土木工程数值分析精品(七篇)

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关键词：弹性力学；土木工程；教学；探索

弹性力学是高等学校土木水利等专业的一门理论性与应用性都很强的基础课程，目前各高校很多学科根据本专业本科教育培养目标，实现宽口径、厚基础的教学基本要求，减少课时和精简内容。另外，土木类专业所面临的现代工程结构设计问题大多为非杆系的复杂结构体系，所以许多高等院校要求开设弹性力学和有限元课程，其目的是加强土木类本科生对复杂结构数值分析能力的培养，以提高他们从事科学研究和现代结构设计的能力。然而学生普遍认为弹性力学解决实际工程的能力远不如材料力学和结构力学，而且弹性力学理论抽象，数学推导麻烦，课程枯燥乏味，提不起学习兴趣。因此在现有的学时下如何保证教学的基本要求和基本内容，用什么方法和手段达到既增大信息量，减少教学时数，又能强化学生能力的培养，成为弹性力学教学中需要关注的问题。

一、高校弹性力学教学现状

为了提高结构力学和弹性力学的相关教学水平和研究成果，教育部高等学校力学教学指导委员会力学基础课程教学指导分委员会结构力学及弹性力学课程教学指导小组定期召开工作会议，2006年工作会议在武汉理工大学召开，2009年工作会议在成都西南交通大学举行，2014年10月工作会议在北京工业大学举行，各高校在每次会议中都对弹性力学的教学进行了教学改革成果和经验交流，对教学实践、课程建设和资源积累等问题进行了研讨。北京工业大学在弹性力学的教学中也进行了很多研究和改革，北京工业大学弹性力学课程的设置和教学与国内其他高校具有类似特点与问题。2006年之前弹性力学作为土木工程本科专业的必修或必选课，学时一般为40学时左右，使用教材以徐芝纶《弹性力学简明教程》为主要教学参考书。在2007版本科教学改革之后，弹性力学在土木工程专业本科中仍然设置为学科基础必修课，但学时改为16学时，考试时采用闭卷考试，对学生学习要求较高，较多学生仍然认为太偏重于理论，理论抽象，数学推导烦琐难以理解，并且其解决实际工程的能力远不如结构力学。在2012版教学计划后，课程性质以及学时都没变，但考试时采用开卷考试，对学生的公式推导要求降低。改为16学时时，教师和学生的感觉都是时间太紧张，学习压力大，所以在刚完成的2015版土木工程本科教学计划中，弹性力学进行了很多变化，首先课程性质发生了改变，由学科基础必修课改为学科基础选修课，让学生有选择的空间，其次学时增加为24学时，让选修弹性力学的同学能真正学习到弹性力学的主要内容。所以目前在现有的学时下，如何保证教学的基本要求和基本内容，用什么方法和手段达到既增大信息量，减少教学时数，又能强化学生能力的培养，成为教学中关注的问题，由此也产生了弹性力学教学内容多和学时少的矛盾。许多高校和研究者在弹性力学课程教学和研究上进行了教学改革，取得了较多有益成果，尽管如此，土木工程专业弹性力学课程在以下几方面尚有待研究与改革：（1）教学对象上，弹性力学通常主要在工程力学专业开设，需要充分考虑结合土木工程专业的特点。（2）教学思路上，仍然偏向工程力学方法，在内容选择上较偏向数学，主要是理论上的教学，对理论分析和数值分析结合对比方面缺少。（3）讲课内容中未能充分引入弹性力学领域的最新进展，尤其是与土木工程结构相关进展，因此在弹性力学课程的教学方式、教学内容、考试形式等方面需要进行一些思考和探讨，对弹性力学教学中的普遍与特殊问题进行研究与实践，将促进学校土木工程学科力学教学的发展。

二、尽可能地提高学生的“计算分析”理论水平

根据高等院校土木类专业本科指导性专业规范以及2015版培养方案规定的学时，需要考虑在既有学时下，使学生的理论水平能达到当今土木类专业的培养要求。

1.重点突出弹性力学分析思路和概念。在教学中，在分析思路上，一般重点讲授弹性力学平面问题的相关问题，并且对弹性力学平面问题基本理论采取精讲的形式，对空间问题基本理论采取和平面问题基本理论相对比方法进行讲解。如果根据实际，直接从实际工程的三维问题，再到讲授二维问题可能更符合思维过程以及实际工程问题，使得思路更加自然，并且能节省教学课时。另外，在讲授方法思路中应突出思路、概念与结论。如弹性力学中的概念问题：弹性力学中应力的方向以及正负号的定义，平面应力问题和平面应变问题的区分，应力边界条件和位移边界条件的确定方法，处理局部边界条件的圣维南原理，等等，这些都是讲述平面问题基本理论中要熟练掌握的概念。

2.结合具体土木工程实例教学，附加一些分析程序和工具的介绍，拓宽学生分析方面的应用能力。在介绍分析思路时，需要结合有实际工程背景的工程算例来分析，这样可以明确学习目的，激发学生的学习动力。在理论分析完成后，还可以介绍相应的数值分析方法，介绍Matlab计算程序或有限元分析工具，对理论分析过程数值化，让学生自己操作计算，分析结果。最后由于土木工程专业学生在实际工作中需要学会运用，可以结合一些设计规范进行学习，如：公路隧道设计规范（JTGD70-2004）建议采用弹性力学数值方法—有限元法计算围岩的隧道支护结构内力和变形等，通过在理论分析结果和数值分析对比的同时，还可以通过规范要求进行验算。

三、根据当今土木类本科生的培养要求，编写适合土木工程专业学生使用的教材

就目前而言，对于土木类本科生的弹性力学课程，各高等院校所安排的教学内容、教学时数及选用的教材均存有不同。换言之，对教学内容、教学时数及教材均没有统一的指定，仍处在各高校教师根据自己的教学经验进行不断地探索与总结。目前已出版的弹性力学教材有很多种，所使用的教材一般为《弹性力学简明教程》，徐芝仑编，高等教育出版社出版。这本教材所涵盖的内容较多、较全面，也比较深刻，对概念思路的解释较为简洁，但仍然有需要改进之处：（1）基本上从平面问题到空间问题最后到板壳一些特殊问题，分析讲解思路可以变化，让学生更快更容易的理解。（2）理论讲解较多，实际土木工程案例的分析较少。（3）理论推导比较多，数值分析对比较少，数值分析工具的应用较少等，另外学生学习的课余指导用书比较少。为此，编写更加适合土木工程专业的教材以及教材指导用书是有必要的。

四、改革单一的板书教学模式，研制《弹性力学》的CAI电子教案

作为一门强调理论与应用的课程，仅以单一的板书教学模式明显不足。例如，本课程中复杂的理论推导数学演示，这些均可通过CAI电子教案的教学来表述。此项教改工作的目的是在教学时数不足的情况下，就如何实现课堂教学气氛活跃、高效率地完成教学内容、突出理论联系实际等方面而为之。根据本课程教学大纲中教学内容的要求及依据更加丰富的教材，可以编制本门课程的CAI电子教案。在实际教学中，采用多媒体与板书相结合的教学模式，预期可以达到较好的教学效果，授课学生能给出较好的评价。另外，课内教学是本课程的主要任务。但由于本门课程在土木专业上的应用性较强，学生的课程设计、毕业设计均会遇到实际结构问题的数值分析，对此需要课外指导，因此建立教师学生互动平台和窗口也是有必要的。

五、结语

为了提高土木工程专业弹性力学课程教学质量和效果，本文分析了土木工程专业弹性力学课程的教学相关问题，并探索了土木工程专业弹性力学课程的教学改进方法。

1.尽可能地提高学生的“计算分析”理论水平，使学生的理论分析水平达到当今土木类专业的培养要求。

2.根据当今土木类本科生的培养要求，编写适合土木工程专业学生使用的教材。

3.改革单一的板书教学模式，研制《弹性力学》的CAI电子教案，并建立教师互动平台和窗口。

参考文献：

[1]徐芝纶.弹性力学[M].第3版.北京：高等教育出版社，1990：181.

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[5]杨桂通.弹性力学[M].北京：高等教育出版社，1998.

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[10]W.C.Young&R.G.Budynas.TheoryofStructures（Sec-ondEdition）[M].北京：清华大学出版社.

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关键词：岩土工程；土力学

有限元法在我国普及的初期，许多工程师对数值分析能否解决实际问题曾抱着怀疑的态度，但是不少有识的技术领导还是给予热情的支持。记得上世纪80年代初在组织三峡深水围堰第一轮多单位协作分析计算时，长江水利委员会司兆乐总工曾提出计算分析结果能达到“精确定性、粗略定量”的目标。到今天，虽然不能说这一目标已完全实现，但对相当一部分岩土工程来说，做到这一点已没有困难。当然，岩土工程的设计和施工在今后相当长的时期内仍需要工程师们的经验，但是，在科学技术飞速发展的今天，数值分析技术必将越来越成为人们必须依赖的工具。

同样，在岩土力学研究中，计算也已成为和实验一样不可或缺的手段。在某些特殊情况下数值模拟甚致可以代替实验。而离心模型试验与数值模拟的相互配合，已经成为解决岩土工程问题的一个重大研究方向。

本文将就21世纪岩土工程数值分析的发展前景提出一些看法，基于作者专业知识的局限，重点探讨土力学问题的数值分析问题。

自古以来，人类就广泛地利用土作为建筑地基和材料。古代许多伟大建筑物，如我国长城、大运河、宫殿庙宇、桥梁等，国外的比萨斜塔、金字塔等的修建都需要有丰富的土的知识和在土层上修建建筑物的经验。由于社会生产力和技术条件的限制，这一阶段经过了很长时间，直到18世纪中叶，还停留在感性认识阶段。

理论提高阶段。产业革命以后，大量建筑物工程的兴建，促使人们对土进行了专题研究。把已积累的经验进行一些理论归纳和解释。如1773年，法国科学家库伦（C.A.Coulomb）发表了土压力理论和土的抗剪强度公式；1856年，法国工程师达西（H.Darcy）研究了砂土的透水性，创立了达西渗透公式；1857年英国学者朗肯（W.Jm.Rankine）建立了另一种土压力理论与库伦理论相辅相承；1885年，法国科学家布辛内斯克（J.Boussinesq）提出了半无限弹性体中的应力分布计算公式。至今仍都是地基中应力计算的主要方法等等。

形成独立学科阶段。从20世纪20年代起，不少学者发表了许多理论和系统的著作。1920年法国普兰特发表了地基滑动面的数学公式，1916年瑞典彼得森提出了计算边坡稳定性的圆弧滑动法。而最具代表意义的是1925年美国太沙基（K.Terzaghi）首次发表了《土力学》一书。这本著作比较系统地论述了若干重要的土力学问题，提出了著名的有效应力原理，至此，土力学开始真正地形成独立学科。从那时起，直到20世纪60年代，土力学的研究基本上是对原有理论与试验充实与完善。自20世纪60年代以来，随着电子计算机的出现和计算技术的高速发展，使土力学的研究进入了一个全新的阶段。

第四阶段。此时，最突出的工作是用新的非线性应力应变关系代替过去的理想弹塑性体。随着应力应变模型建立，以此为基础建立了新的理论体系。 1957年，D.C.Drucker提出了土力学与加工硬化塑性理论，对土的本构模型研究起了很大的推动作用。许多学者纷纷进行研究，并召开多次学术会议，提出了各种应力应变模型。如在工程中常用的邓肯-张模型、英国剑桥模型等。我国在这个阶段也进行了很多工作，如清华大学黄文熙模型、南京水利科学研究院沈珠江模型和河海大学殷宗泽模型等。这些模型都是对土的非线性应力-应变规律提出数学描述，并用土的实际情况相验证。

虽然在50年代已有人对塑性理论应用于土力学的可能性进行过探索，但只有到 1963 年， 罗斯科（Roscoe）发表了著名的剑桥模型，才提出第一个可以全面考虑土的压硬性和剪胀性的数学模型， 因而可以看作现代土力学的开端。经过 30 多年的努力，现代土力学已越过重要的阶段而渐趋 成熟，并正在下列几方面取得重要进展：①非线性模型和弹塑性模型的深入研究和大量应用；②损伤力学模型的引入与结构性模型的初步研究；③非饱和土固结理论的研究；④砂土液化理 论的研究；⑤剪切带理论及渐进破损问题的研究；⑥土的细观力学研究等。

将土质学和土力学结合在一起的教材，有20世纪50年代巴布可夫的《土学及土力学》与60年代俞调梅的《土质学及土力学》。在这些土力学教材中，特别强调了应当重视对土的基本性质的认识和土工试验，并将黏性土的物理化学性质内容列入教材，从而形成了土力学与土的工程性质紧密结合的教材体系。

土质学与土力学是研究与土的工程问题有关的学科，它既是工程力学的一个分支学科，又是土木工程学科的一部分。土是一种自然地质的历史产物，是一种特殊的变形体材料，它既服从连续介质力学的一般规律，又有其特殊的应力一应变关系和特殊的强度、变形规律，因此，土质学与土力学形成了不同于一般固体力学的分析方法和计算方法，所以在学习本课程以前必须具备工程地质学、材料力学等预备知识。而土质学与土力学的理论与分析计算方法又是学习土木工程专业课程以及从事土木工程技术工作必需的基础知识，是一门介于基础课与专业课之间的技术基础课。

所有的工程建设项目，包括高层建筑、高速公路、机场、铁路、桥梁、隧道等，都与它们赖以存在的土体有着密切的关系，在很大程度上取决于土体能否提供足够的承载力，取决于工程结构是否遭受超过允许的沉降和差异变形等，这就要涉及土中应力计算、土的压缩性、土的抗剪强度以及地基极限承载力等土力学基本理论。

现代土力学可以归结为一个模型、三个理论和四个分支。一个模型即本构模型，特别是指结构性模型。这是因为迄今为止所提出的本构模型都是从重塑土的变形特点出发的，并把颗粒之间的滑移看作塑性变形的根源，而包括砂土在内的天然土类都具有内部结构，变形过程必然伴随着结构的破坏和改变。因此发展新一代的结构性模型是现代土力学的核心问题。

“从实践中来，到实践中去”，这是任何学科发展的必由之路，当然也是实用性很强的土力学的发展的必由之路。固结理论是从地基沉降计算的需要出发而建立起来的，在指导地基设计中得到不断发展和完善，便是对这一命题的最好说明。

参考文献：

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关键词：土木工程；信息化；途径

土木一般指的是所有和水、土及文化相关的计划、建造、维修的基础建设，目前土木工作主要包含：水务、梁务、道路、交通及防洪等发面。以前笼统的把除过军事用途意外的工程项目全部纳入到土木工程之列，但是随着时代的不断发展，工程项目的不断细分，很多原本属于土木工程之列的内容现在已经独立出去。因此就当前的现状，狭义上说，土木工程就是民用建筑工程，其范围主要包括公路与城市道路、铁路工程、建筑工程、结构工程、桥梁涵洞工程等几个小的方面。范围虽然缩小了，但是发展的速度还是要与时俱进的，对土木工程进行信息化建设也是十分有必要的。

1、土木工程信息化涵义

土木工程的信息化是用通信、计算机、自动控制等高新技术将信息汇集处理，对传统土木工程施工方式、技术手段等进行改造和提升，从而促进土木工程技术手段的不断更新、施工方法的不断完善，使其能够更加科学的、合理的、有效的提高工程的效率，降低其成本；实现土木工程的信息化必将引起土木工程企业的管理方式发生的较大革命，也有可能会推动企业团队的重新组建和施工流程及环节的优化，促使企业管理手段和管理理念的全面革新；信息化是土木工程在市场发展的高级阶段，土木工程也并非市场上独立的一个工程体系，其发展必然也会融入电子商务业、现代物流业及信息产业等，实现土木工程的高效益和高效率。

2、土木工程信息化的途径

2.1设计信息化

第二次世界大战以后，世界科学技术迅速发展，土木工程也便有了依靠现代技术进行发展的可能。关系到该行业最重要的混凝土和钢铁技术都有了时代性的发展，刚的强度和韧度不断提高，耐久性能也大大的提升。合成材料的不断研制，拓宽了施工中可以使用的材料的种类，而且在性能上也较过去的传统材料更为优良，高强度、轻质量的新材料的应用使得很多过去难以实现的结构成为可能。计算机的数值分析使过去手工难以计算的而被迫简化粗略的计算可以变为较为精确的计算分析。比如，借助于电子计算机及有限元计算软件，人们可以很轻松的就对以前人力很难完成的复杂超静定结构的位移和内力进行快速的计算。有限元理论和结构动力学的不断向前，使得人们可以很方便而且精确做出结构变形和受力的计算，设计工作量得到简化。计算机辅助设计CAD的采用，解放了设计人员的双手，不用再从事繁重的手工绘图，而且工作的效率大幅度的提高。建筑中机械的使用，使得施工自动化程度程度大幅提高。

2.2施工信息化

在施工中推广应用自动化控制技术，可有效地完成用传统控制方式难以实现的高难度施工项目。比如大体积混凝土的施工质量控制；高层建筑的垂直度的控制；采用同步提升技术进行大型构件；预拌混凝土的上料自动控制和整体模具的爬升、设备的整体吊装和安装控制、大型脚手架的提升控制；高温高压的焊接质量控制；幕墙的生产和加工控制；大型桥梁悬索受力的控制；建筑物的整体搬迁、爆破以及沉降观测与数据采集、大型工业设施的三维空间管线布局的计算机模拟等等。土木工程的信息化技术将带给设计技术和施工技术全面的革新，也有越来越广泛的其应用空间，应用程度也将越来越深，工业化、信息化、自动化的水平将越来越高。

2.3管理信息化

信息技术是一项各行业普遍适用的高新技术，必须与行业技术有机结合方能发挥作用。土木工程行业涉及的门类非常广泛，比如土木工程、设备管线安装业、房屋工程、装饰装修业及相关的房地产业、设备半成品、勘察设计业、钢结构加工业等方面，这些行业设计的企业众多，也就形成了一个庞大复杂的行业信息集合体。面对如此庞大的信息集合体，日过没有相对规范的行业管理体系进行保障，那么就很难保证这个行业集合能够有序、稳定、高效、健康的发展。因此，要利用现代信息技术建立起一个高效的企业管理、行业管理方面的信息管理系统，这样就能方便有效地对行业的相关情况快速的做出统计分析，有助于制定合理的产业技术政策、产业发展政策，也为产业发展规划和战略提供了全新的可能和条件。现在前，信息技术的应用已使得全球产业信息的获得非常便利，可非常方便地在国内国外两个市场同时研讨，掌握人类最新管理成果，使得作为人类生存和发展密切关联的土木工程业的管理提供了前瞻性、战略性和更为科学的依据，使建筑行业管理上一个新的水平。

2.4招投标信息化

土木工程招投标管理部门的信息化建设也是必要的，主要包括以下几方面：第一，搭建建设工程招投标业务平台，建立Internet（外网）和Intranet（内网）系统，实现申请、审核、发放资料等信息流转功能，包括资料上传和下载、信息、相关资料的查询等。只有在这样的基础上，招投标办公室才能和交易中心的办公程序、市场相关的招投标程序结合在一起，才会有效促进招标方和投标方的交易过程。第二，采用标准格式的标书表格与自动化的评标系统，对招标文件及投标文件进行数字化处理，把数据纳入自动计算范围内，同时启动评标系统，就能实现计算机模拟评委来评分。对于不能自动处理的数据，如需要评委根据标书内容或者根据经验进行模糊打分的地方，就采用独立打分的方式，输入各自的评分值，最后通过评标系统来统计得分情况。第三，对经济规律进行研究，分析历史数据，建立经济数学模型，利用信息化技术对历史招标工程数据分析并分类，对经济指标、发展态势进行综合分析。只有在大量数据积累的基础上，才能对相应的指标分析出其发展的趋势。通过信息化建设方案的处理，便可以盘活所有的数据，不再让数据沉淀，分析的结果在以后的评标工作中可作为评判报价是否合理的重要依据。第四，制定规范、改变观念，协调工作需要建筑管理部门和相关的企业进行合作，共同进入信息化平台。由于涉及的过程比较复杂，与相关单位的接触也比较频繁，因此更加要转变观念，信任信息化工具。与此同时，需要对数据共同进行规范的制定，如招标文件的格式化，投标文件数据的组织，便于相关单位可以在相同的口径下进行对话，有利于工作的顺利进行。这里，招投标管理办公室、交易中心将是整个系统的龙头，起着决定作用。而作为招标业务的发起人，甲方应该主动配合系统的要求，按照清单规范进行数字化招标。对于投标企业，则应该更加关注形势的变化，行业环境的变化，提前做好准备，积极响应数字化招标工作。

小结

土木工程信息化建设是一个长期的过程，要与企业的政策和产业的结构调整相结合，与企业的技术进步、科学管理相适应，还要用全球信息产业的先进经验进行指导和借鉴，对各行各业的信息化建设成果进行学习，从企业、产业和工程实际出发，开发研究一般的解决方案与特殊的解决方案，遵照“政府推进、市场引导、企业主体、行业突破、区域展开、稳步推进”的方针，充分发挥科研院所的作用，尤其是相关协会、学会要不断开拓创新，充分发挥跨部门、跨行业专家云集的优势，为土木工程的信息化建设做出贡献。

参考文献

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1岩土工程

1.1 岩土工程及其研究的对象、内容和任务

在JSJ 84―94建筑岩土工程勘察基本术语标准中定义为“以土力学、岩体力学及工程地质学为理论基础，运用各种勘察探测技术对岩土体进行综合整治、改造和利用而进行的系统性工作”。 GB／T 50279．98岩土工程基本术语标准中定义为“土木工程中涉及岩石、土的利用、处理或改良的科学技术”。从岩土工程的定义中可以看到，岩石和土(包括岩土中的水)是岩土工程研究的基本对象。在这个对象分类中，当岩土作为承载体地基时，主要研究的是岩土的强度和变形问题，在地基基础设计中强调地基变形控制原则；当岩土体作为荷载或者是自承体时，面临的是岩土体的变形和稳定问题；另外，当岩土作为建筑材料应用于堤坝、围堰及填方工程时，以岩土材料的选用和质量控制作为主要研究方向，并兼顾岩土体的稳定和变形。当然，地质灾害和环境工程方面也是以岩土的各种性质为另一个研究方向。

岩土工程的主要工作内容有以下几方面：岩土工程勘察、岩土工程设计、岩土工程治理、岩土工程监测、岩土工程检测。

1.2 岩土工程的特点

岩土工程是土木工程的一个分支，作为一门独立的技术科学，有其特有的一些特点，下面仅谈谈其主要特点：

(1)岩土工程和其他一些相关学科有密切的联系，其中同工程地质和结构工程密切关系尤为突出。工程地质是研究地质体的工程缺陷，岩土工程则强调对岩土体的合理利用、整治和改造。研究地基的岩土工程和研究上部结构的结构工程之间关系密切。无论何种建(构)筑物、道路桥梁和隧道洞室等都是建造在地基上甚至是岩土体内，地基和上部结构之间必须同时满足静力平衡和变形协调两个前提条件。地基的变形会改变结构的应力，结构的荷载分布和刚度变化又会产生不同的地基变形，地基是否破坏、变形是否过大直接影响结构的安全和使用功能。因此，地基和上部结构是相互影响、相互作用的一个有机整体。

(2)岩石和土本身具有的特点也赋予了岩土工程与众不同的特性――复杂性。岩石和土不同于混凝土、钢材等性质较为均匀连续的人工材料。土具有碎散性、三相体系、自然变异性等特征；岩石的主要特征是具有裂隙性，岩石与其结构面构成的岩体具有非连续性、非均质性、各向异性等特点。以上岩石和土的复杂性赋予了岩土工程特殊的复杂性。

(3)岩土工程具有不确定、不严密、不完整和不成熟性。岩土工程是由土力学、岩体力学对岩土的工程地质性质和力学性质进行研究，是以传统力学为基础发展而来的。力学的计算要求有相对明确的计算条件，而岩土体的复杂性则决定了它无法确定一个相对明确的计算条件。

(4)前景可观：岩土工程作为一门应用科学，是土木工程的一个分支，随着土木工程建设的发展，土木工程中的岩土工程问题会不断出现，也必然会不断地促进岩土工程的持续发展。另外，由于岩土工程与其他相邻学科存在相互重叠、相互搭接的部分，其他相邻学科以及电子、计算机等应用技术的发展必将促进岩土工程的发展。今后岩土工程不但会在水利工程、矿山(井)工程、建筑工程、市政工程和交通工程等方面继续发挥重要作用，还将在人类不断向地下、海洋、沙漠拓展生存空间的过程中发挥先锋作用。

2岩土工程的发展方向 展望岩土工程的发展,笔者认为需要综合考虑岩土工程学科特点、工程建设对岩土工程发展的要求，以及相关学科发展对岩土工程的影响。

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关键词 土木工程；预应力技术；发展

中图分类号 TU 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)012-0161-01

1 新时期土木工程活动的发展概况

新世纪，我国经济将继续快速发展，因此，土木工程建设将继续的增长。全国各地的土木工程活动都如火如荼的进行着，这也给我们新时期的土木工程活动及预应力技术提出了一些机遇和挑战。随着我国对外贸易的迅速发展，外商投资的迅猛增加，贸易中心、金融中心之类的高层、超高层建筑将继续兴建。尽管一些城市已做出规定，为保持历史名城和古城风貌，为改善市民的居住环境，不允许在城市中心区继续兴建高楼。但是，从节约土地考虑，高层建筑将继续在城市中兴建。并且，其结构体系将会有新的发展。如具有优良的抗震、抗风性能的预应力悬挂结构，巨型建筑结构，采用型钢的钢结构以及钢混凝土组合结构等新型高层建筑结构体系将会出现。新世纪的建筑，仍将以混凝土结构为主，但是钢结构，包括型钢混凝土和钢管混凝土等组合结构在高层建筑中的应用将获得推广。

2 预应力混凝土结构的设计内容

1）承载力极限状态设计。对于承载能力极限状态，应按荷载效应的基本组合和偶然组合进行设计，并通过采取构造措施保证结构在破坏时具有一定的延性，从而确保在偶然事件发生时及发生后，结构仍能保持整体稳定性。2）正常使用极限状态设计。对于正常使用极限状态，应按荷载效应的标准组合 频遇组合和准永久组合进行设计，使得结构构件的变形和裂缝等都不超过相应的规范限值。3）施工阶段的验算。在施工阶段的支撑条件和相应的施工荷载下，要求结构具有一定的安全度；另一方面，要求结构的材料应力不超过允许的范围。在一般情况下，施工阶段需要控制预应力筋的拉应力以及截面混凝土的最大拉应力和压应力。

3 预应力混凝土结构的设计步骤

1）进行结构布置，选取恰当的力学模型。2）根据工程的具体情况，选择合适的高跨比，初步选定构件的截面尺寸，并进行内力与组合效应的计算。3）主要根据杆件的弯矩分布图形确定预应力筋的索形，并按经验用预应力度法或平衡荷载法初步估算出所需要的预应力筋根数。4）进行预应力损失和次应力的计算，验算预应力和挠度控制限值以及正常使用阶段的结构性能。5）按计算的各项控制结果，选择需要变动的参数进行修改，再重新计算。6）根据选定的预应力筋方案计算预应力筋的极限应力，按承载能力要求补充普通钢筋用量，按预应力筋的实际方案及普通钢筋的实际配筋直径与根数，计算允许开裂的控制截面的裂缝宽度及构件的挠度。

4 新时期预应力技术的应用

随着经济的发展及国际化进程的加快，各省、市、自治区的国际展览中心等大跨度现代建筑将会大力兴建。因此，满足透明等现代要求的第三代玻璃幕墙结构将有较大的发展和应用。住宅建设将朝大开间结构及节能、节材、改善生态环境的绿色建筑的方向发展。运用电子信息科技，加快建筑智能化。同时，既有建筑物的加固、改造任务将不断增加。采用碳纤维作结构加同材料的技术将被大力推广应用。上述建筑工程中有多种结构将应用预应力技术。

改革开放以来，公路建设尽管有了迅速的发展，但与发达国家相比，还有很大差距，尤其人均公路里程是最落后的，比巴西、印度都少。这意味着今后我国公路建设的任务还相当繁重。

5 预应力技术的发展展望

预应力技术将进一步发挥作用，并推动土木工程科技的创新和发展在建筑工程中，预应力技术是建造大跨度公共建筑、大型会议展览中心及大开间住宅的重要技术，也是高层、超高层建筑和承受特重荷载的不可缺少的关键技术。一句话，预应力技术在解决大、高、重、新建筑工程的设计和建造难题中将继续发挥其独特的优势。并且它也是调整结构内力和减少、甚至取消大面积工程伸缩缝，防止开裂的重要手段。此外，预应力技术还将推动建筑结构的创新，如预应力拉杆替代柱的悬挂建筑结构将获得一定的发展。在公路工程中，预应力技术对解决路面混凝土开裂和减少伸缩缝，提高使用寿命具有良好的应用在桥梁和隧道工程中，预应力技术的应用更为广阔。不论是超大跨的悬索桥、特大跨的斜拉桥，还是大中跨度的系杆拱桥、连续梁桥、刚构桥及小跨度的简支梁桥、板桥，都可有效地应用预应力技术。在我国今后的地铁车站等地下工程中也将应用预应力技术。在特种结构工程及海洋工程中，预应力混凝土抗裂性高、耐久性好等优越性将得到充分的发挥。预应力混凝土更是建造海洋工程的最好材料。预应力技术在海洋采油平台、海洋储罐，海上运输船以及海上防波堤、跨海大桥等海洋工程中将发挥更高的效能。此外，预应力技术也将在水利工程或其他工程如旧建筑的加固改造、加层和拆除中获得更多的应用。总之，预应力技术在土木工程中的应用极为广泛，并且还将进一步扩大。

预应力混凝土材料及技术本身也将有所创新和进一步的发展土木工程建设的发展，必将推动新材料、新技术、新理论及新设计方法不断涌现。预应力混凝土仍是土木工程中最为重要的结构材料。混凝土将继续朝高强、高性能方向发展。各国都在开展这方面研究。

预应力钢材，也将有多方面的新发展。如高吨位索的需要将促使大直径、大截面钢绞线的研制、生产；超过级的高强钢绞线也可能推出；镀锌、环氧涂层钢绞线将被采用；不锈钢绞线的应用将有大的增长。耐久、轻质、更高强的高性能纤维加强塑料筋将较多地获得应用。近年来，我国开始使用碳纤维加劲塑料玻璃纤维加劲塑料、芳纶纤维加劲塑料。这时，就不再单指钢筋混凝土，它可以是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维加劲塑料混凝土。预制预应力 昆凝土和无粘结预应力筋将分别获得发展和广泛的采用。新型无粘结预应力筋将得到开发和应用。

在我国房屋建筑和桥梁中体外预应力配筋将获得较多应用。上面讲的建筑工程中的大跨度建筑、大面积结构工程、巨型结构、转换层结构、悬挂建筑、大开间住宅和预制预应力建筑以及各型铁道和公路、桥梁、水利工程、铁道工程、特种结构工程等等，还有结构加固、改造与拆除，都有赖于预应力技术的进步和设备的发展。因此，期望预应力材料技术与设备有更大的创新和发展。

同时，新结构的研究和开发方面将拓宽，房屋结构与桥梁各种结构之间的交叉、借鉴也将有所发展。理论和试验研究，包括预应力混凝土结构的耐久性、抗火、抗震、抗爆等性能研究及它们的设计方法研究都将有新的发展。预应力工艺与施工管理也将有普遍的提高。由于计算机的发展和应用的普及，结构设计中将更多地考虑空间作用和非线性。此外，建筑废弃物也将在一定程度上得到处理及利用。

由此可见，预应力混凝土结构是解决大跨度、重荷载等类建筑结构的重要技术。随着我国城市化进程的加快，居住建筑、大跨度公共建筑 工业建筑的大量兴建，预应力混凝土技术将会有飞速的发展和变化。

参考文献

篇(6)

（1.绍兴文理学院土木工程学院土木工程111班浙江绍兴312000；

2.绍兴文理学院土木工程学院浙江绍兴312000）

【摘要】由于在实际工程中应用圆中空夹层钢管混凝土会在连接处消耗大量钢材，影响整个结构的经济效益，同时考虑到方中空夹层钢管混凝土在外截面的直角点存在着明显的应力集中现象，因此近10年内出现了一种新截面形式的钢——混凝土组合结构即八边形中空夹层钢管混凝土。随着技术的不断发展，近3年又出现了以PVC-U为内管的八边形中空夹层钢管混凝土，本文通过对比研究，重点综述了内管为PVC-U管、外管为钢管的八边形中空夹层钢管混凝土的力学性能。

关键词 八边形；中空夹层；钢管混凝土；力学性能；综述

Summaryofthemechanicalpropertiesofsteeloctagonalhollowconcretemezzaninestudy

LinZhi-wei1,YuanXia-wei2

(1.ShaoxingUniversitySchoolofCivilEngineeringCivilEngineering111classShaoxingZhejiang312000；

2.ShaoxingUniversitySchoolofCivilEngineeringShaoxingZhejiang312000)

【Abstract】Laminatedsteelcircularhollowduetotheapplicationintheactualprojectatthejunctionofconcretewillconsumealotofsteel,theimpactoftheeconomicbenefitsofthewholestructure,takingintoaccountthesquarehollowsteeltubeconcretemezzaninesectionatrightanglestopointouttheobviousstressconcentrationand,therefore,nearly10steelappearedduringtheyear,anewsectionoftheform-concretecompositestructureislaminatedsteeloctagonalhollowconcrete.Withthecontinuousdevelopmentoftechnology,thepastthreeyearshasemergedinPVC-Uoctagonalhollowconcretesandwichsteelinnertube,thepapercomparativestudy,focusingonareviewoftheinnertubeforPVC-Upipe,steelpipeoutertubeoctagonalhollowmechanicalpropertiesoflaminatedsteelconcrete.

【Keywords】Octagon;Hollowsandwich;Steelconcrete;Mechanicalproperties;Summary

随着社会经济的快速发展和科学技术的不断进步，城市中出现了越来越多的新建筑，土木工程中的新结构也越来越多的应用于新建造的工业和民用建筑之中。其中钢材和混凝土的组合结构，由于具有优秀的力学性能及良好的经济效益，在工业厂房和高层建筑中的应用也日益增多。伴随着相关研究的逐渐深入，其性能也不断改善，从最初的实心钢管混凝土结构到圆中空和方中空夹层钢管混凝土结构再到八边形中空夹层钢管混凝土结构以及近几年出现的以PVC-U为内管的八边形中空夹层钢管混凝土结构［1］。

1.八边形中空夹层钢管混凝土的定义

八边形中空夹层钢管混凝土是由圆中空夹层钢管混凝土和方中空夹层钢管混凝土发展而来的一种新截面形式的钢——混凝土组合结构。UPVC内管的中空夹层钢管混凝土柱是基于空心、离心钢管混凝土柱基础上开发的一种新型组合构件，是指以钢管作为外管，以UPVC管材作为内管，两管圆心重叠放置，在两管之间浇灌混凝土而制成的构件。截面形式如图1所示。它具有弹塑性好、刚度大、自重轻等优点，此外内置UPVC管可兼做给排水管、落水管，还可打破空心和离心钢管混凝土柱应用领域的局限性。

2.八边形中空夹层钢管混凝土的特点

八边形中空夹层钢管混凝土与圆中空夹层钢管混凝土和方中空夹层钢管混凝土相比，有其自身优势。它比圆中空夹层钢管混凝土方便连接［2］，又不会像方中空夹层钢管混凝土那样产生明显的应力集中现象［3］。以PVC-U为内管的八边形中空夹层钢管混凝土相对于以钢材为内管的八边形中空夹层钢管混凝土，具有更好的技术经济性能。PVC-U管是目前市场上最常见的PVC管材，它具有不易燃性、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性，相对于其它塑料制品而言，PVC-U还具有高强度的特性［4］。尽管PVC-U内管抗压能力不及钢内管，当混凝土的横向应变增大，与PVC-U管相互间的挤压力增大，混凝土进入三向受压应力状态时，PVC-U管无法像钢管一样提供足够的约束力，使混凝土的抗压承载力提高有限。但相关试验表明，其对极限承载力的影响较小，并且以PVC-U为内管的八边形中空夹层钢管混凝土经济效益好，自重轻。在其它方面，以PVC-U为内管的八边形中空夹层钢管混凝土在作为排水管加以利用时，既能克服PVC-U管单独作为排水管时的防火缺陷，又可增加其抗冲击性和降噪性。

3.相关研究

（1）杨俊杰，徐汉勇，彭国军［5］对八边形中空夹层钢管混凝土进行了深入的研究，通过对八边形中空夹层钢管混凝土轴压短柱力学性能的试验，并在总结圆中空夹层钢管混凝土和方中空夹层钢管混凝土柱力学性能的基础上，对比试验现象与试验结果后发现八边形截面中空夹层钢管混凝土柱的承载能力高于方形截面柱的承载能力，但比圆形截面柱的承载能力稍低，且与八边形直边与斜边之比相关。并采用有限元方法对此类构件进行了更加深入的力学性能研究，通过分析影响构件承载能力的各主要参数，利用试验与数值模拟结果，提出了轴压条件下八边形中空夹层钢管混凝土短柱极限承载力的计算公式。

（2）杨俊杰，高子瑶，吴祖成［6］在关于八边形中空夹层钢管混凝土偏心受压柱方面也进行了试验研究，其以长细比和偏心率为变化参数，通过详细分析试验现象和试验结果，总结出了此类构件的一些力学性能，并对比了相同条件下的圆中空夹层钢管混凝土、方中空夹层钢管混凝土，发现其承载能力比方形截面柱高，但比圆形截面柱稍低。其承载能力影响因素主要有构件的轴压性能、抗弯性能以及偏心率。在分析试验结果和利用数值分析的基础上，提出了八边形中空夹层钢管混凝土压弯构件承载力验算公式。

（3）何怡群［7］对以PVC-U为内管的八边形中空夹层钢管混凝土柱进行了试验研究，其通过对6个以PVC-U为内管的八边形中空夹层钢管混凝土柱试件的轴压试验，通过对比研究得到了径厚比、空心率、长细比3个参数对其极限承载力的影响。在进行深入的分析后发现在轴压条件下此类柱的破环首先开始于核心混凝土，虽然核心混凝土强度有所提高，且表现为较明显的塑性特征，但核心混凝土先于钢外筒屈服和达到极限强度，内侧PVC-U管塑性变形强，没有出现明显的破坏，外侧钢管滞后于核心混凝土破坏；柱子长细比的变化对承载能力影响显著，外钢管的径厚比和柱子的空心率对承载能力有影响。

（4）马世龙［8］在研究八边形中空夹层钢管混凝土轴压短柱力学性能中，以PVC-U管八边形中空夹层钢管混凝土轴压构件的试验为依据，利用有限元原理，建立有限元计算模型并对构件的轴压性能进行研究，通过对比试验和模型，发现两者吻合较好，在分析构件材料在全过程受力过程中荷载-纵向应变关系及构件的位移曲线等后，利用有限元原理分析模型，分别研究了径厚比、空心率、核心混凝土强度、PVC-U内管厚度、长细比等参数变化时对八边形中空夹层钢管混凝土组合构件轴压承载能力的影响，并对比了内钢管与内PVC-U管对构件轴压承载能力的影响，最后提出八边形中空夹层钢管混凝土轴压短柱的简化实用计算公式。

（5）在八边形中空夹层钢管混凝土PVC-U内管研究方面，浙江工业大学［9］通过对3个PVC-U内管的八边形中空夹层钢管混凝土柱轴压构件的试验研究，在分析了PVC-U内管的破坏形态和破坏发生的原因之后，根据轴压时PVC-U内管的荷载一变形曲线，对数据进行了计算分析，得到了PVC-U内管与核心混凝土间相互作用力随荷载变化的曲线。

4.力学性能影响因素

4.1径厚比的影响。

（1）浙江工业大学马世龙在研究径厚比的影响时，在保持试件其它尺寸不变的前提下，改变外钢管厚度，以80～33.3的径厚比试件为试验对象，通过试验研究，最后得到径厚比对构件轴压承载力的曲线，见下图2。

（2）从曲线中我们可以看出试件的极限承载力随着径厚比的增大而减小且减小幅度越来越缓慢，这也与

参考文献7中的试验结果相符。

4.2长细比的影响。

何怡群在研究PVC-U内管的八边形中空夹层钢管混凝土柱极限承载力的过程中，在其它条件都相同的前提下，改变试验构件长度，通过试验3个系列的试件，最后得到了长细比对构件极限承载力的影响，从试验结果分析，在长细比在8至14的范围内构件极限承载力随长细比的增加而减少。但由于长细比范围较小，不能准确反映出长细比影响的总规律。马世龙在这方面进行了更加深入的试验研究，其通过研究长细比在8至28范围内的构件，将试验结果利用有限元方法配合修正的欧拉公式得出构件临界轴力随长细比的变化情况，其通过分析结果得出长细比λ=20是此类构件材料破坏和失稳破坏的界限值。

4.3内管的影响。

对于八边形中空夹层钢管混凝土，绝大部分作用由核心混凝土和外钢管承担，内管承受的作用相对较小，由文献5和文献7可知，在不改变其它条件下，当采用钢内管时，其承担了约6%的作用，而采用PVC-U作为内管时，其承担的作用约3%，两者占比均较小。在实际工程应用中，可忽略内管提供的承载力，而仅作为一种安全储备考虑。

5.结论

八边形中空夹层钢管混凝土相对于其它截面形式的钢管混凝土，有着均衡的技术经济性能，在满足结构可靠度的前提下，降低了实际工程造价。当内管用PVC-U管代替钢管时，其综合性能进一步提升，尽管极限承载力有所下降，但其降低了自重，增加了用途，经济成本进一步降低。八边形中空夹层钢管混凝土由于刚出现不久，相关研究也比较散乱，很多细节尚未研究明确，且有关

参考文献所作试验有限，其成果可靠性还需通过实践来检验。

参考文献

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［3］陶忠，韩林海，黄宏.方中空夹层钢管混凝土偏心受压柱力学性能的研究［J］.土木工程学报，2003，36(2)：33～40.

［4］王俊颜，杨全兵.聚氯乙烯塑料管混凝土力学性能的试验研究［J］.同济大学学报：自然科学版，2009，37(7)：929～933.

［5］杨俊杰，徐汉勇，彭国军.八边形中空夹层钢管混凝土轴压短柱力学性能的研究［J］.土木工程学报，2007，40(2)：33～38.

［6］杨俊杰，高子瑶，吴祖成.八边形中空夹层钢管混凝土偏心受压柱的试验研究［J］.工业建筑，2009，39(3)：116～118.

［7］何怡群，杨俊杰.PVC-U内管的八边形中空夹层钢管混凝土柱极限承载力的试验研究［J］.浙江工业大学学报，2011，39(5)：546～549.

［8］马世龙.八边形中空夹层钢管混凝土轴压与偏压短柱力学性能研究［D］.杭州：浙江工业大学，2012.

篇(7)

关键词：铁路桥梁；斜拉桥；局部分析；子模型法；槽型梁

中图分类号：U448.27；U448.13文献标识码：A

斜拉桥结构体系包括漂浮体系、半漂浮体系、塔梁固结体系（塔梁通过固定支座相连）和刚构体系（塔梁墩刚接）[1].在300 m以下跨度的轨道交通斜拉桥中，为提高桥梁纵向刚度，多采用塔梁固结或刚构体系，且主梁多为预应力混凝土结构.刚构体系的优点在于结构整体刚度较大，避免了在塔柱上设置大型支座，无需临时支撑和体系转换，尤其适合悬臂转体施工.其缺点在于塔梁墩连接区域构造复杂，固结部位易出现较大应力，因此，对于采用塔梁墩固结的斜拉桥，除做整体计算外，还应考察局部节点的应力分布情况.

国内外学者对斜拉桥局部受力分析已经有了较为广泛的研究，文献[2-3]分别对大跨度钢桁梁（箱）梁斜拉桥的索桁（梁）锚固结构进行了受力性能研究；文献[4]对某公铁两用斜拉桥边桁整体节点进行了数值分析和模型试验；文献[5-6]研究了斜拉桥塔梁固结处的应力分布；文献[7]对斜拉桥桥塔钢横桁梁整体节点进行了试验模型研究和有限元分析.但既有研究对象多为钢桁（箱）梁和混凝土箱梁，而对于高速铁路槽型截面斜拉桥上塔梁墩固结区而言，其应力分布情况尚不明确.

本文以沪昆客运专线某槽形截面塔梁墩固结斜拉桥为工程背景，建立局部空间实体单元模型，分析塔墩梁墩固结区受力特点、应力分布规律和传力机理，并对构造细节进行比较研究.

1局部分析方法

结构局部受力分析方法主要包括子模型法和直接建模法[8].子模型法又称切割边界位移法，是在整体模型的基础上切割边界生成考虑了结构构造细节的子模型，将切割边界上的位移值施加至子模型上，通过对子模型网格细分进行受力分析[9].子模型技术理论严谨，但要求整体模型必须是全桥实体单元或壳单元模型.直接建模法则根据局部结构建立实体单元模型，从整体计算模型中取出位移或内力结果施加至局部模型上，通过验证局部模型与整体模型在相同位置处的计算结果保证局部模型的正确性.直接建模法的思想实质跟子模型是一致的，且由于其整体模型中能考虑施工过程、混凝土收缩徐变和预应力钢筋等因素，在工程实践中应用较多，本文即采用该方法.

2工程背景

3空间有限元模型

整体有限元模型见图3，主梁和塔柱采用空间梁单元模拟，拉索采用杆单元模拟，为正确模拟拉索的空间位置，主梁和塔柱拉索锚固位置建立刚臂形成鱼刺梁模型.

在隔离体范围内建立局部模型时须保证边界截面远离应力分析区域，对矩形梁而言，通常认为影响范围为一个梁高[12].本文局部模型横桥向取桥梁全宽，竖桥向沿主梁底板上下侧分别长为11 m和7.641 m，顺桥向沿桥塔中心线小跨侧长9.5 m，大跨侧长11.6 m.塔柱为矩形空心截面，单根塔柱顺桥向宽6 m，横桥向宽3 m；槽型梁宽10.8 m，梁高不超过3.7 m，隔离体范围均大于两倍梁高.力的边界条件以刚域形式施加（在边界截面的质心处建立主节点，截面其余节点与主节点之间形成刚域，荷载施加至主节点上）而非集中力，可消除边界处荷载分布不均匀的影响.

6结论

将斜拉桥槽型梁两侧边箱插入塔柱中形成塔梁墩刚接体系，可压缩结构尺寸，减小转体重量.在设计荷载作用下，该桥塔梁墩固结区其整体应力水平满足规范要求，并且应力水平相对于固结区范围以外截面较低，其结构设计合理.

固结区中心截面腹板和底板应力的分析结果表

明，槽型截面的存在使得固结区沿横桥向存在一定水平拉应力，建议在设计时应加强横向普通钢筋配置.

对槽型断面塔梁刚接的斜拉桥而言，槽型梁底板上缘与塔柱交接角处，以及内部纵向过人洞与竖向过人洞交接角处存在较大的应力集中现象.

在响应位置加设圆弧倒角，可使结构形状过渡平缓，能较大幅度地减小应力集中程度.建议工程设计及施工时应避免在塔梁墩固结区结构出现尖角和折角，可通过加设倒角等措施使结构过渡平缓.

参考文献

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