材料力学轴压原理在土木工程中的应用剖析

材料力学轴压原理在土木工程中的应用剖析

周玉鑫

陆军军事交通学院 天津市 300161

摘要：目前，人们生活水平发展迅速，土木工程的发展也有了进步。随着社会城市化发展进程不断推进，土木工程呈现出数量增多、建设规模扩大以及施工管理难度加大等特征。为使土木工程更好地满足城市建设质量标准，工程管理部门应紧抓材料力学轴原理应用工作；依据材料力学轴压特征，分析施工材料及土木结构隐藏质量及安全隐患，切实提升施工材料利用率，促进土木工程有序开展。

关键词：材料力学轴压原理；土木工程；应用剖析

引言

自古以来人类生活离不开衣、食、住、行，其中住与行是土木工程领域中的两个重要方面，其发挥了重要作用。在现代社会，土木工程建设不断的为人们提供了新的物质环境，提高了人们的生活质量，使人们的生活更加舒适、便捷。材料力学从属于固体力学，土木工程中许多的方面都离不开材料力学，尤其是建筑工程与道桥建设，其必须使用材料力学的相关知识，满足结构的设计要求并保证其能正常工作，否则会在安全等方面出现严重隐患甚至会产生致命性问题，同时根据材料力学相应的原理与公式分析杆件的受力特征，可以合理的设计杆件长度、横截面积等相关尺寸，使杆件合理受力的同时，提高建筑材料的利用率，减少不必要的工程浪费。材料力学还包含对于压杆稳定与失稳问题的讨论，这对于保障施工安全与合理设计结构具有重要意义，所以将材料力学基本原理与工程建设相结合会有效的推动土木工程的发展。

1材料力学理论研究

从研究对象角度分析，材料力学就是研究材料在各类外力条件下产生的应变力、强度、刚度及稳定性变化的学科，与理论力学及结构力学共同构成力学科学。通常情况下，材料力学需事先开展理论力学的研究工作，学会构建基本力学模型及简要分析力学原理。材料力学主要研究方向为杆件、板壳及块体的内力及变形程度。与其他力学研究相比，材料力学需涉及以下几方面内容：第一，研究各类材料力学性能或机械性能；第二，研究各构件受力情况，得出构件应力及变形具体参数。以杆件研究为例，结构力学对杆件的研究多围绕杆件及其整体结构的受力情况，而材料力学则以研究杆件不同的受力状态，如拉伸、压缩、弯曲以及剪切，通过受力状态分析结论，得出杆件轴力、压力、拉力及弯矩力数值，最后依据材料力学轴压原理、弯曲正应力原则，分析杆件及其整体结构存在问题，为杆件结构进一步完善及优化提供重要理论依据。

2材料力学轴压原理在土木工程中的应用

2.1桥梁建设中的索塔

索塔又称为桥塔，是悬索桥或斜拉桥中支承主索的塔形构造物。索塔的横截面积需要根据其受力特点与设计要求进行设计。以万州长江二桥为例，其索塔为H型钢筋混凝土索塔，塔柱断面为箱形，其尺寸规格由下至上为11.639m×5.5m渐变至5.5m×5.5m，总体为上窄下宽，如此设计截面规格与建筑物中的柱体相类似，索塔顶部所承受的力较小，随着自重的增大与荷载的累加，自顶部至底部索塔横截面所承受的应力N不断增大，由公式可知索塔的横截面积会随应力的增大而增大，因而索塔形式多为上窄下宽。以金门大桥为例，美国旧金山金门大桥建成于1937年，如今已有近八十年的历史，它在外观设计以及工程建设中，创下了众多第一次，开拓了工程建设创新的新局面。桥梁的工程师主要通过弹性理论与材料力学来设计悬索桥，金门大桥的索塔由侧面观测呈阶梯状从上至下逐级变宽。以上两例悬索桥的索塔为刚性塔，其共同之处为其索塔尺寸从顶部至底部均逐渐增大，刚性塔可做成单柱形状也可做成A字形状。悬索桥的主梁直接承受桥跨自重以及桥面的活载，通过吊杆传递给缆索，缆索通过索塔上的鞍座搭在主塔之上，所以缆索将所承受的力传给索塔，索塔两侧缆索的力在水平方向上的分量几乎可以相互抵消从而使索塔仅承受竖直方向作用力，由塔顶向下不仅要承受缆索传递的力，还要承担上方逐渐增大的索塔自重，由于桥塔的材料采用为一种，其材料的容许应力一定，桥塔由上至下的轴力N逐渐增大，为了保证桥塔结构的受力安全与合理，索塔的横截面积A也由上至下逐渐增大。由此看出桥塔采用变截面设计能够很好利用材料力学中的轴向压应力计算原则。

2.2高层土木材料力学轴原理的应用

将材料力学轴压原理应用在高层建筑土木工程中，可实现高层建筑土木结构优化目标。以美国某高层建筑项目为例，该高层建筑项目始建于20世纪70年代，总高16层，建筑中间结构呈梯形，两侧楼梯呈射线分散装。从建筑整体结构及结构自重性角度分析，建筑顶部到低端的自重逐步增大，建筑材料正应力保持不变；为确保高层建筑土木工程质量及安全性符合设计要求，建筑截面实际应力不可大于建筑正应力，并始终维持在安全使用建筑施工材料基础上。该高层建筑主要结合建筑整体受力特征，通过改变建筑外观及截面积，保障施工材料及构件正应力满足设计安全标准。目前来看，通过改变外观方式而获得安全效益的建筑项目不多，大部分高层建筑结构外观尺寸基本一致，故可通过改变柱结构截面积等方式达到保障结构均匀受力、提升施工材料利用率以及控制施工成本的目标。值得注意的是，在改变柱结构截面积方式满足建筑整体受力要求过程中，柱结构顶端需承受来自楼顶的下压力，柱结构顶端至底端也需承受来自各个楼层及自身重力，所以为保障建筑结构整体安全性，除应用最大承载力更高材料紫外，还需调整柱结构横截面积，将柱体设计为上粗下细形态，保障材料受力均匀性，充分发挥出材料力学轴压原理在高层建筑土木工程设计中的作用。

2.3拱桥拱肋材料力学轴原理的应用

拱桥建设中的主要受力部分为拱肋，其保证拱桥的质量和使用寿命起着至关重要的作用。在进行拱桥的拱肋规划过程中，利用材料力学轴压原理能够使拱肋构造受力保持在匀称的状态中，使得拱肋只用承担轴向压力。接下来我们用京杭运河大桥作为实例进行说明，这座桥体深部构造运用的是下承式三拱无风撑系杆拱桥形式，该桥的拱肋采用的是抛物线的形式，截面也是箱型，截面处的大小从中心向两边慢慢减小。利用专门的空间结构技术进行解析得出，这座桥的桥梁拱肋对永久荷载力的承重能力极强，占据了全部荷载力的55%，而边拱肋承受永久荷载力只占到了总荷载力的而边拱肋承受永久荷载力只占到了总荷载力的15%~到到22%。用材料力学轴压原理对以上现象进行解析，在部件正应力也就是材料性能一样的时候，部件的轴向力大的话，部件的截面面积应跟着放大，因此在进行此桥梁上方拱桥构造拱肋规划过程中，中心部分的拱肋应作为主要受力点，截面的大小必须比边拱肋面积要大；另外，在运用材料力学轴压原理过程中，能够对拱肋的截面积规划方式实施逐步更新，提高了用在修建拱肋构造的建材的利用率，进而有效的完成了工程项目资金收益最大化规划标准打下基础。

结语

材料力学在道路桥梁施工和建筑施工中都起着重要作用，轴向压缩原理可应用于不同的施工工程和各个施工领域的许多方面，并且可以充分利用材料力学相关知识来解决工程技术的安全方面、经济方面和其他问题。材料力学的研究可以确保建筑材料韧性、抗压强度、稳定性和其他数据满足建筑设计和实际使用要求，确保建筑和使用质量。

参考文献

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