针对土木工程学科计算方法的思考

陈世锦

摘要 本文通过总结土木工程学科的各种计算方法，提出了一个观点：土木工程是一门基于“假设”的学科。文中分析了各课程中运用的分析方法，并总结了其基本假设，以便能在工程实践中对症下药，灵活运用各种分析计算方法，并熟知其局限性及适用范围。

关键词 土木工程学科；分析方法；基本假设；分析结果调整

1 概述

科学的概念不同于技术和工程，科学注重探究事物的客观规律，以发现为主；技术解决应用的问题，主要任务是利用和改造自然；工程作为开发和应用科学的知识以及技术的手段来满足社会需求的一种有创造力建设实践，注重有创新力的实践。土木工程学科是工程领域内的一门学科，注重理论与实际应用的结合，采用量化的计算方法进行设计。由于现实条件的复杂性，各种因素的综合作用，实际结构的受力往往很复杂，完全按照实际结构的工作和受力状态进行分析，困难比较大，同时为了方便工程师的实际应用，简化是必不可少的。和处理其他的问题一样，抓住主要的矛盾，忽略次要的矛盾，往往能取得经济、实用而不失精确的结果。

2 各门课程中的分析方法

1、理论力学课程中，研究运动时采用质点假设；研究物体间机械运动的相互限制时采用理想约束假设；研究外力平衡分析时，采用刚体假设；研究内力平衡分析时采用弹性体假设。

2、材料力学课程中，其所有的研究理论和方法都基于以下假设：连续性假设；小变形假设；均匀性假设；各向同性假设。杆件的内力便可以通过平衡条件和变形协调及物理的本构关系求解，变形可以使用积分法求解。

3、结构力学课程中，基本假设：结构体在任何情况下保持连续；材料符合胡克定律；外部作用消失后构件恢复原来无应力状态。基于以上才会有线弹性体的叠加原理，内力和变形都可以叠加。求解变形的图乘法，求解内力的位移法、力矩分配法和位移法，都是建立在以上的假设。

4、混凝土结构原理课程中，①受弯构件正截面承载力计算中基本假定：平截面假定，即截面弯曲变形后，截面平均应变保持为平面；混凝土受压应力-应变关系采用抛物线上升段和水平直线段表示；钢筋受拉应力-应变关系采用理想弹性和理想塑性的双直线表示；混凝土开裂后不考虑其抗拉强度。②斜截面受剪承载力计算时假设剪压破坏时斜截面的力由混凝土、箍筋、弯筋承担；破坏时与斜裂缝相交的钢筋达到屈服强度。受扭承载力计算时采用基于理想弹性理论和理想塑性理论的实用计算方法。其中最基本的是钢筋的理想弹塑性假设和不考虑混凝土的抗拉强度。由于混凝土是一种复合材料，不同于材料力学中的单一材料，因此，混凝土结构的计算假设有不同于材料力学的地方，是考虑理论与实验的差异而提出来的，使计算结果能正确反映实际情况。

5、土力学课程中，达西定律中假设渗透为层流；土样为各向同性。计算地基应力中假设地基土为均匀、连续、各向同性的空间线性变形體，利用弹性理论求解。地基沉降计算中假定土中固体颗粒和水的压缩量可以忽略不计，采用侧限压缩实验的结果计算。地基临界荷载计算中假设土为均质土等。地基承载力计算中假定滑裂面的形状为已知，再进一步忽略基底摩擦力等因素，然后根据土体的静力极限平衡条件求解。由于土的工程复杂性，计算结果往往和实际的实验结果相差比较大，此时要做必要的修正，这往往涉及到工程经验和对计算方法的透彻理解。

6、混凝土结构设计课程中，梁板结构设计时假设梁板为弹性体，支座按铰支座或滚轴支座处理，根据受力情况分为单向板或双向板，按弹性理论或者塑性内力重分布理論计算，再考虑实际情况作内力调整。排架柱计算中假设柱下端刚接于基础，上端铰接于屋架，且横向屋架为一轴向无限刚性链杆。多高层框架结构中计算水平作用力效应采用分层法，假定框架无侧移，梁上的荷载对其他各层梁的影响很小，可以忽略不计。反弯点法假设除底层外各层柱上下端转角相同，反弯点的位置固定不变，通过调整传递系数和反弯点高度调整计算结果。

7、基础工程课程中的设计方法大部分沿用了混凝土结构设计的理论，因此两者的基本假设有相同的地方；弹性力学课程采用的是固体力学的弹性理论和假设；砌体结构课程中使用了基于实验和强度理论的计算方法；钢结构课程中因为钢结构的性质基本符合材料力学的假定，因此沿用了大部分材料力学的假设；结构抗震设计课程中针对多高层混凝土结构、多层砌体房屋、多高层钢结构房屋、单层工业厂房等不同的结构类型，分别使用基于各自的非抗震设计方法分析，再按各自的设计准则，对内力进行调整，进行截面设计。

3 结论

深刻理解各种分析和设计方法的基本假设、适用范围和限制条件，是概念分析的基础，只有掌握最基本的概念性问题，才能对结构的受力原理透彻理解，不为计算方法和计算结果束缚。各种计算方法作为现实的一种抽象，一种模型，和实际有差别是难免的，因此有必要根据工程实际经验和基本原理对计算结果进行修正。“先假设计算，后修正结果”已成为工程应用的一种理论紧密联系和反映实际的方法。

同时，作为专业知识的学习者，要特别注意每一种方法的适用范围和基本假设，学习的过程中要懂得研究每一条假设运用在计算的哪一个地方，哪一个步骤，而且要懂得斟酌为什么要采用该条假设，缺少它是否可行，有没有替代性，同时认识到其局限性，探究忽略其它因素对计算和分析结果造成的影响有多大，可以通过查找文献等途径增加对基本理论的理解，这样能加深对基本原理和基本方法的理解。以上是通过探究性的学习方法加深理解，增加知识的研度、深度和广度。

参考文献：

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[7]罗福午等.土木工程（专业）概论[M].4版.武汉：武汉理工大学出版社，2014.8

（作者单位：郑州大学 土木工程学院）