力学在土木工程专业中的应用

【摘 要】力学是土木工程专业的理论基础，本科教学主要开设的力学必修课包括理论力学、材料力学和结构力学三门。“三大力学”是支撑土木工程专业的基石，是其灵魂，本文简述“三大力学”在土木工程中的一些实际应用。

【关键字】力学；土木工程；计算简图；内力计算

1、概述

人类为了满足生活和生产活动的需求，建造了房屋、道路桥梁、隧道、堤坝、电站、港口、机场等建筑物和构筑物。建造各类建筑物和构筑物的科学技术统称为土木工程。在土木工程漫长的发展过程中，力学知识一直有着广泛的应用。通过经验的积累，人类很早就会建房子、架桥梁，但只有拥有了现代力学知识，人们才能建造出摩天大楼、巨型水坝、大跨桥梁、海洋平台、海底隧道等宏伟工程。

土木工程专业本科教学主要开设的力学必修课程包括理论力学、材料力学和结构力学三门专业基础课，通常称为土木工程的“三大力学”。 土木工程中常用的结构构件包括杆、梁、柱、板、壳、桁架、悬索等。在这些结构构件力学分析的基础上，土木工程师可以建造出结构优化、安全可靠的现代大型结构物。

2、模型的建立

人们对事物的认识往往并不是直接考察其真实的全部，而是通过科学抽象与合理简化、略去次要因素并抓住其本质特征而建立近似替代物来进行分析研究的。结构的力学分析就是按照上述的道理采用力学建模进行研究的，即利用力学、工程结构知识和实践经验，首先经过科学的抽象，并根据结构实际的受力、变形等主要因素，对结构进行合理的简化；经简化后可以用作分析计算的模型，称为结构的计算简图或力学模型。

2.1 对外力的假设及简化

对外力的假设及简化反映了外力对建筑结构的作用情况。根据不同的情况将外力简化成不同的荷载。比如，当外力作用面积相对于结构来说较小，可将其简化为集中荷载，否则简化为均布荷载。若外力相对于结构位置和大小变化均较小，可将其简化为静荷载，否则简化为动荷载。

2.2 对约束及连接的假设及简化

对约束及连接的假设及简化外部约束反映了约束体对结构和约束体连接处位移的限制情况，约束的类别很多，根据不同的标准可以将其简化成具体理想的约束。比如，当约束体的刚度很大或者结构和约束体连接处位移受到限制小到可以忽略时，就可以将其简化为刚性约束，如光滑接触面、固定支座、活动支座等。当约束体存在变形且结构和约束体连接处位移产生的影响不可以忽略时，可将其简化为理性柔性约束，如弹性支座、柔索；将杆件结构体系的构件与构件之间连接简化为铰结点、刚结点等。

目前建筑结构设计采用PKPM软件进行计算，使用过程中最关键的就是建模，也就是将一个复杂的工程问题简化为一个简单的力学计算简图，这就离不开力学知识。力学模型选取的正确与否直接关系到最终计算结果的正误。

3、内力的计算

计算机不是万能的，如果在程序的操作过程中，因为某个参数输入错误，导致整个内力计算结果错误，而计算机不具备这种纠偏能力，就需要利用力学知识进行判断、检验，以避免错误的出现。有些构件采用PKPM进行计算相当麻烦，比如小框架结构的楼梯，往往采用手算代替机算，这就需要力学知识首先算出其内力。

4、结语

要想做一个合格的土木工程师必须要有较好的力学基础。若缺乏对三大力学的基本概念、物理意义和求解方法的深入理解，想真正掌握好相关专业课程，做好有关工程设计、 施工、监理乃至进一步的科研工作，是不可想象的。

参考文献：

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[2]张明朗.论计算简图的建立[J].山西建筑，2010，36（6）

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[4]黄立新，吴宇华.土木工程专业的计算力学教育[J].广西大学学报（自然科学版），2007，32（z2）

[5]郝哲.土木工程专业中的若干力学问题剖析[J].沈阳大学学，2005，17（2）

作者简介：

王倩（1985-），山东枣庄，四川建筑职业技术学院，助教，研究方向：建筑结构

邓蓉（1982-），四川广元，四川建筑职业技术学院，助教，研究方向：应用力学