材料力学轴压原理在土木工程中的应用剖析

徐德龙 南京工程高等职业学校

1 概述

材料力学主要研究工程结构构件(如建筑物的梁和柱)的强度和稳定性。在外力作用下，固体有抵抗损伤的能力，但这种能力是有限度的。材料力学有四种强度理论：大拉应力理论、大拉伸线变形理论、大剪应力理论和变形能量密度理论。这些强度理论围绕单个构件或梁上的应力有不同的应用场景，在建筑的整个应力分析阶段发挥着重要作用。

2 土木工程建设中应用的轴压原理

当构造部件接触到轴向力N的影响时，如果构造部件的截面积A已经给定，这时构造部件截面上每个点的正应力为。如果建材的预设强度或能承受的应力[σ]确定后，就能够知晓构造部件是否能够承受一定的外界力量，当σ小于[σ]时则构造部件就为安全的强度。

3 材料力学轴压原理在土木工程中的应用

3.1 高层土木材料力学轴原理的应用

想要使高层建筑项目的土木构造得到改良，可以把材料力学轴压原理运用于高层建筑项目的建设中。接下来我们就把美国的某个高层建筑作为实例，这个高层建筑初建于20世纪70年代，总共为16层，项目的中间构造为梯形，而两边的楼体采用的是射线分散形式。如果从建筑的全面构造和整体构造的自重方面进行解析，由建筑顶层到建筑的底层自重会不但变大，而建材的正应力则不会变化；为了保证高层项目土木工程的建设质量和安全性能达到相关的规划标准，建筑的截面应力应该小于建筑的正应力，同时应该从始至终保持在安全应用建筑原料的基础上。这栋高层建筑重点在于综合建筑全面的应力特点，运用对建筑的外形和截面积的改变，确保建材和构件的正应力达到相关的要求。就当前来讲，试图经过对建筑的外观进行整改而使安全性能变得更好的建筑工程还是较少的，大多数高层的构造和外形尺寸是完全一样的，所以，可以利用整改柱结构的截面积的方法实现确保结构可以匀称受力、提高建材的使用率和防止建设资金无效耗费的想象。应该重点考虑的是，在对柱结构截面积进行改造并达到建筑整个受力目标期间，柱结构的顶部会受到来源于楼栋顶部的压力，而柱结构由上到下也将受到来源于建筑每层和自己的压力，因而为了确保建筑全面结构的安全系数，不但需要运用承重力强的建材，还必须对柱结构的横截面积进行必要的改动，把应该将柱体规划成上边粗下边细的形状，确保建材能够匀称受力，使得材料力学轴压原理的优势在高层建筑土木工程中实现有效的利用。

在悬索桥和斜拉桥中对主索起到支撑作用的塔形结构柱，被成为索塔也称为桥塔。在进行索塔横截面姐的设计时，一般会以索塔的受力特征和相关设计要求来实施。以下会以万州长江二桥作为实例，其中的索塔是H型钢筋混凝土材质，塔柱的横截面是箱形，索塔的尺寸从下到上为5.5m×5.5m逐渐增加到11.639m×5.5m，整体来讲是下边宽上边窄，索塔的设计和建筑项目中柱体的设计比较相近，因为索塔顶端受到的力比较小，经过自身重力的不断增加以及承载的增加，从顶端到底端索塔横截面受到的应力逐渐变强，从公式中便可得知索塔的横截面积因为应力的变强而变大，所以索塔的形状都是下边宽上边窄。在用金门大桥作为实例，美国旧金山的金门大桥竣工于1937年，至今已经达到80年之久，其从外形和项目建设来讲，是很多第一次的由来，可以说是打开了工程建设革新的大门，像桥梁的设计者一般是运用弹性理论和材料力学来对悬索桥进行规划设计，从侧面观看金门大桥的索塔是阶梯形状，从下到上逐渐变窄。这两个例子中的大桥均采用的刚材质，索塔的形状从上到下依次变宽为他们的共同特征，刚性塔一般可以建成单柱和A字两种形状。悬索桥的主梁承受着桥垮的自身重量和桥面活载带来的共同压力，经过吊杆传送到缆索，缆索则经过索塔上的鞍座搭在主塔上，缆索把受到的压力传送给索塔，索塔两边缆索的力在平直方向中的重量互相作用几乎能够降至为零，最终使得索塔只用承载竖直方向带来的作用力，塔索从上到下不但需要承载缆索传来的作用力，还必须承载上边不断变强的索塔自身的重量，因为桥塔的材质选用的是同一种，而材料的规格应力[σ]相同，桥塔从下到上的轴力N不断减小，为了使得桥塔的构造能够有科学合理的承力能力，索塔的横截面积也从下到上逐渐变小。因此桥索塔运用变化式截面设计可以更有效的应用材料力学里的轴向压应力计算原理。

3.3 拱桥拱肋材料力学轴原理的应用

拱桥建设中的主要受力部分为拱肋，其保证拱桥的质量和使用寿命起着至关重要的作用。在进行拱桥的拱肋规划过程中，利用材料力学轴压原理能够使拱肋构造受力保持在匀称的状态中，使得拱肋只用承担轴向压力。接下来我们用京杭运河大桥作为实例进行说明，这座桥体深部构造运用的是下承式三拱无风撑系杆拱桥形式，该桥的拱肋采用的是抛物线的形式，截面也是箱型，截面处的大小从中心向两边慢慢减小。利用专门的空间结构技术进行解析得出，这座桥的桥梁拱肋对永久荷载力的承重能力极强，占据了全部荷载力的55%，而边拱肋承受永久荷载力只占到了总荷载力的15%～到22%。用材料力学轴压原理对以上现象进行解析，在部件正应力也就是材料性能一样的时候，部件的轴向力大的话，部件的截面面积应跟着放大，因此在进行此桥梁上方拱桥构造拱肋规划过程中，中心部分的拱肋应作为主要受力点，截面的大小必须比边拱肋面积要大；另外，在运用材料力学轴压原理过程中，能够对拱肋的截面积规划方式实施逐步更新，从而更好的提高了用在修建拱肋构造的建材的利用率，进而有效的完成了工程项目资金收益最大化规划标准打下基础。

4 结束语

材料力学在道路桥梁施工和建筑施工中都起着重要作用，轴向压缩原理可应用于不同的施工工程和各个施工领域的许多方面，并且可以充分利用材料力学相关知识来解决工程技术的安全方面、经济方面和其他问题。材料力学的研究可以确保建筑材料韧性、抗压强度、稳定性和其他数据满足建筑设计和实际使用要求，确保建筑和使用质量。