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摘要:土木工程,是指為人類生活、生產(chǎn)服務(wù)的各類與水、土和文化有關(guān)的各種工程設(shè)施的計(jì)劃、建造和維修。一般包括房屋建筑、道路交通、鐵道工程、給水排水、民航、港口工程等。鐵路作為我國經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈、國家重要基礎(chǔ)設(shè)施和基本的交通運(yùn)輸工具,在實(shí)際生產(chǎn)和生活中起著舉足輕重的地位,鐵道工程是其內(nèi)在支撐,在而工程力學(xué)知識和原理在鐵道工程建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的作用。本文以土木工程中的鐵道工程為例,來說明土木工程中如何具體應(yīng)用工程力學(xué)知識和原理,闡述工程力學(xué)知識和原理與土木工程實(shí)際應(yīng)用的緊密結(jié)合,為通過優(yōu)化力學(xué)知識來解決工程實(shí)際問題和工程力學(xué)教學(xué)提供參考。
關(guān)鍵詞:土木工程;鐵道工程;工程力學(xué);力學(xué);應(yīng)用
一、鐵道工程中設(shè)計(jì)階段的工程力學(xué)應(yīng)用
力學(xué)知識在鐵道工程設(shè)計(jì)工作中的作用是不言而喻的。鐵道工程中空間結(jié)構(gòu)的受力分析,復(fù)雜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的應(yīng)力和次應(yīng)力,鐵路橋梁、擋水墻、桁架橋結(jié)構(gòu)、橋墩、支座及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析計(jì)算等都是和力學(xué)有著不可分割的密切聯(lián)系,力學(xué)理論、物理學(xué)、數(shù)學(xué)及計(jì)算工具的進(jìn)步共同使鐵路設(shè)計(jì)與鐵道工程安全這對矛盾問題得到最大的合理解決。例如,為什么多數(shù)鐵路橋梁的橋墩為圓端形截面?從工程力學(xué)角度考慮,圓端形截面橋墩具有較大的截面模量,在避免應(yīng)力集中方面具有明顯優(yōu)勢,通過試驗(yàn)回歸分析,比較分析剪跨比、軸壓比、縱筋率與體積配箍率等4個(gè)因素對延性性能的影響程度,[1]各因素設(shè)計(jì)合理可以極大的提高橋墩的抗震性能。從流體力學(xué)的角度來考慮,在有效減小水流荷載、流冰壓力和風(fēng)荷載等橫向外力的作用,圓端形截面都有著明顯的優(yōu)勢。尤其在河流當(dāng)中,圓端形截面橋墩可以使水流順暢通過橋孔,有效減小阻水面積,大大減輕了水流對橋墩的局部沖刷和水流壓力,同時(shí)減輕了對鐵路橋梁整體的損害。具有矩形截面和圓形截面的共同優(yōu)點(diǎn)。
二、鐵道工程中施工階段的工程力學(xué)應(yīng)用
工程力學(xué)知識對于鐵道工程施工工作是不可或缺的。例如,為什么施工模板的安裝和拆除工程施工方案的確定,模板的安裝和拆除必須嚴(yán)格按規(guī)范要求來進(jìn)行,如拆除模板時(shí),拆除支撐的時(shí)間是需要準(zhǔn)確計(jì)算的,如果混凝土強(qiáng)度達(dá)不到一定的強(qiáng)度值,可能會因?yàn)橹蜗到y(tǒng)喪失穩(wěn)定性造成塌落事故。所以必須確保鋼筋混凝土能夠達(dá)到足夠的強(qiáng)度值來承受上部荷載,如果鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度值未達(dá)到規(guī)定值時(shí),嚴(yán)禁拆除模板。例如,為什么施工縫的留設(shè)位置應(yīng)設(shè)置在結(jié)構(gòu)受剪力較小和便于施工的部位。受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或有防水抗?jié)B要求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,施工縫留設(shè)位置應(yīng)經(jīng)設(shè)計(jì)單位認(rèn)可。[2]如果施工縫留設(shè)位置不當(dāng),會影響結(jié)構(gòu)的安全性能和使用壽命,甚至引發(fā)安全質(zhì)量事故。例如,為什么施工腳手架、塔吊的安裝計(jì)算,預(yù)制構(gòu)件堆放時(shí)墊木的位置和吊裝時(shí)起吊點(diǎn)位置的選定等,都需要通過工程力學(xué)的知識來確定。從事鐵道工程施工或監(jiān)理的工程專業(yè)技術(shù)人員,只有掌握了工程力學(xué)的基本原理和知識、基本定理和結(jié)論,才能真正懂得鐵道工程中各種構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的受力情況、作用以及荷載的傳遞途徑,以及它們在各種外部荷載作用下會產(chǎn)生什么樣的強(qiáng)度和剛度問題。這樣才能正確理解設(shè)計(jì)意圖和保證按圖施工,制定出合理的施工方案、安全措施和質(zhì)量保證措施,從而保證建筑施工過程中的絕對安全,確保工程質(zhì)量,避免事故發(fā)生。[3]
三、鐵道工程中事故分析階段的工程力學(xué)應(yīng)用
工程力學(xué)知識對于鐵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,杭州地鐵一號線湘湖站施工工地發(fā)生路面塌方事故,造成21人遇難,重傷4人,輕傷20人,直接經(jīng)濟(jì)損失近5000萬元的重大安全責(zé)任事故。事故原因從力學(xué)角度來解釋,其中設(shè)計(jì)單位未考慮到一些上部通行活荷載的力學(xué)問題,未根據(jù)當(dāng)?shù)剀浲列再|(zhì)合理選用力學(xué)參數(shù),基坑圍護(hù)相關(guān)設(shè)計(jì)的參數(shù)選取不當(dāng),降低了基坑支撐圍護(hù)體系的安全度。其中施工單位存在違規(guī)冒險(xiǎn)施工作業(yè);支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)存在嚴(yán)重缺陷,鋼管支撐體系架設(shè)不及時(shí),立柱之間缺乏設(shè)置剪刀撐,部分鋼支撐的安裝位置不符合設(shè)計(jì)要求,降低了支撐休系的整體穩(wěn)定性;嚴(yán)重超挖基坑,使得地下連續(xù)墻底部產(chǎn)生的內(nèi)力彎矩和剪力過大,超過上部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力。設(shè)計(jì)和施工單位均存在沒有合理科學(xué)的運(yùn)用力學(xué)知識的問題。
四、結(jié)語
土木工程是工程力學(xué)的外在表現(xiàn),工程力學(xué)是土木工程的靈魂所在,二者相互支撐是一個(gè)不可分割的統(tǒng)一體,本文通過工程力學(xué)知識和原理在鐵道工程中具體的應(yīng)用舉例,為通過優(yōu)化力學(xué)知識來解決工程實(shí)際問題和工程力學(xué)案例教學(xué)提供參考。
參考文獻(xiàn):
[1]蔣麗忠,邵光強(qiáng),姜靜靜,王輝.土木工程學(xué)報(bào),2013,46(3):3.
[2]混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范GB50666-2011.
[3]段瑋瑋,黃柱.淺析力學(xué)在土木工程專業(yè)的重要性.中小企業(yè)管理與科技(上旬刊),2015-12-05.
作者:閆瑞亭 單位:包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程系