍和基本假設(shè)，學習的過程中要懂得研究每一條假設(shè)運用在計算的哪一個地方，哪一個步驟，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，有沒有替代性，同時認識到其局限性，探究忽略其它因素對計算和分析結(jié)果造成的影響有多大，可以通過查找文獻等途徑增加對基本理論的理解，這樣能加深對基本原理和基本方法的理解。以上是通過探究性的學習方法加深理解，增加知識的研度、深度和廣度。

參考文獻：

[1]哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學[M].6版.北京：高等教育出版社，2002.8

[2]杜云海.材料力學[M].鄭州：鄭州大學出版社，2012.2

[3]朱慈勉，張偉平等.結(jié)構(gòu)力學[M].2版.北京：高等教育出版社，2011.11

[4]劉立新，葉燕華等.混凝土結(jié)構(gòu)原理[M].2版.武漢：武漢理工大學出版社，2015.12

[5]劉忠玉等.土力學[M].北京：中國電力出版社，2013.12

[6]沈蒲生，梁興文等.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].4版.北京：高等教育出版社，2014.3

[7]羅福午等.土木工程（專業(yè)）概論[M].4版.武漢：武漢理工大學出版社，2014.8

（作者單位：鄭州大學 土木工程學院）