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材料力学轴压原理在土木工程的应用

2019-08-31 09:00 来源:土木工程论文 人参与在线咨询

摘要:材料力学就是通过研究材料在各类外部荷载作用下的应力及变形情况,分析材料强度、稳定性及最大承载力。将材料力学轴压原理高效应用在建设行业中,可更好评测施工材料适用性,切实提升工程施工质量及效率。基于此,对材料力学压轴原理在土木工程中的具体应用进行相关概述,旨在充分发挥出材料力学在土木工程中的应用价值。

关键词:材料力学;轴压原理;土木工程

随着社会城市化发展进程不断推进,土木工程呈现出数量增多、建设规模扩大以及施工管理难度加大等特征。为使土木工程更好地满足城市建设质量标准,工程管理部门应紧抓材料力学轴原理应用工作;依据材料力学轴压特征,分析施工材料及土木结构隐藏质量及安全隐患,切实提升施工材料利用率,促进土木工程有序开展。

1材料力学理论研究

从研究对象角度分析,材料力学就是研究材料在各类外力条件下产生的应变力、强度、刚度及稳定性变化的学科,与理论力学及结构力学共同构成力学科学。通常情况下,材料力学需事先开展理论力学的研究工作,学会构建基本力学模型及简要分析力学原理。材料力学主要研究方向为杆件、板壳及块体的内力及变形程度。与其他力学研究相比,材料力学需涉及以下几方面内容:第一,研究各类材料力学性能或机械性能;第二,研究各构件受力情况,得出构件应力及变形具体参数。以杆件研究为例,结构力学对杆件的研究多围绕杆件及其整体结构的受力情况,而材料力学则以研究杆件不同的受力状态,如拉伸、压缩、弯曲以及剪切,通过受力状态分析结论,得出杆件轴力、压力、拉力及弯矩力数值,最后依据材料力学轴压原理、弯曲正应力原则,分析杆件及其整体结构存在问题,为杆件结构进一步完善及优化提供重要理论依据。

2土木工程材料力学轴压原理的应用

材料力学轴压原理主要就是指受到轴向力作用的构件,构件正应力(设计强度或允许应力)为轴向力与构件截面积比值。其中,构件正应力与构件截面积成反比,与轴向力成正比;在轴向力不变情况下,构件截面积越大,正应力越小;反之构件截面积越大;在构件截面积不变情况下,轴向力越大,正应力越大。依照构件正应力参数数值,可判断构件在外力作用下的强度是否符合安全标准。因此,将材料力学轴压原理应用在土木工程施工期间,可更好判断出各构件安全性及适用性,及时解决工程结构设计期间存在的问题,为工程结构设计方案优化及材料选择提供重要理论依据,从根本上保障土木工程质量及全生命使用周期。

2.1高层土木材料力学轴原理的应用

将材料力学轴压原理应用在高层建筑土木工程中,可实现高层建筑土木结构优化目标。以美国某高层建筑项目为例,该高层建筑项目始建于20世纪70年代,总高16层,建筑中间结构呈梯形,两侧楼梯呈射线分散装。从建筑整体结构及结构自重性角度分析,建筑顶部到低端的自重逐步增大,建筑材料正应力保持不变;为确保高层建筑土木工程质量及安全性符合设计要求,建筑截面实际应力不可大于建筑正应力,并始终维持在安全使用建筑施工材料基础上。该高层建筑主要结合建筑整体受力特征,通过改变建筑外观及截面积,保障施工材料及构件正应力满足设计安全标准。目前来看,通过改变外观方式而获得安全效益的建筑项目不多,大部分高层建筑结构外观尺寸基本一致,故可通过改变柱结构截面积等方式达到保障结构均匀受力、提升施工材料利用率以及控制施工成本的目标。值得注意的是,在改变柱结构截面积方式满足建筑整体受力要求过程中,柱结构顶端需承受来自楼顶的下压力,柱结构顶端至底端也需承受来自各个楼层及自身重力,所以为保障建筑结构整体安全性,除应用最大承载力更高材料紫外,还需调整柱结构横截面积,将柱体设计为上粗下细形态,保障材料受力均匀性,充分发挥出材料力学轴压原理在高层建筑土木工程设计中的作用。

2.2桥梁建设索塔材料力学轴原理应用

桥梁索塔就是悬索桥或斜拉桥等主支撑的塔型结构。与高层建筑柱结构类似,桥梁索塔横截面设计应结合材料力学轴压原理。以我国某地桥梁建设工程为例,该桥梁工程索塔结构为H型钢筋混凝土,索塔断面呈现箱型,尺寸从下至上不断缩小;因桥梁索塔顶部承受力较小,自身重力及承载负荷量不断增大,索塔结构顶部到底端的横截面需在轴向力作用下不断扩大,从而形成上窄下宽形态。再以美国金门大桥为例,该桥梁工程承建于20世纪30年代,距今已有几十年历史;金门大桥在外观设计及土木工程建设期间,首次应用了材料力学轴压原理建设索塔结构,索塔由侧面观看呈现出阶梯装。以上案例桥梁塔索结构均为刚性塔,主要特征都是采用上窄下宽形态,保障索塔结构受力均匀;悬索桥主梁需承受桥体自重及桥面活载重力,由缆索将力传送给索塔结构,使索塔结构两侧缆索水平力相互抵消,使索塔结构仅承受竖直方向力。

2.3拱桥拱肋材料力学轴原理的应用

拱肋结构作为拱桥主受力构件,对保障拱桥质量及全生命周期具有重要作用。在拱肋设计期间,应用材料力学轴压原理,可均衡拱肋结构受力状态,使拱肋仅承受轴向压力。以京杭运河大桥为例,该桥体深部结构采用下承式三拱无风撑系杆拱桥形态,拱桥拱肋呈抛物线特征,截面为箱型,截面尺寸从中间向两端逐渐递减。通过专业空间结构分析技术发现,该桥梁中拱肋承受永久荷载力占总荷载力的55%,边拱肋承重永久荷载力占总荷载力的15%~22%。从材料力学轴压原理角度分析,在构件正应力即材料性能不变情况下,构件轴向力越大,构件截面面积需随之扩大,所以在该桥梁工程上部拱桥结构拱肋设计期间,中间拱肋为主受力部位,截面尺寸应比边拱肋面积大;同时,在材料力学轴压原理下,对拱肋截面积设计方案进行不断优化,有效提升了用于修筑拱肋结构的材料利用率,为实现工程经济效益最大化发展目标奠定了坚实基础。

3结语

将材料力学轴原理高质高效应用在土木工程中,可进一步扩展工程材料及结构质检渠道,解决土木工程施工期间的安全、经济及技术问题。同时,通过研究材料力学轴原理,还可对工程施工材料的韧性、强度及稳定性进行系统评测,确保材料各项性能符合工程设计要求,为尽早实现土木工程经济效益、社会效益及安全效益最大化奠定坚实基础。

参考文献

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作者:刘蕾 李忠峰 单位:营口理工学院

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