力學在土木工程中的應用

林宇航

（福建江夏學院 福建 福州 350108）

1 土木工程中所使用力學基本理論內容研究

通常，在實際學習中，力學是一門屬于利用數學方法對機械運動進行探究的學科，由于其闡述的基本規律和內容帶有一定的普遍性，故在實際工程中可提供較為廣泛的技術理論，也可為土木工程等工程技術提供相關設計原理、計算方式、實驗等依據。對于力學的基本分類可根據不同要求進行劃分，如依據不同研究對象，可將力學劃分成固體、流體、一般力學三大類，其中固體力學和流體力學主要針對連續介質研究對象的模型進行探究，而剩余部分的研究對象則屬于一般力學研究范疇。一般，固體力學會包含彈性力學部分內容、斷裂力學部分內容、散體力學部分內容等，流體力學會包含水動力學、空氣動力學、滲流力學等部分，多力學范疇進行交叉后可囊括流變學等內容。而不同種類力學在土木工程中進行利用時會包含多力學知識的交叉，如經常會用到土力學知識、巖石力學知識、爆炸力學知識、物理力學知識、計算力學知識等，依據土木工程所使用力學知識的不同可選取不同的計算方法和設計方法等，以下為土木工程中所使用力學基本理論內容研究。

1.1 土木工程中所使用力學基本量研究

由于土木工程建設中多考察的研究對象大多處于靜力平衡體系，故土木工程中所使用的力學基本量會包括以下內容：

（1）土木工程中所使用力學基本量會包括外力。通常在彈性力學中外力會包含體力及面力兩種，理論力學中所包含外力則包含集中力，材料力學中所包含外力則包含集中力及分布力，在土力學中所包含外力為分布力。對于不同種類外力作用在實際設計計算中所使用的求解方法也不盡相同，而靜力平衡中所涉及外力主要表現為體力與面力的組合。

（2）土木工程中所使用力學基本量會包括內力。在彈性力學中內力會涉及到正應力及剪應力兩種，理論力學所涉及內力則主要指所研究對象內部不同質點的互相作用力，材料力學中所涉及內力主要包含彎矩、剪切力等，針對巖石力學中所研究塊體結構設計內力會包含正應力及剪應力等。對于不同種類的應力，在實際工程應用時，可將大部分內力轉化為對研究對象內部不同作用點的應力計算，該基本用量在土木工程設計中屬于較為重要的指標，可依據給基本用量對材料的基本性能盡相對比。

（3）土木工程中所使用力學基本量還包括應變。該類基本量主要是指較小單元的變形，包括有線應變與角應變，對于不同使用力學類型所使用的應變求解方法會不盡相同，如彈性力學中應變的求解屬于位移計算的一個中間過程，結構力學中針對桿件或者質點系盡相應變的計算也沒有太大的含義，而讀于土木工程中應變的計算主要可當作不同斷面的位移變形標準，可為土木工程設計及計算提供科學依據。

（4）土木工程中所使用力學基本量還包括位移。該類基本量為應變的宏觀表現，與應變之間關系為偏微分關系，在不同種類的力學中其表示的方法會有所不同，如在彈性力學中位移可使用坐標的分量類進行表示，在材料和結構力學中位移則可使用截面的位移來進行表示等。位移在使用時還分為角位移和線位移兩種，無論哪種位移，在實際使用時截面都應為平面狀態，絕不可能出現曲面的狀態，如出現截面為曲面狀態時，需要將截面假設為平面，做土木工程計算機設計的近似處理。

1.2 土木工程中所使用力學解析計算法研究

在土木工程建設中所使用力學模型大多涉及平面問題，故對于土木工程所使用的力學解析方法只針對平面問題，或將較為復雜的空間問題轉化為平面結構進行分析和處理，對于復雜空間轉化為平面結構進行處理需要在涉及中增加安全系數來進行設計，以下為土木工程中所使用力學解析計算法具體研究：

（1）在土木工程中可使用基本求解方程的方法進行力學解析，對于該方法在使用時要進行基本的假設，如要假設所研究對象具有較強的連續性和均勻性，還要保證其形變位移處于較小狀態等。針對土木工程中所涉及到的不同力學類型，其實用的方程設立也不盡相同，如對于研究對象外部因素確定情況，所設立的方程可依據質量守恒建設流體力學的連續性方程，也可依據動量平衡設立粘性流體或者彈性固體的平衡微分方程等。而在固體力學中使用方程盡相解析時，要考慮到被研究對象的平衡、位移、本身結構，所建立力學方程主要包括納維方程、柯西方程與物理方程等，使用不同方程還要考慮到被研究對象的微元狀態，描述好其本身結構的關系，之后進行方程的計算。

（2）由于在土木工程中經常使用到內力、位移等物理量，故在進行力學求解時需要將內力和位移考慮在內，基于該情況，土木工程中常使用到的求解方法包括力法與位移法兩種。其中，立法屬于較為傳統的使用方法，對于不同研究對象，都要使用先削弱后進行修復的方式進行計算，也就是將已有的約束進行解除，改為容易分解的靜態結構進行計算。對于彈性力學中力法的使用，主要使用應力函數進行求解，在求解之前要進行合理假設，如進行平面截面假設或者桿件假設，依據所研究對象的平衡情況、幾何條件及物理條件等進行聯立求解，進而求出方程中的未知量。此外，位移法使用時主要的未知量為位移，在土木工程設計中對于強度的設計主要表現為內力設計，而剛度設計的計算則次之。故使用位移法計算所使用方法為先進行加強后進行修復，也就是對于所設計的土木工程結構進行節點的固定，后將階段進行力矩及剪力的平衡來消除節點中不平衡的力矩，使得方程成為平衡方程。依據不同節點處力矩的平衡條件可使用逐次迭代、彎矩分配等漸進計算的方法對復雜情況進行求解，具體求解過程可依據方程的難度進行手工計算或者計算機計算，但隨著我國科技的不斷提升，在土木工程實際計算時常使用計算機計算方法進行科學計算，以此來保證土木工程設計的科學性和專業性。

2 力學在土木工程中所應用理論知識研究

在力學的應用范疇內，土木工程建設與設計屬于較早的涉及領域，我國在高等教育中經常會設立土木工程專業，對于高等教育中土木工程專業所涉及到的力學專業理論知識主要包括理論力學、彈性力學、土力與巖石力學、結構力學等主要學科。其中理論力學在土木工程中應用時會與物理知識練習緊密，多研究對象主要為剛體，探究內容主要涉及作用力和物體運動的關系，而其他力學學科則探究的對象大多為變形體，演技內容主要涉及到不同力系的平衡或者簡化問題。如材料力學主要研究不同作用力對所研究對象形變的影響，常涉及桿件的彎曲變形等，主要計算包含強度與剛度等內容；結構力學主要研究內容為桿件結構的基本原理及不同結構的具體受力情況；彈性力學主要使用近似的方法對實體結構受到外力作用的應力及位移變化等；土力學主要研究地基的應力變形情況，也會對土木工程所包含的土坡、擋風墻設計進行計算；巖石力學主要研究巖石地基、土木工程地下工程等穩定性和基本設計方法。

此外，對于土木工程所涉及到的專業力學知識還可劃分為結構力學與彈性力學兩大類。其中，彈性力學在土木工程中的使用是基于高等數學體系進行建設的，主要分析方法為微單元的方法，對于彈性力學分析通常不會引入計算假設，而結構力學在土木工程中使用會具有較為明顯的工程特征，計算時可簡化的模型包括質點或者杠桿，需要引入一定的計算假設，如平面截面的計算假設，以此來設立基本的計算和設計理念。對于這兩類力學，彈性力學的計算可使用簡單材料力學進行計算，但需要借助于偏微分方程組方法來滿足假設較少的情況，故該類型力學學科計算的靈活性不夠高，解答的容易性也不夠強，但由于其理論性和科學性相對較強，在實際土木工程中使用時會經常用到，實際使用時要尤其注意彈性力學的求解方法與技巧，從而提升實際計算的科學性和準確性。

3 力學在土木工程中實際應用研究

3.1 壓力應用于土木工程實際研究

依據上述對土木工程中力學等多方面內容的具體研究，在土木工程實際建設中會使用到很多力學知識，借助于力學內容的研究可進一步提升土木工程項目開展的科學性和有效性。壓力屬于土木工程科學理論中的基本力學支撐，壓力可應用于土木工程設計建設的基本施工中，通過使用壓力可保證土木工程的基本穩定性，也可在原油的施工應用范圍內擴大實際使用情況。如土木工程實際施工中，對于建筑材料的選用會使用到壓力相關知識，借助于壓力知識可對工程使用材料的寬度和廣度進行最大承受力的計算；當土木工程施工研究對象為橋梁時，橋梁的壓力承受情況和橋墩的受力情況屬于橋梁設計的主要數據，壓力承受情況的計算也會對橋梁的穩定性造成直接影響，也會直接作用于施工質量。此外，在土木工程項目施工完成之后，進行工程質量的檢查時，也需要對建筑物的承受壓力情況進行測量，通過壓力的測量來判斷該建筑物的整體質量是否合格。總結可得，壓力在土木工程中實際應用主要涉及到施工工作的參考數據和工程質量的重要衡量指標。

3.2 摩檫力應用于土木工程實際研究

摩擦力在土木工程施工設計中應用也較為廣泛，主要涉及到以下部分內容。一方面，針對土木工程設計施工中涉及到的滑輪，可借助于摩檫力的研究和使用來調整材料運動的基本方向，通過對滑輪的受力分析可將其所受到的摩擦阻力進行改變，并將摩擦阻力轉化為實際工程所需的動力，從而方便土木工程材料的運輸。另一方面，在土木工程實際施工中，所使用不同部件接觸部分的接觸面經常會包含摩檫力，摩檫力會將壓力面的受壓情況提升，借助于摩檫力的該情況可使得實際施工的穩定性得到保障。總結可得，摩檫力在土木工程中的實際應用主要表現在施工技術和提升建筑穩定性兩個方面，通過使用摩檫力可將施工中的技術應用成本降低，也可通過摩檫力的使用來提高土木工程建筑物的穩定性，使得土木工程施工更加科學化。

3.3 重力應用于土木工程實際研究

在土木工程實際應用中，重力屬于較為重要的部分，物理學科中關于重力的使用可對土木工程的施工和設計具有較為重要的作用。借助于重力相關力學知識可對土木工程施工的不同施工階段的材料力作用進行科學化分析，依據已有的計算公式也可對土木工程的各個階段進行合理化設計，保證相關設計內容滿足基本的施工要求，還可在施工進行中和施工完成之后對施工效果進行重力測試。另外，在施工開始之前對于所使用材料的購買也可利用重力知識進行性能的監測，依據重力相關計算結果進行材料的選取，可從源頭上保證施工的安全性和穩定性。在實際施工中，還可使用重力與反作用力的相互作用關系對施工運輸工作進行指導，使得有用功和功率關系得到有效調節。總結可得，重力在土木工程中的應用主要包括以下方面：可為土木工程的實際施工提供核心質量檢驗；利用相關計算公式進行土木工程科學設計；通過使用重力知識可對施工所使用材料進行專業選取；重力與反作用力關系對運輸進行指導等，以此來提升整體施工的穩定性和安全性，保證土木工程施工高效如期完成。

3.4 合力應用于土木工程實際研究

依據力學中主要的能量守恒定律可知不同作用力在經過分析后可產生合力作用，合力作用在土木工程施工中也較為常見，通過合力作用，在一定程度上可簡化工程施工，實現高效工作。如借助于桿件機構中的杠桿原理，可使得土木工程施工所使用的材料本身能量轉化為可直接應用的能量，減少無用功的消耗；還可借助于合力作用對材料進行疊加，將不同材料所受到的作用力進行分化，以此來保證施工整體材料的穩定性；還可使用合力作用的相互平衡，對施工所涉及作用力進行相互制約，使得施工的力學整體結構處于穩定狀態等。

4 力學在土木工程中實際應用發展研究

在土木工程建筑施工中，力學知識的應用會涉及到很多方面，如建筑理論力學、固體力學、流體力學等，針對于土木工程實際應用力學的基本情況，再結合新科技技術的發展情況，可對力學再土木工程中應用發展情況進行合理化探究。以下為力學應用于土木工程的日后發展研究：

（1）借助于理論力學的基本知識可形成土木工程轉悠的建筑理論力學，將理論力學中的運動力學、靜力學、動力學知識應用于土木工程建筑中，探究建筑設計使用牛頓運動定理的基本情況，針對土木工程施工的實際情況可將多種力學原理進行分解或者組合，以此來提升建筑施工的穩定性和安全性。

（2）使用固體力學的基本理論內容形成土木工程建筑特有的固體力學，將固體力學所涉及到的彈性力學及材料力學等內容應用于土木工程施工的不同階段，借助于不同力的合成、平衡和分解來科學化指導實際施工，使得整體施工應用科學知識更加廣泛性，在降低施工難度的同時，也可使得土木工程施工更加簡便化。此外應用動力學知識還可對土木工程建屬進行微觀模擬，借助于模擬探究結果可監測建筑的安全性和整體性能，使得土木工程建筑施工更加清晰化。

（3）使用力學只是中的流體力學知識可形成土木工程建筑流體力學，將流體力學知識更好地應用于多類型的土木工程，如對于都江堰等土木工程，使用流體力學的基本原理，可對地下水基本情況進行測定，并依據測定結果可判斷地下水對建筑可能產生的影響，以此在建筑建設前期實現對土木工程安全性的判定。此外，通過使用流體力學的物體浮力定理和液體平衡理論，還可為多類型的土木工程提供更加全面化的科學指導。

（4）隨著我國經濟和科學技術的不斷提升，還可將計算機科學技術應用于土木工程力學內容的使用，可使用計算機對土木工程所涉及到的力學進行高效計算，也可通過對計算機計算結果的分析為實際施工提供科學依據。此外，還可使用力學相關計算機軟件對土木工程施工進行施工前模擬，通過模擬來判定已有施工圖紙的可靠性，還可使用CAD 等土木工程特有軟件基于力學基本理論知識對土木工程施工圖紙進行繪制等。

5 結語

總結可得，力學在土木工程中的應用研究具有較為重要的意義和作用。通過對力學基本理論知識的研究，可將不同力學知識合理應用于土木工程施工的不同階段，還可通過對力學相關分析計算方法的研究來實現對土木工程施工基本性能檢測，以此來提升施工的安全性和穩定性。現有力學在土木工程中的應用主要包括不同作用力的工程應用，如壓力在土木工程中實際應用主要涉及到施工工作的參考數據和工程質量的重要衡量指標等，之后力學在土木工程中的應用還會涉及到計算機模擬、形成建筑自身力學理論等。