淺談力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用與發(fā)展

李振浩

摘 要：力學(xué)的應(yīng)用是非常廣泛的，該文主要以高中物理力學(xué)的視角，介紹了力學(xué)的概念和基本內(nèi)容，闡述了力學(xué)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(xué)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(xué)在此領(lǐng)域的發(fā)展，形成了理論力學(xué)、固體力學(xué)和流體力學(xué)等新的學(xué)科。

關(guān)鍵詞：力學(xué) 土木工程 力的平衡 建筑力學(xué)

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(xué)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(xué)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(xué)原理解釋的。

1 力學(xué)的基本內(nèi)容

力學(xué)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(xué)原理中的重要內(nèi)容，貫穿于整個力學(xué)，是整個物理學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，也是高中學(xué)習(xí)的重點、難點和考點。力學(xué)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(xué)的實際效果。

2 力學(xué)與建筑力學(xué)的聯(lián)系

建筑力學(xué)是應(yīng)用于土木工程中的基礎(chǔ)理論，它由理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)三大部分組成。理論力學(xué)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(xué)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(dǎo)致各種材料破壞的極限[3]；結(jié)構(gòu)力學(xué)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(xué)、材料力學(xué)還是結(jié)構(gòu)力學(xué)，都是以力學(xué)為基礎(chǔ)的，是力學(xué)的擴展應(yīng)用。

但是，從另一方面看，力學(xué)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(xué)的原理，并提出了新的力學(xué)問題，推動了理論的發(fā)展。

綜上所述，力學(xué)原理是建筑力學(xué)的前身，建筑力學(xué)是在力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是對力學(xué)的進一步應(yīng)用和擴展。反過來，建筑力學(xué)的發(fā)展又對力學(xué)原理進行了驗證和補充。但是力學(xué)并不是建筑力學(xué)，它們是交叉學(xué)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(xué)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(xué)問題，而建筑力學(xué)解釋不了。而用力學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)在建筑領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展

力學(xué)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(xué)理論。力學(xué)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(xué)。

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

靜力學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)原理中的慣性和牛頓三定律等內(nèi)容。而從動力學(xué)方面來講，由于動力學(xué)研究的是物體機械運動與受力的關(guān)系。所以，動力學(xué)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(xué)原理的知識點。

第二，形成了建筑固體力學(xué)。

固體力學(xué)是力學(xué)中研究固體機械性質(zhì)的學(xué)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(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)等部分。固體力學(xué)與力學(xué)原理聯(lián)系緊密，力學(xué)原理中的拉力、壓力和阻力等是材料力學(xué)的理論基礎(chǔ)，例如材料力學(xué)的主要研究內(nèi)容之一是對桿件進行力學(xué)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(xué)原理中的彈力結(jié)合建筑原理形成了新的學(xué)科 —— 彈性力學(xué)；而力學(xué)中的動力、摩擦力等延伸為固體力學(xué)中的動力學(xué)等等。隨著計算機的飛速發(fā)展，分子動力學(xué)等微觀模擬方法、復(fù)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(xué)和工程設(shè)計中得到應(yīng)用和發(fā)展，這也涉及到了力學(xué)的基礎(chǔ)知識。固體力學(xué)的上述發(fā)展，必將推動科學(xué)和工程技術(shù)的巨大進步。

第三，形成了建筑流體力學(xué)。

流體力學(xué)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(dǎo)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(xué)在建筑工程中成功應(yīng)用的案例。流體力學(xué)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(xué)對建筑工程的發(fā)展有著不可替代的作用。流體力學(xué)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(xué)奠定了基礎(chǔ)。而浮力和液體平衡理論也恰恰是力學(xué)原理的內(nèi)容。

綜上所述，力學(xué)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(xué)。力學(xué)原理與建筑工程的其他學(xué)科也有交叉，如流體彈性力學(xué)、爆炸力學(xué)等等。這些不同的力學(xué)學(xué)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(xué)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(xué)是有密切關(guān)系的，可以說沒有可靠的力學(xué)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(xué)原理與建筑力學(xué)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(xué)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(xué)[M].高等教育出版社，2012：1-5.