摘 要： 土木工程, 是指为人类生活、生产服务的各类与水、土和文化有关的各种工程设施的计划、建造和维修。一般包括房屋建筑、道路交通、铁道工程、给水排水、民航、港口工程等。铁路作为我国经济大动脉、国家重要基础设施和基本的交通运输工具, 在实际生产和生活中起着举足轻重的地位, 铁道工程是其内在支撑, 在而工程力学知识和原理在铁道工程建设中发挥着不可替代的作用。本文以土木工程中的铁道工程为例, 来说明土木工程中如何具体应用工程力学知识和原理, 阐述工程力学知识和原理与土木工程实际应用的紧密结合, 为通过优化力学知识来解决工程实际问题和工程力学教学提供参考。
关键词： 土木工程; 铁道工程; 工程力学; 力学; 应用;
工程力学是一门具有较强理论性、抽象性又和实际工程联系十分密切的技术性的基础性学科, 工程力学的定理、定律以及结论十分广泛应用于土木工程的技术中, 它是解决土木工程当中实际问题的重要基础。
铁道工程是铁路上的各种土木工程设施的科学技术的统称。它包括铁道工程所应用的材料和机械设备等。也包括为人们生活、生产所服务的各类铁道工程的铁路线路、铁路车站、铁路桥梁和相关配套设施等所进行的设计、施工、安装和维护等各项技术工作及其完成的工程实体。
随着社会和经济的高速发展, 科学技术的突飞猛进, 工程结构出现了前所未有的大型化、齐特化、复杂化, 超高层建筑不断刷新着世界记录, 巨型大坝、港珠澳大桥以及复杂的铁路系统等超级工程不断涌现, 满足人们的生活需求。而这一切都离不开作为其重要支撑的工程力学的知识和原理, 只有这样土木工程的发展才能走向更加深远和广阔, 更好的为人类社会做出极其重要的贡献。
具体实际应用和结合, 举例说明:
一、铁道工程中设计阶段的工程力学应用
力学知识在铁道工程设计工作中的作用是不言而喻的。铁道工程中空间结构的受力分析, 复杂结构强度计算的应力和次应力, 铁路桥梁、挡水墙、桁架桥结构、桥墩、支座及基础结构的设计和分析计算等都是和力学有着不可分割的密切联系, 力学理论、物理学、数学及计算工具的进步共同使铁路设计与铁道工程安全这对矛盾问题得到最大的合理解决。
例如, 为什么多数铁路桥梁的桥墩为圆端形截面?
从工程力学角度考虑, 圆端形截面桥墩具有较大的截面模量, 在避免应力集中方面具有明显优势, 通过试验回归分析, 比较分析剪跨比、轴压比、纵筋率与体积配箍率等4个因素对延性性能的影响程度, [1]各因素设计合理可以极大的提高桥墩的抗震性能。
从流体力学的角度来考虑, 在有效减小水流荷载、流冰压力和风荷载等横向外力的作用, 圆端形截面都有着明显的优势。尤其在河流当中, 圆端形截面桥墩可以使水流顺畅通过桥孔, 有效减小阻水面积, 大大减轻了水流对桥墩的局部冲刷和水流压力, 同时减轻了对铁路桥梁整体的损害。具有矩形截面和圆形截面的共同优点。
二、铁道工程中施工阶段的工程力学应用
工程力学知识对于铁道工程施工工作是不可或缺的。
例如, 为什么施工模板的安装和拆除工程施工方案的确定, 模板的安装和拆除必须严格按规范要求来进行, 如拆除模板时, 拆除支撑的时间是需要准确计算的, 如果混凝土强度达不到一定的强度值, 可能会因为支撑系统丧失稳定性造成塌落事故。所以必须确保钢筋混凝土能够达到足够的强度值来承受上部荷载, 如果钢筋混凝土结构的强度值未达到规定值时, 严禁拆除模板。
例如, 为什么施工缝的留设位置应设置在结构受剪力较小和便于施工的部位。受力复杂的结构构件或有防水抗渗要求的结构构件, 施工缝留设位置应经设计单位认可。[2]如果施工缝留设位置不当, 会影响结构的安全性能和使用寿命, 甚至引发安全质量事故。
例如, 为什么施工脚手架、塔吊的安装计算, 预制构件堆放时垫木的位置和吊装时起吊点位置的选定等, 都需要通过工程力学的知识来确定。从事铁道工程施工或监理的工程专业技术人员, 只有掌握了工程力学的基本原理和知识、基本定理和结论, 才能真正懂得铁道工程中各种构件和结构的受力情况、作用以及荷载的传递途径, 以及它们在各种外部荷载作用下会产生什么样的强度和刚度问题。这样才能正确理解设计意图和保证按图施工, 制定出合理的施工方案、安全措施和质量保证措施, 从而保证建筑施工过程中的绝对安全, 确保工程质量, 避免事故发生。[3]
三、铁道工程中事故分析阶段的工程力学应用
工程力学知识对于铁道工程中事故分析工作的作用是不可替代的。
例如, 2008年11月15日, 杭州地铁一号线湘湖站施工工地发生路面塌方事故, 造成21人遇难, 重伤4人, 轻伤20人, 直接经济损失近5000万元的重大安全责任事故。事故原因从力学角度来解释, 其中设计单位未考虑到一些上部通行活荷载的力学问题, 未根据当地软土性质合理选用力学参数, 基坑围护相关设计的参数选取不当, 降低了基坑支撑围护体系的安全度。其中施工单位存在违规冒险施工作业;支撑结构系统存在严重缺陷, 钢管支撑体系架设不及时, 立柱之间缺乏设置剪刀撑, 部分钢支撑的安装位置不符合设计要求, 降低了支撑休系的整体稳定性;严重超挖基坑, 使得地下连续墙底部产生的内力弯矩和剪力过大, 超过上部围护结构的承载能力。设计和施工单位均存在没有合理科学的运用力学知识的问题。
四、结语
土木工程是工程力学的外在表现, 工程力学是土木工程的灵魂所在, 二者相互支撑是一个不可分割的统一体, 本文通过工程力学知识和原理在铁道工程中具体的应用举例, 为通过优化力学知识来解决工程实际问题和工程力学案例教学提供参考。
参考文献
[1]蒋丽忠, 邵光强, 姜静静, 王辉.土木工程学报, 2013, 46 (3) :3.
[2]混凝土结构工程施工规范GB50666-2011.
[3]段玮玮, 黄柱.浅析力学在土木工程专业的重要性.中小企业管理与科技 (上旬刊) , 2015-12-05.
