力学在土木工程中的应用

林宇航

（福建江夏学院 福建 福州 350108）

1 土木工程中所使用力学基本理论内容研究

通常，在实际学习中，力学是一门属于利用数学方法对机械运动进行探究的学科，由于其阐述的基本规律和内容带有一定的普遍性，故在实际工程中可提供较为广泛的技术理论，也可为土木工程等工程技术提供相关设计原理、计算方式、实验等依据。对于力学的基本分类可根据不同要求进行划分，如依据不同研究对象，可将力学划分成固体、流体、一般力学三大类，其中固体力学和流体力学主要针对连续介质研究对象的模型进行探究，而剩余部分的研究对象则属于一般力学研究范畴。一般，固体力学会包含弹性力学部分内容、断裂力学部分内容、散体力学部分内容等，流体力学会包含水动力学、空气动力学、渗流力学等部分，多力学范畴进行交叉后可囊括流变学等内容。而不同种类力学在土木工程中进行利用时会包含多力学知识的交叉，如经常会用到土力学知识、岩石力学知识、爆炸力学知识、物理力学知识、计算力学知识等，依据土木工程所使用力学知识的不同可选取不同的计算方法和设计方法等，以下为土木工程中所使用力学基本理论内容研究。

1.1 土木工程中所使用力学基本量研究

由于土木工程建设中多考察的研究对象大多处于静力平衡体系，故土木工程中所使用的力学基本量会包括以下内容：

（1）土木工程中所使用力学基本量会包括外力。通常在弹性力学中外力会包含体力及面力两种，理论力学中所包含外力则包含集中力，材料力学中所包含外力则包含集中力及分布力，在土力学中所包含外力为分布力。对于不同种类外力作用在实际设计计算中所使用的求解方法也不尽相同，而静力平衡中所涉及外力主要表现为体力与面力的组合。

（2）土木工程中所使用力学基本量会包括内力。在弹性力学中内力会涉及到正应力及剪应力两种，理论力学所涉及内力则主要指所研究对象内部不同质点的互相作用力，材料力学中所涉及内力主要包含弯矩、剪切力等，针对岩石力学中所研究块体结构设计内力会包含正应力及剪应力等。对于不同种类的应力，在实际工程应用时，可将大部分内力转化为对研究对象内部不同作用点的应力计算，该基本用量在土木工程设计中属于较为重要的指标，可依据给基本用量对材料的基本性能尽相对比。

（3）土木工程中所使用力学基本量还包括应变。该类基本量主要是指较小单元的变形，包括有线应变与角应变，对于不同使用力学类型所使用的应变求解方法会不尽相同，如弹性力学中应变的求解属于位移计算的一个中间过程，结构力学中针对杆件或者质点系尽相应变的计算也没有太大的含义，而读于土木工程中应变的计算主要可当作不同断面的位移变形标准，可为土木工程设计及计算提供科学依据。

（4）土木工程中所使用力学基本量还包括位移。该类基本量为应变的宏观表现，与应变之间关系为偏微分关系，在不同种类的力学中其表示的方法会有所不同，如在弹性力学中位移可使用坐标的分量类进行表示，在材料和结构力学中位移则可使用截面的位移来进行表示等。位移在使用时还分为角位移和线位移两种，无论哪种位移，在实际使用时截面都应为平面状态，绝不可能出现曲面的状态，如出现截面为曲面状态时，需要将截面假设为平面，做土木工程计算机设计的近似处理。

1.2 土木工程中所使用力学解析计算法研究

在土木工程建设中所使用力学模型大多涉及平面问题，故对于土木工程所使用的力学解析方法只针对平面问题，或将较为复杂的空间问题转化为平面结构进行分析和处理，对于复杂空间转化为平面结构进行处理需要在涉及中增加安全系数来进行设计，以下为土木工程中所使用力学解析计算法具体研究：

（1）在土木工程中可使用基本求解方程的方法进行力学解析，对于该方法在使用时要进行基本的假设，如要假设所研究对象具有较强的连续性和均匀性，还要保证其形变位移处于较小状态等。针对土木工程中所涉及到的不同力学类型，其实用的方程设立也不尽相同，如对于研究对象外部因素确定情况，所设立的方程可依据质量守恒建设流体力学的连续性方程，也可依据动量平衡设立粘性流体或者弹性固体的平衡微分方程等。而在固体力学中使用方程尽相解析时，要考虑到被研究对象的平衡、位移、本身结构，所建立力学方程主要包括纳维方程、柯西方程与物理方程等，使用不同方程还要考虑到被研究对象的微元状态，描述好其本身结构的关系，之后进行方程的计算。

（2）由于在土木工程中经常使用到内力、位移等物理量，故在进行力学求解时需要将内力和位移考虑在内，基于该情况，土木工程中常使用到的求解方法包括力法与位移法两种。其中，立法属于较为传统的使用方法，对于不同研究对象，都要使用先削弱后进行修复的方式进行计算，也就是将已有的约束进行解除，改为容易分解的静态结构进行计算。对于弹性力学中力法的使用，主要使用应力函数进行求解，在求解之前要进行合理假设，如进行平面截面假设或者杆件假设，依据所研究对象的平衡情况、几何条件及物理条件等进行联立求解，进而求出方程中的未知量。此外，位移法使用时主要的未知量为位移，在土木工程设计中对于强度的设计主要表现为内力设计，而刚度设计的计算则次之。故使用位移法计算所使用方法为先进行加强后进行修复，也就是对于所设计的土木工程结构进行节点的固定，后将阶段进行力矩及剪力的平衡来消除节点中不平衡的力矩，使得方程成为平衡方程。依据不同节点处力矩的平衡条件可使用逐次迭代、弯矩分配等渐进计算的方法对复杂情况进行求解，具体求解过程可依据方程的难度进行手工计算或者计算机计算，但随着我国科技的不断提升，在土木工程实际计算时常使用计算机计算方法进行科学计算，以此来保证土木工程设计的科学性和专业性。

2 力学在土木工程中所应用理论知识研究

在力学的应用范畴内，土木工程建设与设计属于较早的涉及领域，我国在高等教育中经常会设立土木工程专业，对于高等教育中土木工程专业所涉及到的力学专业理论知识主要包括理论力学、弹性力学、土力与岩石力学、结构力学等主要学科。其中理论力学在土木工程中应用时会与物理知识练习紧密，多研究对象主要为刚体，探究内容主要涉及作用力和物体运动的关系，而其他力学学科则探究的对象大多为变形体，演技内容主要涉及到不同力系的平衡或者简化问题。如材料力学主要研究不同作用力对所研究对象形变的影响，常涉及杆件的弯曲变形等，主要计算包含强度与刚度等内容；结构力学主要研究内容为杆件结构的基本原理及不同结构的具体受力情况；弹性力学主要使用近似的方法对实体结构受到外力作用的应力及位移变化等；土力学主要研究地基的应力变形情况，也会对土木工程所包含的土坡、挡风墙设计进行计算；岩石力学主要研究岩石地基、土木工程地下工程等稳定性和基本设计方法。

此外，对于土木工程所涉及到的专业力学知识还可划分为结构力学与弹性力学两大类。其中，弹性力学在土木工程中的使用是基于高等数学体系进行建设的，主要分析方法为微单元的方法，对于弹性力学分析通常不会引入计算假设，而结构力学在土木工程中使用会具有较为明显的工程特征，计算时可简化的模型包括质点或者杠杆，需要引入一定的计算假设，如平面截面的计算假设，以此来设立基本的计算和设计理念。对于这两类力学，弹性力学的计算可使用简单材料力学进行计算，但需要借助于偏微分方程组方法来满足假设较少的情况，故该类型力学学科计算的灵活性不够高，解答的容易性也不够强，但由于其理论性和科学性相对较强，在实际土木工程中使用时会经常用到，实际使用时要尤其注意弹性力学的求解方法与技巧，从而提升实际计算的科学性和准确性。

3 力学在土木工程中实际应用研究

3.1 压力应用于土木工程实际研究

依据上述对土木工程中力学等多方面内容的具体研究，在土木工程实际建设中会使用到很多力学知识，借助于力学内容的研究可进一步提升土木工程项目开展的科学性和有效性。压力属于土木工程科学理论中的基本力学支撑，压力可应用于土木工程设计建设的基本施工中，通过使用压力可保证土木工程的基本稳定性，也可在原油的施工应用范围内扩大实际使用情况。如土木工程实际施工中，对于建筑材料的选用会使用到压力相关知识，借助于压力知识可对工程使用材料的宽度和广度进行最大承受力的计算；当土木工程施工研究对象为桥梁时，桥梁的压力承受情况和桥墩的受力情况属于桥梁设计的主要数据，压力承受情况的计算也会对桥梁的稳定性造成直接影响，也会直接作用于施工质量。此外，在土木工程项目施工完成之后，进行工程质量的检查时，也需要对建筑物的承受压力情况进行测量，通过压力的测量来判断该建筑物的整体质量是否合格。总结可得，压力在土木工程中实际应用主要涉及到施工工作的参考数据和工程质量的重要衡量指标。

3.2 摩檫力应用于土木工程实际研究

摩擦力在土木工程施工设计中应用也较为广泛，主要涉及到以下部分内容。一方面，针对土木工程设计施工中涉及到的滑轮，可借助于摩檫力的研究和使用来调整材料运动的基本方向，通过对滑轮的受力分析可将其所受到的摩擦阻力进行改变，并将摩擦阻力转化为实际工程所需的动力，从而方便土木工程材料的运输。另一方面，在土木工程实际施工中，所使用不同部件接触部分的接触面经常会包含摩檫力，摩檫力会将压力面的受压情况提升，借助于摩檫力的该情况可使得实际施工的稳定性得到保障。总结可得，摩檫力在土木工程中的实际应用主要表现在施工技术和提升建筑稳定性两个方面，通过使用摩檫力可将施工中的技术应用成本降低，也可通过摩檫力的使用来提高土木工程建筑物的稳定性，使得土木工程施工更加科学化。

3.3 重力应用于土木工程实际研究

在土木工程实际应用中，重力属于较为重要的部分，物理学科中关于重力的使用可对土木工程的施工和设计具有较为重要的作用。借助于重力相关力学知识可对土木工程施工的不同施工阶段的材料力作用进行科学化分析，依据已有的计算公式也可对土木工程的各个阶段进行合理化设计，保证相关设计内容满足基本的施工要求，还可在施工进行中和施工完成之后对施工效果进行重力测试。另外，在施工开始之前对于所使用材料的购买也可利用重力知识进行性能的监测，依据重力相关计算结果进行材料的选取，可从源头上保证施工的安全性和稳定性。在实际施工中，还可使用重力与反作用力的相互作用关系对施工运输工作进行指导，使得有用功和功率关系得到有效调节。总结可得，重力在土木工程中的应用主要包括以下方面：可为土木工程的实际施工提供核心质量检验；利用相关计算公式进行土木工程科学设计；通过使用重力知识可对施工所使用材料进行专业选取；重力与反作用力关系对运输进行指导等，以此来提升整体施工的稳定性和安全性，保证土木工程施工高效如期完成。

3.4 合力应用于土木工程实际研究

依据力学中主要的能量守恒定律可知不同作用力在经过分析后可产生合力作用，合力作用在土木工程施工中也较为常见，通过合力作用，在一定程度上可简化工程施工，实现高效工作。如借助于杆件机构中的杠杆原理，可使得土木工程施工所使用的材料本身能量转化为可直接应用的能量，减少无用功的消耗；还可借助于合力作用对材料进行叠加，将不同材料所受到的作用力进行分化，以此来保证施工整体材料的稳定性；还可使用合力作用的相互平衡，对施工所涉及作用力进行相互制约，使得施工的力学整体结构处于稳定状态等。

4 力学在土木工程中实际应用发展研究

在土木工程建筑施工中，力学知识的应用会涉及到很多方面，如建筑理论力学、固体力学、流体力学等，针对于土木工程实际应用力学的基本情况，再结合新科技技术的发展情况，可对力学再土木工程中应用发展情况进行合理化探究。以下为力学应用于土木工程的日后发展研究：

（1）借助于理论力学的基本知识可形成土木工程转悠的建筑理论力学，将理论力学中的运动力学、静力学、动力学知识应用于土木工程建筑中，探究建筑设计使用牛顿运动定理的基本情况，针对土木工程施工的实际情况可将多种力学原理进行分解或者组合，以此来提升建筑施工的稳定性和安全性。

（2）使用固体力学的基本理论内容形成土木工程建筑特有的固体力学，将固体力学所涉及到的弹性力学及材料力学等内容应用于土木工程施工的不同阶段，借助于不同力的合成、平衡和分解来科学化指导实际施工，使得整体施工应用科学知识更加广泛性，在降低施工难度的同时，也可使得土木工程施工更加简便化。此外应用动力学知识还可对土木工程建属进行微观模拟，借助于模拟探究结果可监测建筑的安全性和整体性能，使得土木工程建筑施工更加清晰化。

（3）使用力学只是中的流体力学知识可形成土木工程建筑流体力学，将流体力学知识更好地应用于多类型的土木工程，如对于都江堰等土木工程，使用流体力学的基本原理，可对地下水基本情况进行测定，并依据测定结果可判断地下水对建筑可能产生的影响，以此在建筑建设前期实现对土木工程安全性的判定。此外，通过使用流体力学的物体浮力定理和液体平衡理论，还可为多类型的土木工程提供更加全面化的科学指导。

（4）随着我国经济和科学技术的不断提升，还可将计算机科学技术应用于土木工程力学内容的使用，可使用计算机对土木工程所涉及到的力学进行高效计算，也可通过对计算机计算结果的分析为实际施工提供科学依据。此外，还可使用力学相关计算机软件对土木工程施工进行施工前模拟，通过模拟来判定已有施工图纸的可靠性，还可使用CAD 等土木工程特有软件基于力学基本理论知识对土木工程施工图纸进行绘制等。

5 结语

总结可得，力学在土木工程中的应用研究具有较为重要的意义和作用。通过对力学基本理论知识的研究，可将不同力学知识合理应用于土木工程施工的不同阶段，还可通过对力学相关分析计算方法的研究来实现对土木工程施工基本性能检测，以此来提升施工的安全性和稳定性。现有力学在土木工程中的应用主要包括不同作用力的工程应用，如压力在土木工程中实际应用主要涉及到施工工作的参考数据和工程质量的重要衡量指标等，之后力学在土木工程中的应用还会涉及到计算机模拟、形成建筑自身力学理论等。