| 单词 | 土建结构中的计算力学 |
| 释义 | 【土建结构中的计算力学】 随着计算机的发展与普及，计算力学在土建结构工程中获得了广泛的应用，引起的变化有以下几个方面： 1．使结构分析可以按较精确的模型分析。过去为了便于计算，往往对结构作出过多的简化假定，分析结果显然是粗略的。计算力学的应用，则可按比较符合实际的、较精细的模型进行分析，大大提高了计算的精确度。2．大型结构的整体分析。过去限于条件，对于大型土建结构如大跨桥梁、高耸建筑、海洋平台、水库大坝等很难进行整体的分析，往往将其分解为许多便于计算的“平面结构”，或者在宏观上看成“梁”、“桁架”、“拱”等易于分析的结构进行估算，然后对组成结构的构件进行设计。计算力学的发展为这种大型、复杂结构的整体分析提供了有力的工具，为结构的合理设计创造了条件。3．使设计人员从繁重的计算中解放出来，把人的智慧真正用于“设计”。过去，设计人员的工作时间大部分用于简单的重复计算，设计人员或者没有精力与时间进行多种方案的比较，或者对于某些新型结构无分析手段而不能判断其优劣，难于对传统形式的结构进行改革或创新，极大地限制了设计人员的创造精神。计算力学的方法与计算机工具的普及，大大减轻了设计人员的劳动强度，并提高了对各种复杂结构的分析能力，从而使设计人员能进行多方案的比较，为新型结构的发展开辟了广阔的前景，促进了传统工程结构形式的更新。4．对岩土、混凝土等土建工程中广泛采用的结构材料，由于其组成的复杂性产生了力学性能的特殊性，传统的解析方法很难作出切合实际的分析甚至难以应用。因而，长期以来，工程师大多依赖由实验得出的经验公式来计算破坏荷载，或者套用弹性体力学分析估计。这均与实际结构受力相差很大，因而不得不采用较大的“安全系数”。计算力学的应用则可结合这类材料的特殊的本构关系，对结构受力全过程进行分析，对结构受力过程中的应力分布、变形发展、因非线性变形与裂缝的发展而产生的应力重分布和极限荷载得到较准确的解答。这对结构可靠性的保证、材料的合理利用有很大的作用。5．CAD在士建工程中得到了广泛的应用和飞速的发展。CAD技术的核心内容是结构分析与图形显示，合理而高效的算法为结构的程序化、自动化创造了条件，为CAD核心部分运行的可靠性和高效率提供保障。6．以往土建工程结构的设计分析主要是针对已经建好的完整结构在使用荷载下的反应分析。采用了计算力学方法以后，可以考虑建造全过程的反应分析。例如，大坝的分段分期施工，洞体的分段分层开挖，高层建筑的分层建造，均可按施工顺序及施工时的实际情况进行全过程的仿真反应分析，从而可保证结构建造全过程的可靠性，并可指导选用合理的施工方案。7．与时间有关的结构动力分析，如短时冲击作用、行车脉动载荷、地震作用等反应分析，在相当长的时间内一直采用等效静载法分析，而计算力学中已有多种直接动力法可用于结构的动力反应分析，可得到随时间变化的各种参数，大大提高了动力设计的精度和可靠性。8．以往的“设计”，很大程度上是一种“验算”，因为它往往是对预先选定的结构进行计算，若满足规定的数值限制，就通过；否则就局部修改构件尺寸，还很难说得上是创新意义上的“设计”。这种状态已随着计算力学的发展与应用而开始改变，各种优化方法，自动控制中的控制技术，人工智能中的专家已经开始与结构工程相结合，取得了不少有意义的成果。9．在结构工程中，常常遇到反问题。如地下工程中测得某些点的位移与变形要求测算岩体压力；测得某些地面点的变形(或位移)与应力，要求预测地震发生的可能性与烈度；对已有建筑物发生破坏性事故后要评价其造成事故的原因等。这些问题都很复杂，不借助于计算力学很难得到满意的结果。10．由于计算力学方法的适应性及互通性很强，使得多介质组成的结构大系统的分析成为可能。近几十年来，基础与上部结构的共同作用，坝体与基岩、水波的共同作用，风流、水流与结构物(与桥梁、海上平台、塔桅结构)的耦合振动等均取得了令人注目的成果。11．工程结构的试验仿真取得了很大的进展。以往对新型结构的采用或对于复杂结构的性能无把握时，都借助于模型试验。实验工作是费工费时，又是劳动强度大的工作，而且往往受到试验设备、场地的限制，并且因经济上的考虑，难以做足尺试验，其精度受到制约。基于计算力学、数值模型和计算机图形技术相结合而发展起来的试验仿真则可以克服上述缺点。目前这种仿真已完全可以取代光弹性试验和有机玻璃模型试验。在钢筋混凝土裂缝发展、破坏过程的模拟，高层建筑结构在地震作用下非线性反应的动态模拟，地下结构洞体塌方模拟均取得了可喜成果。由于计算机仿真省工、省时，且不受时间和环境的限制，便于参数研究，因而很有应用前景，目前还在迅速发展中。与航空、机械、船舶等结构相比，土建结构有其特殊性。这主要是由于组成土建结构材料本构关系的特殊性，土建结构总是有地基基础与土体相联的广延性和土建材料的多相性与不连续性等。这些特殊性质给计算力学的应用提出了新问题，也促进了计算力学的发展。为了按非线性弹性理论的框架来建立混凝土、岩土材料的本构关系，用等效的一维6－ε关系，采用某种非线性变形的指标来推广用于三维应力状态得到了广泛而成功的应用。在古典强度理论的基础上，基于三轴强度试验，许多关于岩土和混凝土的破坏准则被提出来了，这大大丰富了材料的强度理论。在将塑性力学应用于岩土工程与混凝土结构时，发展了符合土建材料的椭圆屈服面、双屈服面、帽盒屈服模型等，并丰富了非关联的流动法则、混合硬化法则的应用。此外，统一弹性、非弹性和塑性、徐变等变形的内时理论，在混凝土及岩土工程中得到了成功的应用。为解决土建非金属材料抗拉强度较低的问题，发展了无拉力的应力分析，等效断裂变形、损坏积累等方法。针对混凝土裂缝的特性，关于虚拟裂缝，多裂缝相互影响，随机裂缝的统计性等计算断裂力学方法得到了很大的发展。在数值方法方面，为了解决岩体的节理、裂隙问题，美国学者首先提出了节理单元；对于模拟钢筋与混凝土之间的粘结滑移作用，有的学者建议了无几何尺寸的双弹簧单元；还有对混凝土裂缝有虚拟裂缝单元，弥散裂缝单元的应用等。这些单元的提出和应用，对其它接触问题或界面问题的分析也是很有作用的。针对土建结构的地基有无限伸展的性质，除边界单元外，无限单元也得到了发展。对条形重复性强的桥梁结构、高层建筑结构，有限条法得到了成功的应用。目前，离散单元、块体平衡理论已成功地用于有节理、断层的土坡稳定分析，洞体稳定分析，并且还在不断完善与发展之中。所有这些都丰富了计算力学的内容和方法。由于土建非金属材料有应变软化现象，并且在受拉区易产生裂缝，导致结构或构件有所谓“负刚度”出现，关于有负刚度的结构分析引起了各国学者的浓厚兴趣，并提出了许多不同的算法，目前还无统一公认的好方法，但进展也很大。特别是，由于地震是常见的灾害作用，但又是罕见的偶然作用，在地震作用下允许结构进入“负刚度”阶段是合理的，地震反应分析促进了有关考虑应变软化的计算方法的发展。为了提高结构对灾害性作用(如地震，飓风、火灾等)的抵抗能力，有许多学者提出控制结构和结构控制的方法，这方面的研究大大丰富了计算力学内容，对结构与环境作用的正向反应、逆向反馈、匹配与适应提出了更高的要求。此外，由于外部荷载与材料抗力参数的随机性，促进了结构可靠度设计方法的建立与发展，这也为计算力学开辟了新的方向。由上可见，土建结构工程在许多方面提出了新课题，为计算力学提供了广阔的应用场所，同时也促进了计算力学从方法到技巧上的发展。(清华大学江见鲸撰) |
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