林宇航

（福建江夏學(xué)院 福建 福州 350108）

1 土木工程中所使用力學(xué)基本理論內(nèi)容研究

通常，在實(shí)際學(xué)習(xí)中，力學(xué)是一門屬于利用數(shù)學(xué)方法對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行探究的學(xué)科，由于其闡述的基本規(guī)律和內(nèi)容帶有一定的普遍性，故在實(shí)際工程中可提供較為廣泛的技術(shù)理論，也可為土木工程等工程技術(shù)提供相關(guān)設(shè)計(jì)原理、計(jì)算方式、實(shí)驗(yàn)等依據(jù)。對(duì)于力學(xué)的基本分類可根據(jù)不同要求進(jìn)行劃分，如依據(jù)不同研究對(duì)象，可將力學(xué)劃分成固體、流體、一般力學(xué)三大類，其中固體力學(xué)和流體力學(xué)主要針對(duì)連續(xù)介質(zhì)研究對(duì)象的模型進(jìn)行探究，而剩余部分的研究對(duì)象則屬于一般力學(xué)研究范疇。一般，固體力學(xué)會(huì)包含彈性力學(xué)部分內(nèi)容、斷裂力學(xué)部分內(nèi)容、散體力學(xué)部分內(nèi)容等，流體力學(xué)會(huì)包含水動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、滲流力學(xué)等部分，多力學(xué)范疇進(jìn)行交叉后可囊括流變學(xué)等內(nèi)容。而不同種類力學(xué)在土木工程中進(jìn)行利用時(shí)會(huì)包含多力學(xué)知識(shí)的交叉，如經(jīng)常會(huì)用到土力學(xué)知識(shí)、巖石力學(xué)知識(shí)、爆炸力學(xué)知識(shí)、物理力學(xué)知識(shí)、計(jì)算力學(xué)知識(shí)等，依據(jù)土木工程所使用力學(xué)知識(shí)的不同可選取不同的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)方法等，以下為土木工程中所使用力學(xué)基本理論內(nèi)容研究。

1.1 土木工程中所使用力學(xué)基本量研究

由于土木工程建設(shè)中多考察的研究對(duì)象大多處于靜力平衡體系，故土木工程中所使用的力學(xué)基本量會(huì)包括以下內(nèi)容：

（1）土木工程中所使用力學(xué)基本量會(huì)包括外力。通常在彈性力學(xué)中外力會(huì)包含體力及面力兩種，理論力學(xué)中所包含外力則包含集中力，材料力學(xué)中所包含外力則包含集中力及分布力，在土力學(xué)中所包含外力為分布力。對(duì)于不同種類外力作用在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算中所使用的求解方法也不盡相同，而靜力平衡中所涉及外力主要表現(xiàn)為體力與面力的組合。

（2）土木工程中所使用力學(xué)基本量會(huì)包括內(nèi)力。在彈性力學(xué)中內(nèi)力會(huì)涉及到正應(yīng)力及剪應(yīng)力兩種，理論力學(xué)所涉及內(nèi)力則主要指所研究對(duì)象內(nèi)部不同質(zhì)點(diǎn)的互相作用力，材料力學(xué)中所涉及內(nèi)力主要包含彎矩、剪切力等，針對(duì)巖石力學(xué)中所研究塊體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力會(huì)包含正應(yīng)力及剪應(yīng)力等。對(duì)于不同種類的應(yīng)力，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，可將大部分內(nèi)力轉(zhuǎn)化為對(duì)研究對(duì)象內(nèi)部不同作用點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算，該基本用量在土木工程設(shè)計(jì)中屬于較為重要的指標(biāo)，可依據(jù)給基本用量對(duì)材料的基本性能盡相對(duì)比。

（3）土木工程中所使用力學(xué)基本量還包括應(yīng)變。該類基本量主要是指較小單元的變形，包括有線應(yīng)變與角應(yīng)變，對(duì)于不同使用力學(xué)類型所使用的應(yīng)變求解方法會(huì)不盡相同，如彈性力學(xué)中應(yīng)變的求解屬于位移計(jì)算的一個(gè)中間過程，結(jié)構(gòu)力學(xué)中針對(duì)桿件或者質(zhì)點(diǎn)系盡相應(yīng)變的計(jì)算也沒有太大的含義，而讀于土木工程中應(yīng)變的計(jì)算主要可當(dāng)作不同斷面的位移變形標(biāo)準(zhǔn)，可為土木工程設(shè)計(jì)及計(jì)算提供科學(xué)依據(jù)。

（4）土木工程中所使用力學(xué)基本量還包括位移。該類基本量為應(yīng)變的宏觀表現(xiàn)，與應(yīng)變之間關(guān)系為偏微分關(guān)系，在不同種類的力學(xué)中其表示的方法會(huì)有所不同，如在彈性力學(xué)中位移可使用坐標(biāo)的分量類進(jìn)行表示，在材料和結(jié)構(gòu)力學(xué)中位移則可使用截面的位移來進(jìn)行表示等。位移在使用時(shí)還分為角位移和線位移兩種，無論哪種位移，在實(shí)際使用時(shí)截面都應(yīng)為平面狀態(tài)，絕不可能出現(xiàn)曲面的狀態(tài)，如出現(xiàn)截面為曲面狀態(tài)時(shí)，需要將截面假設(shè)為平面，做土木工程計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的近似處理。

1.2 土木工程中所使用力學(xué)解析計(jì)算法研究

在土木工程建設(shè)中所使用力學(xué)模型大多涉及平面問題，故對(duì)于土木工程所使用的力學(xué)解析方法只針對(duì)平面問題，或?qū)⑤^為復(fù)雜的空間問題轉(zhuǎn)化為平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和處理，對(duì)于復(fù)雜空間轉(zhuǎn)化為平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理需要在涉及中增加安全系數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，以下為土木工程中所使用力學(xué)解析計(jì)算法具體研究：

（1）在土木工程中可使用基本求解方程的方法進(jìn)行力學(xué)解析，對(duì)于該方法在使用時(shí)要進(jìn)行基本的假設(shè)，如要假設(shè)所研究對(duì)象具有較強(qiáng)的連續(xù)性和均勻性，還要保證其形變位移處于較小狀態(tài)等。針對(duì)土木工程中所涉及到的不同力學(xué)類型，其實(shí)用的方程設(shè)立也不盡相同，如對(duì)于研究對(duì)象外部因素確定情況，所設(shè)立的方程可依據(jù)質(zhì)量守恒建設(shè)流體力學(xué)的連續(xù)性方程，也可依據(jù)動(dòng)量平衡設(shè)立粘性流體或者彈性固體的平衡微分方程等。而在固體力學(xué)中使用方程盡相解析時(shí)，要考慮到被研究對(duì)象的平衡、位移、本身結(jié)構(gòu)，所建立力學(xué)方程主要包括納維方程、柯西方程與物理方程等，使用不同方程還要考慮到被研究對(duì)象的微元狀態(tài)，描述好其本身結(jié)構(gòu)的關(guān)系，之后進(jìn)行方程的計(jì)算。

（2）由于在土木工程中經(jīng)常使用到內(nèi)力、位移等物理量，故在進(jìn)行力學(xué)求解時(shí)需要將內(nèi)力和位移考慮在內(nèi)，基于該情況，土木工程中常使用到的求解方法包括力法與位移法兩種。其中，立法屬于較為傳統(tǒng)的使用方法，對(duì)于不同研究對(duì)象，都要使用先削弱后進(jìn)行修復(fù)的方式進(jìn)行計(jì)算，也就是將已有的約束進(jìn)行解除，改為容易分解的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于彈性力學(xué)中力法的使用，主要使用應(yīng)力函數(shù)進(jìn)行求解，在求解之前要進(jìn)行合理假設(shè)，如進(jìn)行平面截面假設(shè)或者桿件假設(shè)，依據(jù)所研究對(duì)象的平衡情況、幾何條件及物理?xiàng)l件等進(jìn)行聯(lián)立求解，進(jìn)而求出方程中的未知量。此外，位移法使用時(shí)主要的未知量為位移，在土木工程設(shè)計(jì)中對(duì)于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)為內(nèi)力設(shè)計(jì)，而剛度設(shè)計(jì)的計(jì)算則次之。故使用位移法計(jì)算所使用方法為先進(jìn)行加強(qiáng)后進(jìn)行修復(fù)，也就是對(duì)于所設(shè)計(jì)的土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的固定，后將階段進(jìn)行力矩及剪力的平衡來消除節(jié)點(diǎn)中不平衡的力矩，使得方程成為平衡方程。依據(jù)不同節(jié)點(diǎn)處力矩的平衡條件可使用逐次迭代、彎矩分配等漸進(jìn)計(jì)算的方法對(duì)復(fù)雜情況進(jìn)行求解，具體求解過程可依據(jù)方程的難度進(jìn)行手工計(jì)算或者計(jì)算機(jī)計(jì)算，但隨著我國(guó)科技的不斷提升，在土木工程實(shí)際計(jì)算時(shí)常使用計(jì)算機(jī)計(jì)算方法進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，以此來保證土木工程設(shè)計(jì)的科學(xué)性和專業(yè)性。

2 力學(xué)在土木工程中所應(yīng)用理論知識(shí)研究

在力學(xué)的應(yīng)用范疇內(nèi)，土木工程建設(shè)與設(shè)計(jì)屬于較早的涉及領(lǐng)域，我國(guó)在高等教育中經(jīng)常會(huì)設(shè)立土木工程專業(yè)，對(duì)于高等教育中土木工程專業(yè)所涉及到的力學(xué)專業(yè)理論知識(shí)主要包括理論力學(xué)、彈性力學(xué)、土力與巖石力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等主要學(xué)科。其中理論力學(xué)在土木工程中應(yīng)用時(shí)會(huì)與物理知識(shí)練習(xí)緊密，多研究對(duì)象主要為剛體，探究?jī)?nèi)容主要涉及作用力和物體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，而其他力學(xué)學(xué)科則探究的對(duì)象大多為變形體，演技內(nèi)容主要涉及到不同力系的平衡或者簡(jiǎn)化問題。如材料力學(xué)主要研究不同作用力對(duì)所研究對(duì)象形變的影響，常涉及桿件的彎曲變形等，主要計(jì)算包含強(qiáng)度與剛度等內(nèi)容；結(jié)構(gòu)力學(xué)主要研究?jī)?nèi)容為桿件結(jié)構(gòu)的基本原理及不同結(jié)構(gòu)的具體受力情況；彈性力學(xué)主要使用近似的方法對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)受到外力作用的應(yīng)力及位移變化等；土力學(xué)主要研究地基的應(yīng)力變形情況，也會(huì)對(duì)土木工程所包含的土坡、擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算；巖石力學(xué)主要研究巖石地基、土木工程地下工程等穩(wěn)定性和基本設(shè)計(jì)方法。

此外，對(duì)于土木工程所涉及到的專業(yè)力學(xué)知識(shí)還可劃分為結(jié)構(gòu)力學(xué)與彈性力學(xué)兩大類。其中，彈性力學(xué)在土木工程中的使用是基于高等數(shù)學(xué)體系進(jìn)行建設(shè)的，主要分析方法為微單元的方法，對(duì)于彈性力學(xué)分析通常不會(huì)引入計(jì)算假設(shè)，而結(jié)構(gòu)力學(xué)在土木工程中使用會(huì)具有較為明顯的工程特征，計(jì)算時(shí)可簡(jiǎn)化的模型包括質(zhì)點(diǎn)或者杠桿，需要引入一定的計(jì)算假設(shè)，如平面截面的計(jì)算假設(shè)，以此來設(shè)立基本的計(jì)算和設(shè)計(jì)理念。對(duì)于這兩類力學(xué)，彈性力學(xué)的計(jì)算可使用簡(jiǎn)單材料力學(xué)進(jìn)行計(jì)算，但需要借助于偏微分方程組方法來滿足假設(shè)較少的情況，故該類型力學(xué)學(xué)科計(jì)算的靈活性不夠高，解答的容易性也不夠強(qiáng)，但由于其理論性和科學(xué)性相對(duì)較強(qiáng)，在實(shí)際土木工程中使用時(shí)會(huì)經(jīng)常用到，實(shí)際使用時(shí)要尤其注意彈性力學(xué)的求解方法與技巧，從而提升實(shí)際計(jì)算的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

3 力學(xué)在土木工程中實(shí)際應(yīng)用研究

3.1 壓力應(yīng)用于土木工程實(shí)際研究

依據(jù)上述對(duì)土木工程中力學(xué)等多方面內(nèi)容的具體研究，在土木工程實(shí)際建設(shè)中會(huì)使用到很多力學(xué)知識(shí)，借助于力學(xué)內(nèi)容的研究可進(jìn)一步提升土木工程項(xiàng)目開展的科學(xué)性和有效性。壓力屬于土木工程科學(xué)理論中的基本力學(xué)支撐，壓力可應(yīng)用于土木工程設(shè)計(jì)建設(shè)的基本施工中，通過使用壓力可保證土木工程的基本穩(wěn)定性，也可在原油的施工應(yīng)用范圍內(nèi)擴(kuò)大實(shí)際使用情況。如土木工程實(shí)際施工中，對(duì)于建筑材料的選用會(huì)使用到壓力相關(guān)知識(shí)，借助于壓力知識(shí)可對(duì)工程使用材料的寬度和廣度進(jìn)行最大承受力的計(jì)算；當(dāng)土木工程施工研究對(duì)象為橋梁時(shí)，橋梁的壓力承受情況和橋墩的受力情況屬于橋梁設(shè)計(jì)的主要數(shù)據(jù)，壓力承受情況的計(jì)算也會(huì)對(duì)橋梁的穩(wěn)定性造成直接影響，也會(huì)直接作用于施工質(zhì)量。此外，在土木工程項(xiàng)目施工完成之后，進(jìn)行工程質(zhì)量的檢查時(shí)，也需要對(duì)建筑物的承受壓力情況進(jìn)行測(cè)量，通過壓力的測(cè)量來判斷該建筑物的整體質(zhì)量是否合格。總結(jié)可得，壓力在土木工程中實(shí)際應(yīng)用主要涉及到施工工作的參考數(shù)據(jù)和工程質(zhì)量的重要衡量指標(biāo)。

3.2 摩檫力應(yīng)用于土木工程實(shí)際研究

摩擦力在土木工程施工設(shè)計(jì)中應(yīng)用也較為廣泛，主要涉及到以下部分內(nèi)容。一方面，針對(duì)土木工程設(shè)計(jì)施工中涉及到的滑輪，可借助于摩檫力的研究和使用來調(diào)整材料運(yùn)動(dòng)的基本方向，通過對(duì)滑輪的受力分析可將其所受到的摩擦阻力進(jìn)行改變，并將摩擦阻力轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程所需的動(dòng)力，從而方便土木工程材料的運(yùn)輸。另一方面，在土木工程實(shí)際施工中，所使用不同部件接觸部分的接觸面經(jīng)常會(huì)包含摩檫力，摩檫力會(huì)將壓力面的受壓情況提升，借助于摩檫力的該情況可使得實(shí)際施工的穩(wěn)定性得到保障?？偨Y(jié)可得，摩檫力在土木工程中的實(shí)際應(yīng)用主要表現(xiàn)在施工技術(shù)和提升建筑穩(wěn)定性兩個(gè)方面，通過使用摩檫力可將施工中的技術(shù)應(yīng)用成本降低，也可通過摩檫力的使用來提高土木工程建筑物的穩(wěn)定性，使得土木工程施工更加科學(xué)化。

3.3 重力應(yīng)用于土木工程實(shí)際研究

在土木工程實(shí)際應(yīng)用中，重力屬于較為重要的部分，物理學(xué)科中關(guān)于重力的使用可對(duì)土木工程的施工和設(shè)計(jì)具有較為重要的作用。借助于重力相關(guān)力學(xué)知識(shí)可對(duì)土木工程施工的不同施工階段的材料力作用進(jìn)行科學(xué)化分析，依據(jù)已有的計(jì)算公式也可對(duì)土木工程的各個(gè)階段進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)，保證相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容滿足基本的施工要求，還可在施工進(jìn)行中和施工完成之后對(duì)施工效果進(jìn)行重力測(cè)試。另外，在施工開始之前對(duì)于所使用材料的購(gòu)買也可利用重力知識(shí)進(jìn)行性能的監(jiān)測(cè)，依據(jù)重力相關(guān)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行材料的選取，可從源頭上保證施工的安全性和穩(wěn)定性。在實(shí)際施工中，還可使用重力與反作用力的相互作用關(guān)系對(duì)施工運(yùn)輸工作進(jìn)行指導(dǎo)，使得有用功和功率關(guān)系得到有效調(diào)節(jié)。總結(jié)可得，重力在土木工程中的應(yīng)用主要包括以下方面：可為土木工程的實(shí)際施工提供核心質(zhì)量檢驗(yàn)；利用相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行土木工程科學(xué)設(shè)計(jì)；通過使用重力知識(shí)可對(duì)施工所使用材料進(jìn)行專業(yè)選取；重力與反作用力關(guān)系對(duì)運(yùn)輸進(jìn)行指導(dǎo)等，以此來提升整體施工的穩(wěn)定性和安全性，保證土木工程施工高效如期完成。

3.4 合力應(yīng)用于土木工程實(shí)際研究

依據(jù)力學(xué)中主要的能量守恒定律可知不同作用力在經(jīng)過分析后可產(chǎn)生合力作用，合力作用在土木工程施工中也較為常見，通過合力作用，在一定程度上可簡(jiǎn)化工程施工，實(shí)現(xiàn)高效工作。如借助于桿件機(jī)構(gòu)中的杠桿原理，可使得土木工程施工所使用的材料本身能量轉(zhuǎn)化為可直接應(yīng)用的能量，減少無用功的消耗；還可借助于合力作用對(duì)材料進(jìn)行疊加，將不同材料所受到的作用力進(jìn)行分化，以此來保證施工整體材料的穩(wěn)定性；還可使用合力作用的相互平衡，對(duì)施工所涉及作用力進(jìn)行相互制約，使得施工的力學(xué)整體結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)等。

4 力學(xué)在土木工程中實(shí)際應(yīng)用發(fā)展研究

在土木工程建筑施工中，力學(xué)知識(shí)的應(yīng)用會(huì)涉及到很多方面，如建筑理論力學(xué)、固體力學(xué)、流體力學(xué)等，針對(duì)于土木工程實(shí)際應(yīng)用力學(xué)的基本情況，再結(jié)合新科技技術(shù)的發(fā)展情況，可對(duì)力學(xué)再土木工程中應(yīng)用發(fā)展情況進(jìn)行合理化探究。以下為力學(xué)應(yīng)用于土木工程的日后發(fā)展研究：

（1）借助于理論力學(xué)的基本知識(shí)可形成土木工程轉(zhuǎn)悠的建筑理論力學(xué)，將理論力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)知識(shí)應(yīng)用于土木工程建筑中，探究建筑設(shè)計(jì)使用牛頓運(yùn)動(dòng)定理的基本情況，針對(duì)土木工程施工的實(shí)際情況可將多種力學(xué)原理進(jìn)行分解或者組合，以此來提升建筑施工的穩(wěn)定性和安全性。

（2）使用固體力學(xué)的基本理論內(nèi)容形成土木工程建筑特有的固體力學(xué)，將固體力學(xué)所涉及到的彈性力學(xué)及材料力學(xué)等內(nèi)容應(yīng)用于土木工程施工的不同階段，借助于不同力的合成、平衡和分解來科學(xué)化指導(dǎo)實(shí)際施工，使得整體施工應(yīng)用科學(xué)知識(shí)更加廣泛性，在降低施工難度的同時(shí)，也可使得土木工程施工更加簡(jiǎn)便化。此外應(yīng)用動(dòng)力學(xué)知識(shí)還可對(duì)土木工程建屬進(jìn)行微觀模擬，借助于模擬探究結(jié)果可監(jiān)測(cè)建筑的安全性和整體性能，使得土木工程建筑施工更加清晰化。

（3）使用力學(xué)只是中的流體力學(xué)知識(shí)可形成土木工程建筑流體力學(xué)，將流體力學(xué)知識(shí)更好地應(yīng)用于多類型的土木工程，如對(duì)于都江堰等土木工程，使用流體力學(xué)的基本原理，可對(duì)地下水基本情況進(jìn)行測(cè)定，并依據(jù)測(cè)定結(jié)果可判斷地下水對(duì)建筑可能產(chǎn)生的影響，以此在建筑建設(shè)前期實(shí)現(xiàn)對(duì)土木工程安全性的判定。此外，通過使用流體力學(xué)的物體浮力定理和液體平衡理論，還可為多類型的土木工程提供更加全面化的科學(xué)指導(dǎo)。

（4）隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷提升，還可將計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于土木工程力學(xué)內(nèi)容的使用，可使用計(jì)算機(jī)對(duì)土木工程所涉及到的力學(xué)進(jìn)行高效計(jì)算，也可通過對(duì)計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果的分析為實(shí)際施工提供科學(xué)依據(jù)。此外，還可使用力學(xué)相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)土木工程施工進(jìn)行施工前模擬，通過模擬來判定已有施工圖紙的可靠性，還可使用CAD 等土木工程特有軟件基于力學(xué)基本理論知識(shí)對(duì)土木工程施工圖紙進(jìn)行繪制等。

5 結(jié)語

總結(jié)可得，力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用研究具有較為重要的意義和作用。通過對(duì)力學(xué)基本理論知識(shí)的研究，可將不同力學(xué)知識(shí)合理應(yīng)用于土木工程施工的不同階段，還可通過對(duì)力學(xué)相關(guān)分析計(jì)算方法的研究來實(shí)現(xiàn)對(duì)土木工程施工基本性能檢測(cè)，以此來提升施工的安全性和穩(wěn)定性。現(xiàn)有力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用主要包括不同作用力的工程應(yīng)用，如壓力在土木工程中實(shí)際應(yīng)用主要涉及到施工工作的參考數(shù)據(jù)和工程質(zhì)量的重要衡量指標(biāo)等，之后力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用還會(huì)涉及到計(jì)算機(jī)模擬、形成建筑自身力學(xué)理論等。