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土木工程中工程力学知识的应用举例臧国强

发表时间：2021/6/10 来源：《中国科技信息》2021年7月作者：臧国强

[导读] 土木工程是指与水、土壤和文化有关的，对人类生活和生产有贡献的各种工程设施的规划、建设和维护。这些通常包括房屋建筑、道路运输、铁路工程、给排水、民航、港口工程等等。铁路作为我国的经济大动脉，国家重要的基础设施和基本交通运输，在实际生产和生活中起着举足轻重的作用。铁路工程是内部的支持、工程技术的知识和原理在铁路工程的建设中起着重要的作用。

山东旭瑞环境岩土工程勘察设计有限公司臧国强

摘要：土木工程是指与水、土壤和文化有关的，对人类生活和生产有贡献的各种工程设施的规划、建设和维护。这些通常包括房屋建筑、道路运输、铁路工程、给排水、民航、港口工程等等。铁路作为我国的经济大动脉，国家重要的基础设施和基本交通运输，在实际生产和生活中起着举足轻重的作用。铁路工程是内部的支持、工程技术的知识和原理在铁路工程的建设中起着重要的作用。本文介绍了如何将土木工程学中的工程力学知识和原理应用于土木工程中的铁路工程，以及如何通过将工程力学知识和原理与土木工程中的实际应用紧密结合来解决实际工程问题，为工程力学教学提供参考。
关键词：土木工程，铁路工程，工程力学，应用
        引言
        工程力学是与理论、抽象和实践工程密切相关的基础技术学科，在土木工程技术中，工程力学的定理、定律和结论得到了广泛的应用，是土木工程的解决方案。铁路工程是铁路中各种土木工程设施的科学技术的统称。这包括铁路工程中使用的材料和机械设备，包括已完成的工程实体的设计、建造、安装和维护，以及各种铁路、火车站、铁路桥梁和各种有助于人们生活和生产的铁路项目的相关支持设施。
        社会经济的飞速发展促进了科学技术的飞速发展，工程结构空前、统一、复杂。大型水坝、港珠澳大桥和铁路系统等复杂的超级项目不断涌现，以满足人们的日常需求。所有这些都离不开工程力学的知识和原理，这是重要的支持，因此，土木工程的发展可以做得更深、更广，对人类社会做出非常重要的贡献。具体以在铁路工程中的应用为例。
        一、工程力学的应用
        （1）材料力学
        材料的力学在日常生活中被广泛使用。范围从机械中的各种机器，建筑物中的各种结构，用于日常生活的塑料食品包装，以及小的日常必需品。材料力学特别重要，因为各种物体必须满足强度、刚度和稳定性要求，才能安全正常地工作。
        日常生活中常用的连接部件（例如铆钉、钥匙、销、螺栓等）的变形属于剪切变形，因此在设计中应主要考虑剪切应力。水轮机的传动轴、转向轴和主轴的变形属于扭转变形。列车轴和起重机梁的变形均为弯曲变形。一些成员在设计时需要同时考虑变形的多个方面。例如，当车床主轴运行时，会同时发生三个基本变化：扭转、弯曲和压缩。钻机柱承受拉伸变形和弯曲变形。同时，利用材料力学中的卸荷定律来获得冷作硬化现象，该原理通常在工程中用于提高建筑钢筋和起重链等材料的承重能力，但是冷作硬化会使材料变硬并且易碎，难以加工，易于开裂，必须对材料的部分或全部冷硬化效果进行退火处理。
        材料力学的应用在生活中无处不在，与我们的生活息息相关。需要通过不断挖掘，意识到无处不在的学习，并且需要了解获得材料力学知识的奥秘。了解材料的力学原理，才能够理解生活中以前无法理解的许多问题。
        （2）固体力学
        从天地到小颗粒，有各种各样的固体物体，自然界也有各种各样的固体力学问题。在现代工程中，飞机、轮船、坦克、房屋、桥梁、水坝、核反应堆和日常家具的结构设计都应用了固体力学原理。
        固体力学研究的内容既有弹性和塑性问题，又有线性和非线性问题。固体力学的早期研究通常假定对象是均匀连续体，但是最近开发的复合力学和断裂力学扩大了研究范围，研究了非均匀连续体和裂纹不连续性。根据对象的形状，固体力学可以分为四类：杆件、板壳、空间体、薄壁杆件四类。薄壁杆件表示长度、宽度和厚度不相同的硬物体。薄壁杆件广泛用于飞机、轮船和建筑物等工程结构。
        二、土木工程中工程力学知识的应用举例分析
        （1）工程力学在铁路工程设计阶段的应用
        工程力学知识在铁路工程设计工作中的作用是不言而喻的。

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在铁路工程中，空间结构的应力分析、复杂结构强度计算的应力和二次应力、铁路桥梁、挡土墙、桁架桥结构、桥墩、支座和基础结构的设计和分析与计算均与力学不兼容。部门之间的紧密联系，力学理论、物理、数学和计算工具的进步，使铁路设计与铁路工程安全之间的矛盾成为最大、最合理的解决方案。
        例如，为什么大多数铁路桥墩的横截面都是圆形的？
        从工程力学的角度来看，圆形截面的墩墩具有明显的优点，即具有较大的截面模量和避免应力集中。通过实验回归分析，剪切跨度比、轴向压缩比、纵向加强比和体积比较分析、速度等因素对延性性能的影响程度，合理设计各单元可大大提高抗震性能。
        从流体力学的角度来看，圆形端部横截面具有明显的优点，可以有效地减少横向外力（例如水负荷、冰压和风负荷）的影响。特别是在河流中，圆头截面的墩可以使水顺畅地流过桥孔，有效地减少了挡水面积，大大减少了墩的局部搜索量和水压，并减少了对铁路桥的整体破坏，具有矩形和圆形横截面的同样的优势。
       （2）工程力学在铁路工程建设阶段的应用
        工程技术知识对于任何铁路建设工作都是必不可少的。
        例如，为什么安装和拆卸施工模板会确定施工计划？必须严格按照规格进行模板的安装和拆卸。例如拆除模板时，需要准确计算支撑，如果混凝土强度未达到一定水平，则支撑系统的强度值会因失去支撑系统的稳定性而导致倒塌事故。因此，有必要确保钢筋混凝土能够达到足以承受较高载荷的强度值，并且如果钢筋混凝土结构的强度值未达到规定值，则严格禁止模板的拆除。
        例如，施工缝的位置就是为什么应将结构设置在剪切力较小且易于建造的位置？主要是由于对于具有复杂作用力或具有防水和防渗要求的结构部件，施工缝的位置必须经过设计单位的批准。如果施工缝放置在错误的位置，可能会影响结构的安全性能和使用寿命，并导致安全和质量事故。
        例如，建筑脚手架和塔式起重机的安装计算、堆叠预制构件时的滑道位置、举升时选择举升点等，所有这些都应由工程力学知识来确定。从事铁路工程建设或监理的工程专业人才，只有掌握了基本原理和知识、基础理论和工程力学的基础知识，才能真正理解铁路工程各组成部分的作用力、功能和荷载传递路径。在各种外部载荷下会出现什么样的强度和刚度问题。只有这样，才能准确理解设计意图，按照图纸保证施工，制定合理的施工计划，安全措施和质量保证措施，以确保施工过程中的绝对安全，确保工程质量，避免发生事故。
        （3）工程动力学在铁路工程事故分析阶段的应用
        对于铁路工程中的事故分析，工程力学知识是不可替代的。
        例如，2008年11月15日，杭州地铁1号线湘湖站工地发生道路倒塌事故，造成重大安全责任事故，造成21人死亡，4人重伤，20人轻伤，直接经济损失近5000万元。事故原因从力学上进行了解释，设计部门没有考虑顶部活荷载的力学问题，并且没有根据当地土壤的特性合理选择力学参数。与基坑支座设计有关的参数选择不当，降低了基坑的承载能力和围护系统的安全性。施工单位存在违法危险的施工工作，支护结构系统存在严重缺陷，钢管支护系统未及时建立，柱间缺乏剪刀撑，部分钢支架的安装位置不满意。降低支撑系统整体稳定性的设计要求由于基坑开挖过多，地下连续墙底部产生的内部弯矩和剪切力变得太大，无法超过上部围护结构的支撑能力。设计单位和施工单位都存在无法合理，科学地使用机器知识的问题。
        结语
        综上所述，土木工程是工程力学的外在表达，工程力学是土木工程的灵魂，两者相互支持，成为不可分割的整体。本文以在铁路工程中实际应用工程力学知识和原理进行分析，并为优化动力学知识以处理实际工程问题和工程力学案例培训提供了相应的参考。
参考文献
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[2]闫瑞亭.土木工程中工程力学知识的应用举例[J].科技风,2019(06):100.
[3]范涛,杨虹,高涌涛,明承林. 混凝土结构设计[M].重庆大学出版社:应用型本科院校土木工程专业系列教材, 201701