土木工程中工程力學知識的應用舉例

閆瑞亭

摘?要：土木工程，是指為人類生活、生產服務的各類與水、土和文化有關的各種工程設施的計劃、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。鐵路作為我國經濟大動脈、國家重要基礎設施和基本的交通運輸工具，在實際生產和生活中起著舉足輕重的地位，鐵道工程是其內在支撐，在而工程力學知識和原理在鐵道工程建設中發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用工程力學知識和原理，闡述工程力學知識和原理與土木工程實際應用的緊密結合，為通過優化力學知識來解決工程實際問題和工程力學教學提供參考。

關鍵詞：土木工程;鐵道工程;工程力學;力學;應用

工程力學是一門具有較強理論性、抽象性又和實際工程聯系十分密切的技術性的基礎性學科，工程力學的定理、定律以及結論十分廣泛應用于土木工程的技術中，它是解決土木工程當中實際問題的重要基礎。

鐵道工程是鐵路上的各種土木工程設施的科學技術的統稱。它包括鐵道工程所應用的材料和機械設備等。也包括為人們生活、生產所服務的各類鐵道工程的鐵路線路、鐵路車站、鐵路橋梁和相關配套設施等所進行的設計、施工、安裝和維護等各項技術工作及其完成的工程實體。

隨著社會和經濟的高速發展，科學技術的突飛猛進，工程結構出現了前所未有的大型化、齊特化、復雜化，超高層建筑不斷刷新著世界記錄，巨型大壩、港珠澳大橋以及復雜的鐵路系統等超級工程不斷涌現，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的知識和原理，只有這樣土木工程的發展才能走向更加深遠和廣闊，更好的為人類社會做出極其重要的貢獻。

具體實際應用和結合，舉例說明：

一、鐵道工程中設計階段的工程力學應用

力學知識在鐵道工程設計工作中的作用是不言而喻的。鐵道工程中空間結構的受力分析，復雜結構強度計算的應力和次應力，鐵路橋梁、擋水墻、桁架橋結構、橋墩、支座及基礎結構的設計和分析計算等都是和力學有著不可分割的密切聯系，力學理論、物理學、數學及計算工具的進步共同使鐵路設計與鐵道工程安全這對矛盾問題得到最大的合理解決。

例如，為什么多數鐵路橋梁的橋墩為圓端形截面？

從工程力學角度考慮，圓端形截面橋墩具有較大的截面模量，在避免應力集中方面具有明顯優勢，通過試驗回歸分析，比較分析剪跨比、軸壓比、縱筋率與體積配箍率等4個因素對延性性能的影響程度，[1]各因素設計合理可以極大的提高橋墩的抗震性能。

從流體力學的角度來考慮，在有效減小水流荷載、流冰壓力和風荷載等橫向外力的作用，圓端形截面都有著明顯的優勢。尤其在河流當中，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，大大減輕了水流對橋墩的局部沖刷和水流壓力，同時減輕了對鐵路橋梁整體的損害。具有矩形截面和圓形截面的共同優點。

二、鐵道工程中施工階段的工程力學應用

工程力學知識對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格按規范要求來進行，如拆除模板時，拆除支撐的時間是需要準確計算的，如果混凝土強度達不到一定的強度值，可能會因為支撐系統喪失穩定性造成塌落事故。所以必須確保鋼筋混凝土能夠達到足夠的強度值來承受上部荷載，如果鋼筋混凝土結構的強度值未達到規定值時，嚴禁拆除模板。

例如，為什么施工縫的留設位置應設置在結構受剪力較小和便于施工的部位。受力復雜的結構構件或有防水抗滲要求的結構構件，施工縫留設位置應經設計單位認可。[2]如果施工縫留設位置不當，會影響結構的安全性能和使用壽命，甚至引發安全質量事故。

例如，為什么施工腳手架、塔吊的安裝計算，預制構件堆放時墊木的位置和吊裝時起吊點位置的選定等，都需要通過工程力學的知識來確定。從事鐵道工程施工或監理的工程專業技術人員，只有掌握了工程力學的基本原理和知識、基本定理和結論，才能真正懂得鐵道工程中各種構件和結構的受力情況、作用以及荷載的傳遞途徑，以及它們在各種外部荷載作用下會產生什么樣的強度和剛度問題。這樣才能正確理解設計意圖和保證按圖施工，制定出合理的施工方案、安全措施和質量保證措施，從而保證建筑施工過程中的絕對安全，確保工程質量，避免事故發生。[3]

三、鐵道工程中事故分析階段的工程力學應用

工程力學知識對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，杭州地鐵一號線湘湖站施工工地發生路面塌方事故，造成21人遇難，重傷4人，輕傷20人，直接經濟損失近5000萬元的重大安全責任事故。事故原因從力學角度來解釋，其中設計單位未考慮到一些上部通行活荷載的力學問題，未根據當地軟土性質合理選用力學參數，基坑圍護相關設計的參數選取不當，降低了基坑支撐圍護體系的安全度。其中施工單位存在違規冒險施工作業;支撐結構系統存在嚴重缺陷，鋼管支撐體系架設不及時，立柱之間缺乏設置剪刀撐，部分鋼支撐的安裝位置不符合設計要求，降低了支撐休系的整體穩定性;嚴重超挖基坑，使得地下連續墻底部產生的內力彎矩和剪力過大，超過上部圍護結構的承載能力。設計和施工單位均存在沒有合理科學的運用力學知識的問題。

四、結語

土木工程是工程力學的外在表現，工程力學是土木工程的靈魂所在，二者相互支撐是一個不可分割的統一體，本文通過工程力學知識和原理在鐵道工程中具體的應用舉例，為通過優化力學知識來解決工程實際問題和工程力學案例教學提供參考。

參考文獻：

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

[2]混凝土結構工程施工規范GB

50666-2011.

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