材料力學(xué)軸壓原理在土木工程中的應(yīng)用剖析

徐德龍 南京工程高等職業(yè)學(xué)校

1 概述

材料力學(xué)主要研究工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如建筑物的梁和柱)的強(qiáng)度和穩(wěn)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(xué)有四種強(qiáng)度理論：大拉應(yīng)力理論、大拉伸線變形理論、大剪應(yīng)力理論和變形能量密度理論。這些強(qiáng)度理論圍繞單個(gè)構(gòu)件或梁上的應(yīng)力有不同的應(yīng)用場(chǎng)景，在建筑的整個(gè)應(yīng)力分析階段發(fā)揮著重要作用。

2 土木工程建設(shè)中應(yīng)用的軸壓原理

當(dāng)構(gòu)造部件接觸到軸向力N的影響時(shí)，如果構(gòu)造部件的截面積A已經(jīng)給定，這時(shí)構(gòu)造部件截面上每個(gè)點(diǎn)的正應(yīng)力為。如果建材的預(yù)設(shè)強(qiáng)度或能承受的應(yīng)力[σ]確定后，就能夠知曉構(gòu)造部件是否能夠承受一定的外界力量，當(dāng)σ小于[σ]時(shí)則構(gòu)造部件就為安全的強(qiáng)度。

3 材料力學(xué)軸壓原理在土木工程中的應(yīng)用

3.1 高層土木材料力學(xué)軸原理的應(yīng)用

想要使高層建筑項(xiàng)目的土木構(gòu)造得到改良，可以把材料力學(xué)軸壓原理運(yùn)用于高層建筑項(xiàng)目的建設(shè)中。接下來(lái)我們就把美國(guó)的某個(gè)高層建筑作為實(shí)例，這個(gè)高層建筑初建于20世紀(jì)70年代，總共為16層，項(xiàng)目的中間構(gòu)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(gòu)造和整體構(gòu)造的自重方面進(jìn)行解析，由建筑頂層到建筑的底層自重會(huì)不但變大，而建材的正應(yīng)力則不會(huì)變化；為了保證高層項(xiàng)目土木工程的建設(shè)質(zhì)量和安全性能達(dá)到相關(guān)的規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，建筑的截面應(yīng)力應(yīng)該小于建筑的正應(yīng)力，同時(shí)應(yīng)該從始至終保持在安全應(yīng)用建筑原料的基礎(chǔ)上。這棟高層建筑重點(diǎn)在于綜合建筑全面的應(yīng)力特點(diǎn)，運(yùn)用對(duì)建筑的外形和截面積的改變，確保建材和構(gòu)件的正應(yīng)力達(dá)到相關(guān)的要求。就當(dāng)前來(lái)講，試圖經(jīng)過(guò)對(duì)建筑的外觀進(jìn)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(shù)高層的構(gòu)造和外形尺寸是完全一樣的，所以，可以利用整改柱結(jié)構(gòu)的截面積的方法實(shí)現(xiàn)確保結(jié)構(gòu)可以勻稱(chēng)受力、提高建材的使用率和防止建設(shè)資金無(wú)效耗費(fèi)的想象。應(yīng)該重點(diǎn)考慮的是，在對(duì)柱結(jié)構(gòu)截面積進(jìn)行改造并達(dá)到建筑整個(gè)受力目標(biāo)期間，柱結(jié)構(gòu)的頂部會(huì)受到來(lái)源于樓棟頂部的壓力，而柱結(jié)構(gòu)由上到下也將受到來(lái)源于建筑每層和自己的壓力，因而為了確保建筑全面結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，不但需要運(yùn)用承重力強(qiáng)的建材，還必須對(duì)柱結(jié)構(gòu)的橫截面積進(jìn)行必要的改動(dòng)，把應(yīng)該將柱體規(guī)劃成上邊粗下邊細(xì)的形狀，確保建材能夠勻稱(chēng)受力，使得材料力學(xué)軸壓原理的優(yōu)勢(shì)在高層建筑土木工程中實(shí)現(xiàn)有效的利用。

在懸索橋和斜拉橋中對(duì)主索起到支撐作用的塔形結(jié)構(gòu)柱，被成為索塔也稱(chēng)為橋塔。在進(jìn)行索塔橫截面姐的設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)以索塔的受力特征和相關(guān)設(shè)計(jì)要求來(lái)實(shí)施。以下會(huì)以萬(wàn)州長(zhǎng)江二橋作為實(shí)例，其中的索塔是H型鋼筋混凝土材質(zhì)，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(lái)講是下邊寬上邊窄，索塔的設(shè)計(jì)和建筑項(xiàng)目中柱體的設(shè)計(jì)比較相近，因?yàn)樗魉敹耸艿降牧Ρ容^小，經(jīng)過(guò)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(yīng)力逐漸變強(qiáng)，從公式中便可得知索塔的橫截面積因?yàn)閼?yīng)力的變強(qiáng)而變大，所以索塔的形狀都是下邊寬上邊窄。在用金門(mén)大橋作為實(shí)例，美國(guó)舊金山的金門(mén)大橋竣工于1937年，至今已經(jīng)達(dá)到80年之久，其從外形和項(xiàng)目建設(shè)來(lái)講，是很多第一次的由來(lái)，可以說(shuō)是打開(kāi)了工程建設(shè)革新的大門(mén)，像橋梁的設(shè)計(jì)者一般是運(yùn)用彈性理論和材料力學(xué)來(lái)對(duì)懸索橋進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，從側(cè)面觀看金門(mén)大橋的索塔是階梯形狀，從下到上逐漸變窄。這兩個(gè)例子中的大橋均采用的剛材質(zhì)，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(lái)的共同壓力，經(jīng)過(guò)吊桿傳送到纜索，纜索則經(jīng)過(guò)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(lái)的作用力，塔索從上到下不但需要承載纜索傳來(lái)的作用力，還必須承載上邊不斷變強(qiáng)的索塔自身的重量，因?yàn)闃蛩牟馁|(zhì)選用的是同一種，而材料的規(guī)格應(yīng)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(gòu)造能夠有科學(xué)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(yùn)用變化式截面設(shè)計(jì)可以更有效的應(yīng)用材料力學(xué)里的軸向壓應(yīng)力計(jì)算原理。

3.3 拱橋拱肋材料力學(xué)軸原理的應(yīng)用

拱橋建設(shè)中的主要受力部分為拱肋，其保證拱橋的質(zhì)量和使用壽命起著至關(guān)重要的作用。在進(jìn)行拱橋的拱肋規(guī)劃過(guò)程中，利用材料力學(xué)軸壓原理能夠使拱肋構(gòu)造受力保持在勻稱(chēng)的狀態(tài)中，使得拱肋只用承擔(dān)軸向壓力。接下來(lái)我們用京杭運(yùn)河大橋作為實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明，這座橋體深部構(gòu)造運(yùn)用的是下承式三拱無(wú)風(fēng)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(zhuān)門(mén)的空間結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行解析得出，這座橋的橋梁拱肋對(duì)永久荷載力的承重能力極強(qiáng)，占據(jù)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(xué)軸壓原理對(duì)以上現(xiàn)象進(jìn)行解析，在部件正應(yīng)力也就是材料性能一樣的時(shí)候，部件的軸向力大的話(huà)，部件的截面面積應(yīng)跟著放大，因此在進(jìn)行此橋梁上方拱橋構(gòu)造拱肋規(guī)劃過(guò)程中，中心部分的拱肋應(yīng)作為主要受力點(diǎn)，截面的大小必須比邊拱肋面積要大；另外，在運(yùn)用材料力學(xué)軸壓原理過(guò)程中，能夠?qū)袄叩慕孛娣e規(guī)劃方式實(shí)施逐步更新，從而更好的提高了用在修建拱肋構(gòu)造的建材的利用率，進(jìn)而有效的完成了工程項(xiàng)目資金收益最大化規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)打下基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

材料力學(xué)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(yīng)用于不同的施工工程和各個(gè)施工領(lǐng)域的許多方面，并且可以充分利用材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)來(lái)解決工程技術(shù)的安全方面、經(jīng)濟(jì)方面和其他問(wèn)題。材料力學(xué)的研究可以確保建筑材料韌性、抗壓強(qiáng)度、穩(wěn)定性和其他數(shù)據(jù)滿(mǎn)足建筑設(shè)計(jì)和實(shí)際使用要求，確保建筑和使用質(zhì)量。