材料力學軸壓原理在土木工程中的應用剖析

徐德龍 南京工程高等職業學校

1 概述

材料力學主要研究工程結構構件(如建筑物的梁和柱)的強度和穩定性。在外力作用下，固體有抵抗損傷的能力，但這種能力是有限度的。材料力學有四種強度理論：大拉應力理論、大拉伸線變形理論、大剪應力理論和變形能量密度理論。這些強度理論圍繞單個構件或梁上的應力有不同的應用場景，在建筑的整個應力分析階段發揮著重要作用。

2 土木工程建設中應用的軸壓原理

當構造部件接觸到軸向力N的影響時，如果構造部件的截面積A已經給定，這時構造部件截面上每個點的正應力為。如果建材的預設強度或能承受的應力[σ]確定后，就能夠知曉構造部件是否能夠承受一定的外界力量，當σ小于[σ]時則構造部件就為安全的強度。

3 材料力學軸壓原理在土木工程中的應用

3.1 高層土木材料力學軸原理的應用

想要使高層建筑項目的土木構造得到改良，可以把材料力學軸壓原理運用于高層建筑項目的建設中。接下來我們就把美國的某個高層建筑作為實例，這個高層建筑初建于20世紀70年代，總共為16層，項目的中間構造為梯形，而兩邊的樓體采用的是射線分散形式。如果從建筑的全面構造和整體構造的自重方面進行解析，由建筑頂層到建筑的底層自重會不但變大，而建材的正應力則不會變化；為了保證高層項目土木工程的建設質量和安全性能達到相關的規劃標準，建筑的截面應力應該小于建筑的正應力，同時應該從始至終保持在安全應用建筑原料的基礎上。這棟高層建筑重點在于綜合建筑全面的應力特點，運用對建筑的外形和截面積的改變，確保建材和構件的正應力達到相關的要求。就當前來講，試圖經過對建筑的外觀進行整改而使安全性能變得更好的建筑工程還是較少的，大多數高層的構造和外形尺寸是完全一樣的，所以，可以利用整改柱結構的截面積的方法實現確保結構可以勻稱受力、提高建材的使用率和防止建設資金無效耗費的想象。應該重點考慮的是，在對柱結構截面積進行改造并達到建筑整個受力目標期間，柱結構的頂部會受到來源于樓棟頂部的壓力，而柱結構由上到下也將受到來源于建筑每層和自己的壓力，因而為了確保建筑全面結構的安全系數，不但需要運用承重力強的建材，還必須對柱結構的橫截面積進行必要的改動，把應該將柱體規劃成上邊粗下邊細的形狀，確保建材能夠勻稱受力，使得材料力學軸壓原理的優勢在高層建筑土木工程中實現有效的利用。

在懸索橋和斜拉橋中對主索起到支撐作用的塔形結構柱，被成為索塔也稱為橋塔。在進行索塔橫截面姐的設計時，一般會以索塔的受力特征和相關設計要求來實施。以下會以萬州長江二橋作為實例，其中的索塔是H型鋼筋混凝土材質，塔柱的橫截面是箱形，索塔的尺寸從下到上為5.5m×5.5m逐漸增加到11.639m×5.5m，整體來講是下邊寬上邊窄，索塔的設計和建筑項目中柱體的設計比較相近，因為索塔頂端受到的力比較小，經過自身重力的不斷增加以及承載的增加，從頂端到底端索塔橫截面受到的應力逐漸變強，從公式中便可得知索塔的橫截面積因為應力的變強而變大，所以索塔的形狀都是下邊寬上邊窄。在用金門大橋作為實例，美國舊金山的金門大橋竣工于1937年，至今已經達到80年之久，其從外形和項目建設來講，是很多第一次的由來，可以說是打開了工程建設革新的大門，像橋梁的設計者一般是運用彈性理論和材料力學來對懸索橋進行規劃設計，從側面觀看金門大橋的索塔是階梯形狀，從下到上逐漸變窄。這兩個例子中的大橋均采用的剛材質，索塔的形狀從上到下依次變寬為他們的共同特征，剛性塔一般可以建成單柱和A字兩種形狀。懸索橋的主梁承受著橋垮的自身重量和橋面活載帶來的共同壓力，經過吊桿傳送到纜索，纜索則經過索塔上的鞍座搭在主塔上，纜索把受到的壓力傳送給索塔，索塔兩邊纜索的力在平直方向中的重量互相作用幾乎能夠降至為零，最終使得索塔只用承載豎直方向帶來的作用力，塔索從上到下不但需要承載纜索傳來的作用力，還必須承載上邊不斷變強的索塔自身的重量，因為橋塔的材質選用的是同一種，而材料的規格應力[σ]相同，橋塔從下到上的軸力N不斷減小，為了使得橋塔的構造能夠有科學合理的承力能力，索塔的橫截面積也從下到上逐漸變小。因此橋索塔運用變化式截面設計可以更有效的應用材料力學里的軸向壓應力計算原理。

3.3 拱橋拱肋材料力學軸原理的應用

拱橋建設中的主要受力部分為拱肋，其保證拱橋的質量和使用壽命起著至關重要的作用。在進行拱橋的拱肋規劃過程中，利用材料力學軸壓原理能夠使拱肋構造受力保持在勻稱的狀態中，使得拱肋只用承擔軸向壓力。接下來我們用京杭運河大橋作為實例進行說明，這座橋體深部構造運用的是下承式三拱無風撐系桿拱橋形式，該橋的拱肋采用的是拋物線的形式，截面也是箱型，截面處的大小從中心向兩邊慢慢減小。利用專門的空間結構技術進行解析得出，這座橋的橋梁拱肋對永久荷載力的承重能力極強，占據了全部荷載力的55%，而邊拱肋承受永久荷載力只占到了總荷載力的15%～到22%。用材料力學軸壓原理對以上現象進行解析，在部件正應力也就是材料性能一樣的時候，部件的軸向力大的話，部件的截面面積應跟著放大，因此在進行此橋梁上方拱橋構造拱肋規劃過程中，中心部分的拱肋應作為主要受力點，截面的大小必須比邊拱肋面積要大；另外，在運用材料力學軸壓原理過程中，能夠對拱肋的截面積規劃方式實施逐步更新，從而更好的提高了用在修建拱肋構造的建材的利用率，進而有效的完成了工程項目資金收益最大化規劃標準打下基礎。

4 結束語

材料力學在道路橋梁施工和建筑施工中都起著重要作用，軸向壓縮原理可應用于不同的施工工程和各個施工領域的許多方面，并且可以充分利用材料力學相關知識來解決工程技術的安全方面、經濟方面和其他問題。材料力學的研究可以確保建筑材料韌性、抗壓強度、穩定性和其他數據滿足建筑設計和實際使用要求，確保建筑和使用質量。