...家规划新教材 土木工程力学基础多学时
宋健
[摘 要]国家经济的迅速发展，推动了各行各业的发展，同时也促进了工程与科学技术的融合与发展。由于实际的土木工程一般规模较大，涉及的方面较广，复杂程度较高，因此给施工现场的管理增加了困难，导致容易出现安全和质量问题。通过进行施工力学和时变力学的分析，对于进一步规范土木工程的施工具有很好的作用。
[关键词]土木工程；施工力学；时变力学；基础
中图分类号：TU262 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0170-01
引言
人们对建筑的规模和质量的要求逐渐增高，但是实际上工程建设方面仍然存在很多问题。在目前的土木工程施工过程中，普遍缺乏力学分析和设计工作，这就不能很好的降低施工过程中可能出现的安全问题出现的概率。因此，本文就施工力学与时变力学基础展开分析，希望能够推动土木丁程分析的规范化和科学化发展，确保土木工程的安全性。
1 土木工程分析中的施工力学
1.1 力学分析数学基础
对工程力学的分析过程需要运用一定的数学知识，特别是涉及到地基结构参数、围岩参数、形状参数或者边界参数等内容时，都需要运用数学知识加以解决。通过将实际工程的分析方式数学化处理，列出相关的数学计算公式，引入未知参数和边值条件，来辅助完成力学分析。
时变数学也是一种数学基础理论，它是结合时间变量和空间变量，通过建立时变数学内容，形成的与时变物理相对应的数学基础理论。因此要对变系数的偏微分方程进行数值化转化为变系数的常微分方程组，再进行研讨。通过将这种运算方法运用到实际的施工建设中，结合相应的数学运算方式，可以有效地解决工程过程中遇到的困难。
1.2 土木工程施工分析中的力学效应
力学效应在土木工程施工过程中可以概括为路效和时效两种。下面分别就这两个方面进行分析描述。1）路效：简单来讲，路效就是由于施工前期以及施工过程中相关环节的不同，而产生的不同的力学状态，一般施工方案、施工结构、施工力学以及材料的几何性质等的不同都有可能产生这种差异；2）时效：时效也是一种力学状态差异的描述，施工中产生力学状态的原因可能是因为施工方案的不同，导致对后期的施工力学作用产生不同的影响，进而影响力学状态，通常影响因素主要包括建筑材料的粘性、建筑结构的热传导等因素，他们的具体差异性就很可能引发施工力学随着时间的变化而变化。
2 土木工程分析中的时变力学
2.1 物性时变力学
施工材料会受到周边环境的变化影响，主要是体现在物理性质方面的变化。例如混凝土的变化就可以将其施工分析过程称作属物性时变力学。一般在进行分析的时候会引进部分参数，我们称这些参数为时间函数，涉及的方程也可以概括为粘弹性、非線性、线弹性以及热弹性力学方程。
2.2 非线性时变力学
在进行土木工程施工的过程中，如果对混凝土、岩土介质等进行分析，就需要运用非线性时变力学分析，这种分析方法是针对材料的非线性特点展开的，通过对其进行非线性时变力学计算，同时还要考虑加载过程、物理参数等因素的影响，并采用变系数非线性偏微分方程式得出相应的计算结果。
2.3 粘弹性时变力学
时间的变化关系着施工材料的流变特性，我们将这种施工分析方式称作粘弹性时变力学。这种方法将时间因素和几何域或物理参数进行联系结合，进而建立变力学基本方程。一般三维体的粘弹性时变力学基本方程为：
提出两类解析方法：一类采用增量迭加法直接在时域积分，主要用于积分型本构关系；另一类根据粘弹性时变力学对应性原理，由非时变弹性力学解，直接给出时变粘弹性力学解拉普拉斯变换一般形式，然后进行拉普拉斯逆变换。用一般有限元法求解粘弹性时变力学，经离散化后的基本算式为：
2.4 时变动力学
如果施工过程物理或几何参数快速发生变化，已经和系统自振周期和外载变化周期接近，那么就要对惯性力加以计算，该问题便属于时变动力学。
3 土木工程施工分析的力学、数学基础与方法
3.1 土木工程施工分析的数学基础
施工过程分析研究对象的几何参数、物理参数、边界参数是时间函数，因此其控制方程为变系数微分方程（组）或时变边值条件，属时变数学范畴。时变数学是研究时变体物理现象的数学理论，同时含有物体空间变量及参数时变的时间变量，故将主要探讨变系数偏微分方程或通过数值化后形成的变系数常微分方程组。一般“数理方程”是研究描述物理现象的偏微分方程，得到解析解也十分有限；而“时变数学”研究的变系数偏微分方程在数学上求解变得十分困难，通过综合对比上述集中数学计算方法，对比其实用性和计算简单性，最终采用数值方法。
3.2 土木工程施工分析的力学基础
传统的工程设计分析对象为恒定结构物，与经典力学相对应。而施工力学的主要特征，在于研究对象随时间发生变化，其力学基础为时变力学。近代科学技术的迅速发展，要求研究内部参数随时间变异的物体的力学现象与规律，形成一门新的时变力学学科分支。时变力学是重大工程施工分析、高新技术器件工艺分析、时变机械动力分析的共同力学基础。土木工程施工分析将涉及线弹性时变力学、粘弹性时变力学、非线性时变力学、热弹性时变力学、物性时变力学等学科分支。
3.3 土木工程施工力学分析的数值方法
土木工程施工力学及相应时变力学、时变数学的数值化求解是一个重要手段。施工力学问题通过数值方法建立的离散化方程组中刚度阵、质量阵、阻尼阵以及热刚阵等运算矩阵中，元素不再为常系数而是时间变量函数，存在时域数值积分的稳定性与收敛性等一系列新问题，是一般计算力学所未遇见的，因此形成“计算时变力学”新分支。
结语
土木工程的施工力学分析是涉及计算内容较复杂的过程，进行施工力学以及时变力学分析也是进行力学分析的重要环节。通过深入开展这一分析，可以实现工程质量的提高和施工安全的保障。因此，要积极进行该方面的研究，顺应我国经济发展的大趋势，提高建筑工程的质量和安全性，实现其科学、合理的发展。
参考文献
[1] 张海兵，陆林凤.解析土木工程分析的施工力学与时变力学基础[J].中华民居（下旬刊），2014，01：228+231.
[2] 张伟.基于土木工程分析的施工力学与时变力学基础[J].黑龙江科技信息，2016，25：219.
[3] 田锋.关于土木工程力学分析中的施工力学及时变力学基础讨论[J].门窗，2016，09：237.
