桥梁建筑中的物理力学应用
浅谈力学在土木工程中的应用与发展
浅谈力学在土木工程中的应用与发展作者：李振浩来源：《科技资讯》2015年第32期摘要：力学的应用是非常广泛的，该文主要以高中物理力学的视角，介绍了力学的概念和基本内容，阐述了力学与建筑上的联系。
并以力的平衡在石拱桥上的应用实例，分析了力学在土木工程中的应用。
最后结合土木工程的专业知识，阐述了力学在此领域的发展，形成了理论力学、固体力学和流体力学等新的学科。
关键词：力学土木工程力的平衡建筑力学中图分类号：TU599；TB332 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（b）-0056-03土木工程不断地为人类社会创造崭新的物质环境，成为人类社会现代文明的重要组成部分。
而力学原理又是建筑构造的根基。
其中，建筑产品的稳定性是所有工程中必须考虑的重要因素之一。
尽管在生活中，我们会看到一些令人感觉不稳定的神奇建筑，如比萨斜塔、空中花园、兰卡威天堑飞桥等，但是从力学角度分析，它们都属于稳定结构，这些问题是可以用力学原理解释的。
1 力学的基本内容力学在高中物理中的概念定义为物体间的相互作用[1]。
一个物体受到力的作用，一定有另外的物体施加这种作用，前者是受力物体，后者是施力物体。
各种力可以用两种不同的方法来分类：一种是根据力的性质来分类的，如重力、弹力、摩擦力、分子力、电磁力等等；另一种是根据力的效果来分类的，如拉力、压力、支持力、动力、阻力等等。
而力的合成、分解和平衡也是力学原理中的重要内容，贯穿于整个力学，是整个物理学学习的基础，也是高中学习的重点、难点和考点。
力学原理来源于实际生活，故在实际应用中可以用力的方法简化问题，解决问题，突出力学的实际效果。
2 力学与建筑力学的联系建筑力学是应用于土木工程中的基础理论，它由理论力学、材料力学和结构力学三大部分组成。
理论力学主要研究物体受力的分析方法和物体在力的作用下的平衡问题[2]；材料力学研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏的极限[3]；结构力学主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化[4]。
建筑结构材料的物理力学性能
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中高强钢丝和钢绞线
中强钢丝的强度为800~1200MPa，高强钢丝、钢绞线的为 1470 ~1860MPa；钢丝的直径3~9mm，外形有光面、刻痕和螺旋肋三 种。另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.5~15.2 mm。 中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。
多功能性 可以制得不同物理力学性质的混凝土，基本上能满足所有不同工
程的要求。
可加工性 可以按照工程结构的要求，浇筑成不同形状和尺寸的整体结构或
预制构件。
和钢筋的兼容性 钢筋等有牢固的粘结力，与钢材有基本相同的线膨胀系数，能制
作钢筋混凝土结构和构件。
低能耗性 能源消耗较烧结砖及金属材料低，能耗大约是钢材的1/90。
有在春秋战国时期就已兴修水利如今仍然起灌溉作用的秦代李冰父子修建的都江堰水利工程所55在1400年前由料石修建的现存河北赵县的安济桥这是世界上最早的单孔敞肩式石拱桥桥长5082m宽约9m为拱上开洞既可节约石材且可减轻洪水期的水压力它无论在材料使用结构受力艺术造型和经济上都达到了相当高的成就该桥已被美国土木工程学会选入世界第12个土木工程里程碑
3.1 建筑钢材
钢材在建筑工程中与其它结构材料相比所具有的特性： 1．轻质高强 2．韧性好、抗冲击能力强、抗拉强度高 3．可焊接、铆接、易于装配 4．外表轻巧、华美、具有光泽 5．易腐 6．耐火性差
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1、建筑结构常用的钢材类别
（1）结构钢材种类：
碳素钢
按含碳量不同可分为：
低碳钢（含碳量少于0.25%） 中碳钢（含碳量在0.25%～0.6%） 高碳钢（含碳量在0.6%～1.4%）
高中物理力学经典的题
高中物理力学经典的题高中物理力学经典题解析力学是高中物理学科的重要内容之一，掌握力学知识对于理解物理学原理和解决实际问题都具有重要意义。
本文将通过解析经典题目，帮助读者更好地掌握高中物理力学相关知识。
题目：一物体从光滑斜面由静止开始下滑，在滑动过程中受到平行于斜面的恒定合力，其下滑距离与时间的关系式是什么？解析：此题考察的是牛顿第二定律的应用。
由于物体在光滑斜面上滑动时受到平行于斜面的恒定合力，因此可以将其视为一个简单的匀加速直线运动。
根据牛顿第二定律，物体所受合力F等于其质量m与加速度a的乘积，即F=ma。
由于物体在斜面上滑动时受到重力作用和斜面对其的支持力的作用，因此物体所受合力F等于其重力的下滑分力减去斜面对其的支持力。
根据题意，物体从静止开始下滑，因此其初速度为0。
设斜面的倾角为θ，则物体所受重力的大小为mg，重力的下滑分力为mgsinθ，斜面对其的支持力为mgcosθ。
因此，物体所受合力F 等于mgsinθ-mgcosθ。
由于物体做匀加速直线运动，因此其加速度a等于合力F除以质量m，即mgsinθ-mgcosθ=ma。
将式子化简得a=gsinθ-gcosθ。
由于物体下滑的距离与时间的关系满足匀加速直线运动的公式s=at2/2，因此我们可以将加速度a代入该公式中，得到s=at2/2=(gsinθ-gcosθ)t2/2。
综上所述，物体在光滑斜面上由静止开始下滑，其下滑距离与时间的关系式为s=(gsinθ-gcosθ)t2/2。
高中物理力学经典的题库标题：高中物理力学经典题库高中物理是许多学生感到困难的科目之一，尤其是在力学部分。
为了帮助大家更好地掌握力学知识，本文将介绍一些经典的高中物理力学题目，并提供详细的解答。
一、质点运动1、题目：一个质点在x轴上从原点开始，以恒定加速度a向正方向移动。
在时间t时，求质点的位置和速度。
答案：根据题意，可以列出以下方程：x = (1/2)at^2v = at将时间t代入方程，得到：x = (1/2)at^2v = at解得：x = (1/2)at^2，v = at2、题目：一质点从原点开始，以恒定速度v向正方向移动。
桥梁杠杆原理法
桥梁杠杆原理法桥梁杠杆原理法是建筑工程中常用的一种结构设计方法，利用物理学中的杠杆原理来平衡外力和内力，使结构更加稳定。
下面将详细介绍桥梁杠杆原理法的原理及应用。
1. 杠杆原理的基本原理杠杆原理又称称杠杆定理，它是物理学中的基本原理之一，也是力学和机械学等学科的基础。
其基本原理是描述两个力在杠杆上的平衡关系，即当两个力在杠杆上成反比例关系时，可以实现平衡状态，施力点越靠近支点，需要的力就越小，反之则需要的力就越大。
根据杠杆原理，可以设定支点，并可以根据外力情况来计算所需的内力大小和方向。
桥梁杠杆原理法是结构设计领域中最常见的方法之一，该方法使用杠杆原理来设计桥梁支撑结构，使其能够稳定承受外部荷载。
桥梁支撑结构通常由多个按特定布局排列的单元结构组成，称之为构件，构件内部有所谓的支点，即承受荷载的地方。
构件中也包含支点之外的位置，称为杠杆本体，杠杆本体的长度和弯曲程度将影响结构的强度和稳定性。
桥梁杠杆原理法的原理如下：当外部荷载由桥面施加于桥墩上，并由于地面和桥墩自身的重量产生一定的反向力时，此时荷载和反向力便会在桥墩上产生一定的受力情况。
为了保证桥墩稳定，需要采取合适的结构设计方案，可以利用杠杆原理来解决这个问题。
具体做法是：假设桥墩作为杠杆的支点，外部荷载作为施力点，可以根据杠杆原理计算出桥墩受到的反向力的力量和方向，并设计出支撑结构来平衡这些力，从而使整个桥梁保持稳定。
桥梁杠杆原理法采用了物理学中的杠杆原理，既简单易懂又很实用，设计的结果也更为准确和稳定。
桥梁杠杆原理法的优点还包括：（1）灵活性强：桥梁杠杆原理法能适用于各种桥梁结构的设计，无论其形状和材料如何，都能够通过设定支点来实现平衡状态，从而保证桥梁稳定。
（2）计算简单：桥梁杠杆原理法的计算相对简单，只需根据外部荷载情况设定支点，然后利用杠杆原理进行计算即可。
（3）成本较低：桥梁杠杆原理法不需要大量的技术支持和设备，可以在不过多花费的前提下，得到良好的设计效果，是一种经济实用的结构设计方法。
物理学中的工程应用
物理学中的工程应用物理学作为一门基础科学，对工程领域的发展产生了深远的影响。
从古老的力学原理到现代的量子物理学，物理学的理论和方法在工程实践中得到了广泛的应用，推动着技术的不断进步和创新。
在机械工程领域，物理学的力学原理是设计和制造各种机械的基础。
牛顿的运动定律和万有引力定律为我们理解物体的运动和受力情况提供了重要的理论支持。
例如，在汽车工程中，工程师们需要考虑车辆的动力系统、悬挂系统和制动系统等，以确保汽车在行驶过程中的稳定性和安全性。
通过运用力学原理，他们可以计算出发动机的功率、车轮的摩擦力以及悬挂系统的弹性系数等关键参数，从而优化汽车的性能。
热力学在工程中的应用也十分广泛。
热机的发明和改进就是基于热力学原理。
无论是蒸汽机、内燃机还是燃气轮机，其工作过程都遵循着热力学的定律。
例如，在发电厂中，蒸汽轮机利用高温高压蒸汽的膨胀做功，将热能转化为机械能，再通过发电机转化为电能。
工程师们通过对热力学循环的分析和优化，提高热机的效率，降低能源消耗和环境污染。
电磁学的发展为电气工程带来了革命性的变化。
从发电机和电动机的发明，到现代的电力传输和电子设备，电磁学的理论始终是核心。
在电力系统中，变压器的工作原理基于电磁感应，通过改变电压实现电能的高效传输。
在通信领域，电磁波的传播和调制解调技术使得我们能够实现无线通信和互联网的连接。
光学在工程中的应用同样不可忽视。
激光技术的出现，为材料加工、医疗、通信等领域带来了巨大的变革。
例如，在制造业中，激光切割和焊接技术能够实现高精度、高速度的加工，提高生产效率和产品质量。
在医学领域，激光治疗近视、祛斑等已经成为常见的治疗手段。
此外，光学纤维的发明使得光信号能够在长距离内高速传输，为通信行业带来了质的飞跃。
物理学中的量子力学虽然相对较新，但已经在半导体工程中发挥了关键作用。
半导体器件如晶体管、集成电路等的制造，依赖于对量子力学中电子行为的精确控制。
通过在原子尺度上操纵材料的性质，工程师们能够制造出性能更强大、体积更小的电子元件，推动了计算机技术和信息技术的飞速发展。
板的拱效应定义
板的拱效应定义1.引言1.1 概述概述部分的内容可以如下所述：概述板的拱效应是指在受到外力作用时，板状结构在支撑点或者边界处产生的拱状弯曲。
该效应是结构力学中的一个重要现象，广泛应用于建筑、桥梁、航空航天等领域。
在传统的结构设计中，我们通常会将板状结构看作是承受均匀分布载荷的平面结构，而忽略了其他复杂的因素。
然而，实际情况中，板状结构通常会受到不均匀的载荷分布或者边界条件的限制。
这时，板的拱效应就会发生。
拱效应的物理原理是板状结构在受到外力作用时，在支撑点或者边界处产生的弯曲反力会沿着板的边缘传递，并形成一种内力的平衡状态。
这种内力的平衡状态使得板状结构能够更有效地承受外力，提高了其刚度和承载能力。
板的拱效应在结构设计中具有重要的意义。
它能够减少结构的变形和挠度，提高结构的稳定性和安全性。
同时，拱效应也可以用于优化结构设计，如减少材料的使用量、提高结构的经济性等方面。
本文将详细介绍板的拱效应的定义和物理原理，并探讨其在实际工程中的应用和展望。
通过对板的拱效应的深入了解，我们能够更好地理解结构力学中的这一重要现象，并在实际工程设计中灵活应用，从而提高结构的性能和可靠性。
文章结构部分的内容可以是以下内容之一：1.2 文章结构：本文主要包括引言、正文和结论三个部分。
引言部分概述了本文的主题和目的，从整体上介绍了板的拱效应以及其定义的重要性和现实意义。
正文部分主要分为两个小节：板的拱效应定义和拱效应的物理原理。
2.1 板的拱效应定义部分详细解释了板的拱效应的概念和定义。
在这部分中，将对板的拱效应进行简要介绍，包括什么是拱效应、拱效应是如何发生的以及拱效应的特点和影响因素等内容。
2.2 拱效应的物理原理部分深入探讨了拱效应发生的物理原因和机制。
在这部分中，将介绍板的拱效应是如何产生的、拱效应与结构稳定性的关系以及拱效应的物理原理等内容。
同时，还可以通过一些实例或数学模型来说明拱效应的具体原理和计算方法。
结论部分总结了本文的主要观点和结论，对板的拱效应的定义和物理原理进行了总结回顾。
【完整版】桥梁建设中的力学基础知识
摘要随着文化、科学和经济的不断发展，桥梁建设经历了从小跨度、形式简单到大跨度、结构复杂的发展阶段。
随着新技术、新材料、新工艺的不断应用，以及桥梁上作用荷载研究的不断深入，也促使人们加紧了桥梁力学问题的研究，推动了桥梁力学的发展;反过来，桥梁力学的研究成果也使桥梁的设计、施工及管理水平得到了进一步的提高。
近几个世纪桥梁建设的发展史也充分说明桥梁建设的发展与力学的进步是紧密相联的，而且是互相促进的。
另一方面，近阶段，不断出现的桥梁倒塌事故又明脱离了理论联系实际的原则所造成的严重后果，两者从不同侧面论证了力学原理在桥梁施工及施工监理中的重要性。
相对于工程结构的安全性设计和在役结构的安全性鉴定、耐久性分析等研究工作，施工结构的安全性分析工作还处于相当初期的水平。
工程结构的时变可靠性分析是指导施工结构的安全性分析的理论基础，但该理论日前主要考虑的是工程材料、结构强度的时变性特性。
针对这个研究课题，本文主要做了以下工作:1、对桥梁组成与桥梁基本类型进行了概括性介绍。
.桥梁主要由桥跨、桥墩、桥台及桥头锥体等部分组成。
通常习惯称桥跨为桥梁的上部结构:称桥墩，桥台及其基础为桥梁的下部结构。
对桥梁的组成部分及各部分的作用在论文中列表做了详细说明。
桥梁的基本形式按桥梁主要承重构件的受力情况可分为:梁桥、拱桥、刚架桥、悬索桥、组合体系桥等;按行车道的位置又可分为上承式桥、中承式桥和下承式桥。
2、桥梁建设中的力学基础知识涉及力学中的理论力学、结构力学、材料力学、弹性力学、结构动力学、土力学和水力学等诸多分支中的基础知识。
论文中对桥梁力学中的几个概念进行了详细的阐述，主要包括以下内容:1)机构与结构机构是指能够产生运动的构架或体系。
它属于几何可变体系，不具有承担设计荷载的能力。
能承受和传递荷载作用的体系称为结构。
结构是由不同的构件组成的儿何不变体系，具有承担设计荷载的能力。
2)静定结构与超静定结构静定结构是指在几何组成方面，它是无多余约束的几何不变体系:在受力状态方面，它的全部反力和内力均可由静力平衡方程所求得，且其解具唯一性。
力学系统中的稳定性理论及其应用
力学系统中的稳定性理论及其应用稳定性理论是力学系统研究中的重要内容之一，它涉及到系统在外界扰动下的行为和演化规律。
稳定性理论不仅在物理学领域有着广泛的应用，而且在工程学、生物学等多个领域也具有重要意义。
本文将介绍力学系统中的稳定性理论及其应用，并探讨其在不同领域中的实际应用。
稳定性理论的基本概念是系统的平衡态和扰动。
平衡态是指系统在没有外界扰动时达到的稳定状态，而扰动则是系统在平衡态下受到的外界影响。
稳定性理论的目标是研究系统在扰动下的演化规律，即系统是否会回到平衡态或者演化为新的稳定态。
稳定性理论的研究方法有多种，其中一种常用的方法是线性稳定性分析。
线性稳定性分析是通过线性化系统方程来研究系统的稳定性。
线性化系统方程是在平衡态附近对系统方程进行线性近似得到的，通过求解线性化方程的特征值和特征向量可以判断系统的稳定性。
特征值的实部为负时，系统是稳定的；特征值的实部为零时，系统是临界稳定的；特征值的实部为正时，系统是不稳定的。
稳定性理论在物理学中有着广泛的应用。
以力学系统为例，稳定性理论可以用于分析刚体的平衡与稳定性。
对于一个平衡的刚体，当其受到微小扰动时，如果扰动引起的力矩足够小，刚体将回到平衡位置，即刚体是稳定的。
而如果扰动引起的力矩足够大，刚体将发生倾覆，即刚体是不稳定的。
通过稳定性理论的分析，可以确定刚体的稳定范围，从而为工程设计提供指导。
稳定性理论在工程学中也有着重要的应用。
例如，在结构工程中，稳定性理论可以用于分析建筑物、桥梁等结构的稳定性。
通过对结构的稳定性进行分析，可以确定结构的安全性和稳定性，从而指导工程设计和施工。
此外，稳定性理论还可以用于分析电力系统、控制系统等工程系统的稳定性，为系统的设计和运行提供参考。
稳定性理论在生物学中也有着广泛的应用。
生物系统中的稳定性研究涉及到生物体内的各种生物过程和生物网络的稳定性。
例如，稳定性理论可以用于分析生物体内代谢网络的稳定性，从而揭示生物体内代谢调控的机制。
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桥梁建筑中的物理力学应用
作者：王道柱
来源：《中学课程辅导·教学研究》2013年第27期
物理是一门以应用为主的自然学科，是“来源于生活，又回归到生活中”的实践性和理论性完美结合的科目，是一门极具实践价值的学科。
物理和我们的生活息息相关，在科学发达的现代社会，各种物理知识在生活中的每一个领域扮演着尽善尽美服务于人民大众的使命，科学是推动历史前进的杠杆，科学提出新观念，创造新技术，推动社会发展，物理学本身是和科学技术-社会生产紧密联系的。
下面我就物理中力学在生活实践中的应用作一个归纳总结，在欣赏美轮美奂的物理知识成果同时也激励我们把物理知识的实用性更进一步发扬光大。
力学是每时每刻都在和我们打交道的物理知识，其涉及面之广可谓包罗万象，本文仅从力学中圆周运动知识在生活实践完美结合的典范—桥梁建筑来进行阐述。
主要介绍桥梁结构类型，浅析桥梁的力学原理及优缺点。
以主要的受力构件为基本依据，可分为梁式桥、拱式桥、刚架桥、斜拉桥、悬索桥、组合桥六大类。
一、梁式桥
结构分析：
用梁或桁架梁作主要承重结构的桥梁。
其上部结构在铅垂向荷载作用下，支点只产生竖向反力。
梁式桥为桥梁的基本体系之一。
梁式桥又可分为简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁桥。
优点：梁桥建造能就地取材、工业化施工、耐久性好、适应性强、整体性好且美观；缺点：结构本身的自重大，约占全部设计荷载的30%至60%，且跨度越大其自重所占的比值更显著增大，大大限制了其跨越能力。
二、拱式桥
结构分析：
拱式桥的主要承重结构是拱圈或拱肋，这种结构在竖向荷载作用下，桥墩或桥台将承受水平推力，同时这种水平推力将显著抵消荷载所引起的在拱圈内的弯矩作用。
拱桥的承重结构以受压为主，通常用抗压能力强的圬工材料和钢筋混凝土等来建造拱肋为主要承重构件，受力特点为拱肋承压、支承处有水平推力。
优点：跨越能力较大；能耐久，且养护、维修费用少；外型美观；构造较简单，有利于广泛采用。
缺点：由于它是一种推力结构，对地基要求较高；对多孔连续拱桥，为防止一孔破坏而影响全桥，要采取特殊措施或设置单向推力墩以承受不平衡的推力，增加了工程造价。
课堂理论题：
问题1：汽车通过拱形桥时的运动可以看做圆周运动，质量为m的汽车以速度v通过拱形桥最高点时，若桥面的圆弧半径为R，则此时汽车对拱桥的压力为多大？
【解】G和N的合力提供汽车做圆周运动的向心力，由牛顿第二定律得：
（ 1）由牛顿第三定律可知汽车对桥的压力
（2）汽车的速度越大，汽车对桥的压力越小
（3）当汽车的速度增大到时，压力为零。
三、刚架桥
结构分析：
刚架桥的主要承重结构是梁或板和立柱或竖墙整体结合在一起的刚架结构。
刚架桥是一种梁与墩台刚性连接成整体的结构在竖向荷载作用下，
柱脚处有水平反力和支撑弯矩。
同样的跨径在相同荷载作用下，刚架桥的正弯矩比梁式桥要小，刚架桥的建筑高度就可以降低。
特点：1.刚架结构，梁与墩柱连接处刚度较大
2.受力介于梁桥与拱桥之间，跨中正弯距小，降低建筑高度。
优点：外形尺寸小，桥下净空大。
缺点：为超静定结构，会产生次内力。
四、斜拉桥
斜拉桥是我国具有大跨径的桥梁，桥承受的主要荷载为其自身重力。
以一个索塔为例，索塔的两侧是对称的斜拉索，通过斜拉索将索塔主梁连接在一起。
现在假设索塔两侧只有两根斜拉索，左右对称各一条，这两根斜拉索受到主梁的重力作用，对索塔产生两个对称的沿着斜拉索方向的拉力，根据受力分析，左边的力可以分解为水平向向左的一个力和竖直向下的一个力；同样的右边的力可以分解为水平向右的一个力和竖直向下的一个力；由于这两个力是对称
的，所以水平向左和水平向右的两个力互相抵消了，最终主梁的重力成为对索塔的竖直向下的两个力，这样，力又传给索塔下面的桥墩了。
斜拉桥通过斜拉索的引入，较大的改变了结构的受力行为。
由于拉索轴力的存在，降低了桥梁的跨中弯矩和桥梁在支座端部的最大弯矩，并使桥体受力更为均匀。
这一受力形式的改变，可以大大地提高桥梁的承载力和跨越距离。
结构分析：
梁、索、塔为主要承重构件，利用索塔上伸出的若干斜拉索在梁跨内增加了弹性支承，减小了梁内弯矩而增大了跨径。
受力特点为外荷载从梁传递到索，再到索塔。
优点：梁体尺寸较小，使桥梁的跨越能力增大；受桥下净空和桥面标高的限制小；抗风稳定性优于悬索桥。
缺点：由于是多次超静定结构，计算复杂；索与梁或塔的连接构造比较复杂。
五、悬索桥
悬索桥以悬索为主要承重结构，结构自重较轻，构造简单，受力明确。
由于这种桥的结构自重轻，刚度差，在车辆动荷载和风荷载作用下有较大的变形和振动。
结构分析：
悬索桥中最大的力是悬索中的张力和塔架中的压力。
由于塔架基本上不受侧向的力，它的结构可以做得相当纤细，此外悬索对塔架还有一定的稳定作用。
优点：相对于其它桥梁结构悬索桥可以使用比较少的物质来跨越比较长的距离。
悬索桥可以造得比较高，容许船在下面通过。
悬索桥比较灵活，因此它适合大风和地震区的需要，比较稳定的桥在这些地区必须更加坚固和沉重。
缺点：悬索桥的坚固性不强，在大风情况下交通必须暂时被中断悬索桥的塔架对地面施加非常大的力，因此假如地面本身比较软的话，塔架的地基必须非常大和相当昂贵。