土木工程中工程力學(xué)知識(shí)的應(yīng)用舉例

閆瑞亭

摘?要：土木工程，是指為人類生活、生產(chǎn)服務(wù)的各類與水、土和文化有關(guān)的各種工程設(shè)施的計(jì)劃、建造和維修。一般包括房屋建筑、道路交通、鐵道工程、給水排水、民航、港口工程等。鐵路作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈、國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施和基本的交通運(yùn)輸工具，在實(shí)際生產(chǎn)和生活中起著舉足輕重的地位，鐵道工程是其內(nèi)在支撐，在而工程力學(xué)知識(shí)和原理在鐵道工程建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的作用。本文以土木工程中的鐵道工程為例，來說明土木工程中如何具體應(yīng)用工程力學(xué)知識(shí)和原理，闡述工程力學(xué)知識(shí)和原理與土木工程實(shí)際應(yīng)用的緊密結(jié)合，為通過優(yōu)化力學(xué)知識(shí)來解決工程實(shí)際問題和工程力學(xué)教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：土木工程;鐵道工程;工程力學(xué);力學(xué);應(yīng)用

工程力學(xué)是一門具有較強(qiáng)理論性、抽象性又和實(shí)際工程聯(lián)系十分密切的技術(shù)性的基礎(chǔ)性學(xué)科，工程力學(xué)的定理、定律以及結(jié)論十分廣泛應(yīng)用于土木工程的技術(shù)中，它是解決土木工程當(dāng)中實(shí)際問題的重要基礎(chǔ)。

鐵道工程是鐵路上的各種土木工程設(shè)施的科學(xué)技術(shù)的統(tǒng)稱。它包括鐵道工程所應(yīng)用的材料和機(jī)械設(shè)備等。也包括為人們生活、生產(chǎn)所服務(wù)的各類鐵道工程的鐵路線路、鐵路車站、鐵路橋梁和相關(guān)配套設(shè)施等所進(jìn)行的設(shè)計(jì)、施工、安裝和維護(hù)等各項(xiàng)技術(shù)工作及其完成的工程實(shí)體。

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，工程結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了前所未有的大型化、齊特化、復(fù)雜化，超高層建筑不斷刷新著世界記錄，巨型大壩、港珠澳大橋以及復(fù)雜的鐵路系統(tǒng)等超級(jí)工程不斷涌現(xiàn)，滿足人們的生活需求。而這一切都離不開作為其重要支撐的工程力學(xué)的知識(shí)和原理，只有這樣土木工程的發(fā)展才能走向更加深遠(yuǎn)和廣闊，更好的為人類社會(huì)做出極其重要的貢獻(xiàn)。

具體實(shí)際應(yīng)用和結(jié)合，舉例說明：

一、鐵道工程中設(shè)計(jì)階段的工程力學(xué)應(yīng)用

力學(xué)知識(shí)在鐵道工程設(shè)計(jì)工作中的作用是不言而喻的。鐵道工程中空間結(jié)構(gòu)的受力分析，復(fù)雜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的應(yīng)力和次應(yīng)力，鐵路橋梁、擋水墻、桁架橋結(jié)構(gòu)、橋墩、支座及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析計(jì)算等都是和力學(xué)有著不可分割的密切聯(lián)系，力學(xué)理論、物理學(xué)、數(shù)學(xué)及計(jì)算工具的進(jìn)步共同使鐵路設(shè)計(jì)與鐵道工程安全這對(duì)矛盾問題得到最大的合理解決。

例如，為什么多數(shù)鐵路橋梁的橋墩為圓端形截面？

從工程力學(xué)角度考慮，圓端形截面橋墩具有較大的截面模量，在避免應(yīng)力集中方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，通過試驗(yàn)回歸分析，比較分析剪跨比、軸壓比、縱筋率與體積配箍率等4個(gè)因素對(duì)延性性能的影響程度，[1]各因素設(shè)計(jì)合理可以極大的提高橋墩的抗震性能。

從流體力學(xué)的角度來考慮，在有效減小水流荷載、流冰壓力和風(fēng)荷載等橫向外力的作用，圓端形截面都有著明顯的優(yōu)勢(shì)。尤其在河流當(dāng)中，圓端形截面橋墩可以使水流順暢通過橋孔，有效減小阻水面積，大大減輕了水流對(duì)橋墩的局部沖刷和水流壓力，同時(shí)減輕了對(duì)鐵路橋梁整體的損害。具有矩形截面和圓形截面的共同優(yōu)點(diǎn)。

二、鐵道工程中施工階段的工程力學(xué)應(yīng)用

工程力學(xué)知識(shí)對(duì)于鐵道工程施工工作是不可或缺的。

例如，為什么施工模板的安裝和拆除工程施工方案的確定，模板的安裝和拆除必須嚴(yán)格按規(guī)范要求來進(jìn)行，如拆除模板時(shí)，拆除支撐的時(shí)間是需要準(zhǔn)確計(jì)算的，如果混凝土強(qiáng)度達(dá)不到一定的強(qiáng)度值，可能會(huì)因?yàn)橹蜗到y(tǒng)喪失穩(wěn)定性造成塌落事故。所以必須確保鋼筋混凝土能夠達(dá)到足夠的強(qiáng)度值來承受上部荷載，如果鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度值未達(dá)到規(guī)定值時(shí)，嚴(yán)禁拆除模板。

例如，為什么施工縫的留設(shè)位置應(yīng)設(shè)置在結(jié)構(gòu)受剪力較小和便于施工的部位。受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或有防水抗?jié)B要求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，施工縫留設(shè)位置應(yīng)經(jīng)設(shè)計(jì)單位認(rèn)可。[2]如果施工縫留設(shè)位置不當(dāng)，會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全性能和使用壽命，甚至引發(fā)安全質(zhì)量事故。

例如，為什么施工腳手架、塔吊的安裝計(jì)算，預(yù)制構(gòu)件堆放時(shí)墊木的位置和吊裝時(shí)起吊點(diǎn)位置的選定等，都需要通過工程力學(xué)的知識(shí)來確定。從事鐵道工程施工或監(jiān)理的工程專業(yè)技術(shù)人員，只有掌握了工程力學(xué)的基本原理和知識(shí)、基本定理和結(jié)論，才能真正懂得鐵道工程中各種構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的受力情況、作用以及荷載的傳遞途徑，以及它們?cè)诟鞣N外部荷載作用下會(huì)產(chǎn)生什么樣的強(qiáng)度和剛度問題。這樣才能正確理解設(shè)計(jì)意圖和保證按圖施工，制定出合理的施工方案、安全措施和質(zhì)量保證措施，從而保證建筑施工過程中的絕對(duì)安全，確保工程質(zhì)量，避免事故發(fā)生。[3]

三、鐵道工程中事故分析階段的工程力學(xué)應(yīng)用

工程力學(xué)知識(shí)對(duì)于鐵道工程中事故分析工作的作用是不可替代的。

例如，2008年11月15日，杭州地鐵一號(hào)線湘湖站施工工地發(fā)生路面塌方事故，造成21人遇難，重傷4人，輕傷20人，直接經(jīng)濟(jì)損失近5000萬元的重大安全責(zé)任事故。事故原因從力學(xué)角度來解釋，其中設(shè)計(jì)單位未考慮到一些上部通行活荷載的力學(xué)問題，未根據(jù)當(dāng)?shù)剀浲列再|(zhì)合理選用力學(xué)參數(shù)，基坑圍護(hù)相關(guān)設(shè)計(jì)的參數(shù)選取不當(dāng)，降低了基坑支撐圍護(hù)體系的安全度。其中施工單位存在違規(guī)冒險(xiǎn)施工作業(yè);支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)存在嚴(yán)重缺陷，鋼管支撐體系架設(shè)不及時(shí)，立柱之間缺乏設(shè)置剪刀撐，部分鋼支撐的安裝位置不符合設(shè)計(jì)要求，降低了支撐休系的整體穩(wěn)定性;嚴(yán)重超挖基坑，使得地下連續(xù)墻底部產(chǎn)生的內(nèi)力彎矩和剪力過大，超過上部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力。設(shè)計(jì)和施工單位均存在沒有合理科學(xué)的運(yùn)用力學(xué)知識(shí)的問題。

四、結(jié)語

土木工程是工程力學(xué)的外在表現(xiàn)，工程力學(xué)是土木工程的靈魂所在，二者相互支撐是一個(gè)不可分割的統(tǒng)一體，本文通過工程力學(xué)知識(shí)和原理在鐵道工程中具體的應(yīng)用舉例，為通過優(yōu)化力學(xué)知識(shí)來解決工程實(shí)際問題和工程力學(xué)案例教學(xué)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣麗忠，邵光強(qiáng)，姜靜靜，王輝.土木工程學(xué)報(bào)，2013，46（3）：3.

[2]混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范GB

50666-2011.

[3]段瑋瑋，黃柱.淺析力學(xué)在土木工程專業(yè)的重要性.中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2015-12-05.