浅谈力学在土木工程中的应用与发展

李振浩

摘 要：力学的应用是非常广泛的，该文主要以高中物理力学的视角，介绍了力学的概念和基本内容，阐述了力学与建筑上的联系。并以力的平衡在石拱桥上的应用实例，分析了力学在土木工程中的应用。最后结合土木工程的专业知识，阐述了力学在此领域的发展，形成了理论力学、固体力学和流体力学等新的学科。

关键词：力学 土木工程 力的平衡 建筑力学

中图分类号：TU599；TB332 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（b）-0056-03

土木工程不断地为人类社会创造崭新的物质环境，成为人类社会现代文明的重要组成部分。而力学原理又是建筑构造的根基。其中，建筑产品的稳定性是所有工程中必须考虑的重要因素之一。尽管在生活中，我们会看到一些令人感觉不稳定的神奇建筑，如比萨斜塔、空中花园、兰卡威天堑飞桥等，但是从力学角度分析，它们都属于稳定结构，这些问题是可以用力学原理解释的。

1 力学的基本内容

力学在高中物理中的概念定义为物体间的相互作用[1]。一个物体受到力的作用，一定有另外的物体施加这种作用，前者是受力物体，后者是施力物体。各种力可以用两种不同的方法来分类：一种是根据力的性质来分类的，如重力、弹力、摩擦力、分子力、电磁力等等；另一种是根据力的效果来分类的，如拉力、压力、支持力、动力、阻力等等。而力的合成、分解和平衡也是力学原理中的重要内容，贯穿于整个力学，是整个物理学学习的基础，也是高中学习的重点、难点和考点。力学原理来源于实际生活，故在实际应用中可以用力的方法简化问题，解决问题，突出力学的实际效果。

2 力学与建筑力学的联系

建筑力学是应用于土木工程中的基础理论，它由理论力学、材料力学和结构力学三大部分组成。理论力学主要研究物体受力的分析方法和物体在力的作用下的平衡问题[2]；材料力学研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏的极限[3]；结构力学主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化[4]。不管是理论力学、材料力学还是结构力学，都是以力学为基础的，是力学的扩展应用。

但是，从另一方面看，力学的发展也离不开建筑工程的推动和促进。比如在建筑中出现了极端条件下的工程技术问题，这是无法用实验方法来直接测定。而建筑工程这个天然的实验环境就正好验证了这些力学的原理，并提出了新的力学问题，推动了理论的发展。

综上所述，力学原理是建筑力学的前身，建筑力学是在力学的基础上发展起来的，是对力学的进一步应用和扩展。反过来，建筑力学的发展又对力学原理进行了验证和补充。但是力学并不是建筑力学，它们是交叉学科，有可以共同解释的部分，但是也有互相不能解释的。例如，力学原理可以解释高温气体、气体激光器和核物理等领域的科学问题，而建筑力学解释不了。而用力学方法去解释固体的塑性、强度、损伤和断裂等方面，却遇到了极大的困难。

3 力学在土木工程实践中的应用实例

我国的石拱桥在全世界都闻名遐迩，那么简单石块堆砌的桥梁怎么保持得稳定，怎么实现得力的平衡，下面以一个简单的例子介绍力学原理在土木工程中的应用。假设石拱桥的简化图如图1所示，整个石拱桥由4块石块构成，左右对称结构，第1、4块石块直接和地基相连，第2、3石块分别与1、4石块相连，试用力的平衡原理对这一石拱桥进行分析。

首先，对第1石块进行受力分析，其受力分析图如图2所示。第1石块受3个作用力，分别为石块的重力G1，支座的反作用力F0和第2石块给它的反作用F21。用正交分解法进行力的计算。列方程式如下所示。

其次，对第2石块进行受力分析，其受力分析图如图3所示。第2石块亦受3个作用力，分别为石块的重力G2，第3块石块给它的反作用力F32和第1石块给它的反作用F12。用正交分解法进行力的计算。列方程式如下：

由于第3石块、第4石块和第1石块、第2石块是对称的，其受力分析是一样的，只不过方向相反，故不对这两石块进行再次分析。

由上例可以看出可以用力的平衡原理计算桥梁在静止状态下的内力值，通过分析每一石块的受力，计算出最大受力值，利用最大受力值作为可控力的范围，可以保证桥梁的安全性，当然这里没有考虑石拱桥承载汽车等荷载的情况，但是思路是一样的。这样根据力的平衡的计算，就可用于设计桥梁时选择截面尺寸，合适的建筑材料，以及怎么使桥梁经济化。

4 力学在建筑领域内的发展

力学在建筑工程中的发展，主要是与建筑专业的结合形成了多种建筑力学理论。力学和建筑理论的结合主要体现在以下几个方面。

第一，形成了建筑理论力学。

理论力学是一般力学各分支学科的基础，是研究物体机械运动基本规律的学科[2]。它通常分为3个部分：静力学、运动学与动力学。

静力学主要研究物体在力的作用下处于平衡的规律，以及如何建立各种力系的平衡条件[2]。静力学还研究力系的简化和物体受力分析的基本方法。这些都用到了力学原理中力的合成、分解和平衡，而且这些问题可以用平行四边形法则、三角形法则和正交分解法则进行计算。同时，也涉及到力学原理中的惯性和牛顿三定律等内容。而从动力学方面来讲，由于动力学研究的是物体机械运动与受力的关系。所以，动力学亦是以牛顿运动定律、万有引力定律为研究基础的，这恰恰也是力学原理的知识点。

第二，形成了建筑固体力学。

固体力学是力学中研究固体机械性质的学科，主要研究固体介质在外力、温度和形变的作用下的表现。一般包括材料力学、弹性力学、塑性力学等部分。固体力学与力学原理联系紧密，力学原理中的拉力、压力和阻力等是材料力学的理论基础，例如材料力学的主要研究内容之一是对杆件进行力学分析，杆中的内力计算涉及到力的合成、分解和平衡等内容。力学原理中的弹力结合建筑原理形成了新的学科 —— 弹性力学；而力学中的动力、摩擦力等延伸为固体力学中的动力学等等。随着计算机的飞速发展，分子动力学等微观模拟方法、复杂结构的仿真分析将更大规模更迅速地在固体力学和工程设计中得到应用和发展，这也涉及到了力学的基础知识。固体力学的上述发展，必将推动科学和工程技术的巨大进步。

第三，形成了建筑流体力学。

流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。中国有大禹治水疏通江河的传说，秦朝李冰父子领导劳动人民修建了都江堰，至今还在发挥作用。大约与此同时，罗马人建成了大规模的供水管道系统，这些都是流体力学在建筑工程中成功应用的案例。流体力学的发展主要是为了尽可能多地开采地下石油和天然气，而化工流程的设计，很大程度上也归结为流体运动的计算问题，又或者是测定地下流水对建筑物的影响等。总之，流体力学对建筑工程的发展有着不可替代的作用。流体力学的主要内容，包括物体浮力定理和浮体稳定性在内的液体平衡理论，这也为流体静力学奠定了基础。而浮力和液体平衡理论也恰恰是力学原理的内容。

综上所述，力学原理是形成建筑理论的基础，它与建筑理论的结合是多方面的，从而形成了多种建筑力学。力学原理与建筑工程的其他学科也有交叉，如流体弹性力学、爆炸力学等等。这些不同的力学学科贯穿于整个土木工程的寿命期，从设计、施工、后期维修保养，直到最后的爆破消亡，都会运用到力学的原理去解决工程中的实际问题。

5 结语

建筑的发展和力学是有密切关系的，可以说没有可靠的力学支撑，就不能保证建筑结构的安全，就不能建造出那么多的优秀建筑物和构筑物。而力学原理与建筑力学的结合，也是发展现代高科技建筑的必然趋势，它们互相替代，互相促进，互相发展。相信有了力学的支撑，建筑工程会越走越远，会有越来越多优美坚固的建筑屹立在东方大陆上。

参考文献

[1] 张大昌.物理1[M].人民教育出版社，2010：50.

[2] 范钦珊，陈建平.理论力学[M].高等教育出版社，2010：1-7.

[3] 孙训方.材料力学[M].高等教育出版社，2009：1-3.

[4] 龙驭球，包世华.结构力学[M].高等教育出版社，2012：1-5.