淺談力學在土木工程中的應(yīng)用與發(fā)展

李振浩

摘 要：力學的應(yīng)用是非常廣泛的，該文主要以高中物理力學的視角，介紹了力學的概念和基本內(nèi)容，闡述了力學與建筑上的聯(lián)系。并以力的平衡在石拱橋上的應(yīng)用實例，分析了力學在土木工程中的應(yīng)用。最后結(jié)合土木工程的專業(yè)知識，闡述了力學在此領(lǐng)域的發(fā)展，形成了理論力學、固體力學和流體力學等新的學科。

關(guān)鍵詞：力學 土木工程 力的平衡 建筑力學

中圖分類號：TU599；TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（b）-0056-03

土木工程不斷地為人類社會創(chuàng)造嶄新的物質(zhì)環(huán)境，成為人類社會現(xiàn)代文明的重要組成部分。而力學原理又是建筑構(gòu)造的根基。其中，建筑產(chǎn)品的穩(wěn)定性是所有工程中必須考慮的重要因素之一。盡管在生活中，我們會看到一些令人感覺不穩(wěn)定的神奇建筑，如比薩斜塔、空中花園、蘭卡威天塹飛橋等，但是從力學角度分析，它們都屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這些問題是可以用力學原理解釋的。

1 力學的基本內(nèi)容

力學在高中物理中的概念定義為物體間的相互作用[1]。一個物體受到力的作用，一定有另外的物體施加這種作用，前者是受力物體，后者是施力物體。各種力可以用兩種不同的方法來分類：一種是根據(jù)力的性質(zhì)來分類的，如重力、彈力、摩擦力、分子力、電磁力等等；另一種是根據(jù)力的效果來分類的，如拉力、壓力、支持力、動力、阻力等等。而力的合成、分解和平衡也是力學原理中的重要內(nèi)容，貫穿于整個力學，是整個物理學學習的基礎(chǔ)，也是高中學習的重點、難點和考點。力學原理來源于實際生活，故在實際應(yīng)用中可以用力的方法簡化問題，解決問題，突出力學的實際效果。

2 力學與建筑力學的聯(lián)系

建筑力學是應(yīng)用于土木工程中的基礎(chǔ)理論，它由理論力學、材料力學和結(jié)構(gòu)力學三大部分組成。理論力學主要研究物體受力的分析方法和物體在力的作用下的平衡問題[2]；材料力學研究材料在各種外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力、強度、剛度、穩(wěn)定和導致各種材料破壞的極限[3]；結(jié)構(gòu)力學主要研究工程結(jié)構(gòu)受力和傳力的規(guī)律，以及如何進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[4]。不管是理論力學、材料力學還是結(jié)構(gòu)力學，都是以力學為基礎(chǔ)的，是力學的擴展應(yīng)用。

但是，從另一方面看，力學的發(fā)展也離不開建筑工程的推動和促進。比如在建筑中出現(xiàn)了極端條件下的工程技術(shù)問題，這是無法用實驗方法來直接測定。而建筑工程這個天然的實驗環(huán)境就正好驗證了這些力學的原理，并提出了新的力學問題，推動了理論的發(fā)展。

綜上所述，力學原理是建筑力學的前身，建筑力學是在力學的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是對力學的進一步應(yīng)用和擴展。反過來，建筑力學的發(fā)展又對力學原理進行了驗證和補充。但是力學并不是建筑力學，它們是交叉學科，有可以共同解釋的部分，但是也有互相不能解釋的。例如，力學原理可以解釋高溫氣體、氣體激光器和核物理等領(lǐng)域的科學問題，而建筑力學解釋不了。而用力學方法去解釋固體的塑性、強度、損傷和斷裂等方面，卻遇到了極大的困難。

3 力學在土木工程實踐中的應(yīng)用實例

我國的石拱橋在全世界都聞名遐邇，那么簡單石塊堆砌的橋梁怎么保持得穩(wěn)定，怎么實現(xiàn)得力的平衡，下面以一個簡單的例子介紹力學原理在土木工程中的應(yīng)用。假設(shè)石拱橋的簡化圖如圖1所示，整個石拱橋由4塊石塊構(gòu)成，左右對稱結(jié)構(gòu)，第1、4塊石塊直接和地基相連，第2、3石塊分別與1、4石塊相連，試用力的平衡原理對這一石拱橋進行分析。

首先，對第1石塊進行受力分析，其受力分析圖如圖2所示。第1石塊受3個作用力，分別為石塊的重力G1，支座的反作用力F0和第2石塊給它的反作用F21。用正交分解法進行力的計算。列方程式如下所示。

其次，對第2石塊進行受力分析，其受力分析圖如圖3所示。第2石塊亦受3個作用力，分別為石塊的重力G2，第3塊石塊給它的反作用力F32和第1石塊給它的反作用F12。用正交分解法進行力的計算。列方程式如下：

由于第3石塊、第4石塊和第1石塊、第2石塊是對稱的，其受力分析是一樣的，只不過方向相反，故不對這兩石塊進行再次分析。

由上例可以看出可以用力的平衡原理計算橋梁在靜止狀態(tài)下的內(nèi)力值，通過分析每一石塊的受力，計算出最大受力值，利用最大受力值作為可控力的范圍，可以保證橋梁的安全性，當然這里沒有考慮石拱橋承載汽車等荷載的情況，但是思路是一樣的。這樣根據(jù)力的平衡的計算，就可用于設(shè)計橋梁時選擇截面尺寸，合適的建筑材料，以及怎么使橋梁經(jīng)濟化。

4 力學在建筑領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展

力學在建筑工程中的發(fā)展，主要是與建筑專業(yè)的結(jié)合形成了多種建筑力學理論。力學和建筑理論的結(jié)合主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，形成了建筑理論力學。

理論力學是一般力學各分支學科的基礎(chǔ)，是研究物體機械運動基本規(guī)律的學科[2]。它通常分為3個部分：靜力學、運動學與動力學。

靜力學主要研究物體在力的作用下處于平衡的規(guī)律，以及如何建立各種力系的平衡條件[2]。靜力學還研究力系的簡化和物體受力分析的基本方法。這些都用到了力學原理中力的合成、分解和平衡，而且這些問題可以用平行四邊形法則、三角形法則和正交分解法則進行計算。同時，也涉及到力學原理中的慣性和牛頓三定律等內(nèi)容。而從動力學方面來講，由于動力學研究的是物體機械運動與受力的關(guān)系。所以，動力學亦是以牛頓運動定律、萬有引力定律為研究基礎(chǔ)的，這恰恰也是力學原理的知識點。

第二，形成了建筑固體力學。

固體力學是力學中研究固體機械性質(zhì)的學科，主要研究固體介質(zhì)在外力、溫度和形變的作用下的表現(xiàn)。一般包括材料力學、彈性力學、塑性力學等部分。固體力學與力學原理聯(lián)系緊密，力學原理中的拉力、壓力和阻力等是材料力學的理論基礎(chǔ)，例如材料力學的主要研究內(nèi)容之一是對桿件進行力學分析，桿中的內(nèi)力計算涉及到力的合成、分解和平衡等內(nèi)容。力學原理中的彈力結(jié)合建筑原理形成了新的學科 —— 彈性力學；而力學中的動力、摩擦力等延伸為固體力學中的動力學等等。隨著計算機的飛速發(fā)展，分子動力學等微觀模擬方法、復雜結(jié)構(gòu)的仿真分析將更大規(guī)模更迅速地在固體力學和工程設(shè)計中得到應(yīng)用和發(fā)展，這也涉及到了力學的基礎(chǔ)知識。固體力學的上述發(fā)展，必將推動科學和工程技術(shù)的巨大進步。

第三，形成了建筑流體力學。

流體力學是在人類同自然界作斗爭和在生產(chǎn)實踐中逐步發(fā)展起來的。中國有大禹治水疏通江河的傳說，秦朝李冰父子領(lǐng)導勞動人民修建了都江堰，至今還在發(fā)揮作用。大約與此同時，羅馬人建成了大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)，這些都是流體力學在建筑工程中成功應(yīng)用的案例。流體力學的發(fā)展主要是為了盡可能多地開采地下石油和天然氣，而化工流程的設(shè)計，很大程度上也歸結(jié)為流體運動的計算問題，又或者是測定地下流水對建筑物的影響等。總之，流體力學對建筑工程的發(fā)展有著不可替代的作用。流體力學的主要內(nèi)容，包括物體浮力定理和浮體穩(wěn)定性在內(nèi)的液體平衡理論，這也為流體靜力學奠定了基礎(chǔ)。而浮力和液體平衡理論也恰恰是力學原理的內(nèi)容。

綜上所述，力學原理是形成建筑理論的基礎(chǔ)，它與建筑理論的結(jié)合是多方面的，從而形成了多種建筑力學。力學原理與建筑工程的其他學科也有交叉，如流體彈性力學、爆炸力學等等。這些不同的力學學科貫穿于整個土木工程的壽命期，從設(shè)計、施工、后期維修保養(yǎng)，直到最后的爆破消亡，都會運用到力學的原理去解決工程中的實際問題。

5 結(jié)語

建筑的發(fā)展和力學是有密切關(guān)系的，可以說沒有可靠的力學支撐，就不能保證建筑結(jié)構(gòu)的安全，就不能建造出那么多的優(yōu)秀建筑物和構(gòu)筑物。而力學原理與建筑力學的結(jié)合，也是發(fā)展現(xiàn)代高科技建筑的必然趨勢，它們互相替代，互相促進，互相發(fā)展。相信有了力學的支撐，建筑工程會越走越遠，會有越來越多優(yōu)美堅固的建筑屹立在東方大陸上。

參考文獻

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[4] 龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學[M].高等教育出版社，2012：1-5.