力学在土木工程中的应用论文

1 力学的过去于现在 数学、物理学、化学、力学、天文学、地理学及生物学统称为七大自然科学。力学是七大自然学科之一。力学是一门独立的、系统的学科。　　它是一切研究对象的受力和受力效应的规律及其应用的学科的总称。力学知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验。人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水等器具，逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识。古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置、物体在水中受到的浮力等作了系统研究，确定它们的基本规律，初步奠定了静力学即平衡理论的基础。　　古代人还从对日、月运行的观察和弓箭、车轮等的使用中，了解一些简单的运动规律，如匀速的移动和转动。但是对力和运动之间的关系，只是在欧洲文艺复兴时期以后才逐渐有了正确的认识。　　伽利略在实验研究和理论分析的基础上，最早阐明自由落体运动的规律，提出加速度的概念。牛顿继承和发展前人的研究成果(特别是开普勒的行星运动三定律)，提出物体运动三定律。伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。牛顿运动定律的建立标志着力学开始成为一门科学。　　此后，力学的研究对象由单个的自由质点，转向受约束的质点和受约束的质点系。这方面的标志是达朗贝尔提出的达朗贝尔原理，和拉格朗日建立的分析力学。其后，欧拉又进一步把牛顿运动定律用于刚体和理想流体的运动方程，这看作是连续介质力学的开端。　　运动定律和物性定律这两者的结合，促使弹性固体力学基本理论和粘性流体力学基本理论孪生于世，在这方面作出贡献的是纳维、柯西、泊松、斯托克斯等人。弹性力学和流体力学基本方程的建立，使得力学逐渐脱离物理学而成为独立学科。 从牛顿到汉密尔顿的理论体系组成了物理学中的经典力学。在弹性和流体基本方程建立后，所给出的方程一时难于求解，工程技术中许多应用力学问题还须依靠经验或半经验的方法解决。这使得19世纪后半叶，在材料力学、结构力学同弹性力学之间，水力学和水动力学之间一直存在着风格上的显著差别。　　20世纪初，随着新的数学理论和方法的出现，力学研究又蓬勃发展起来，创立了许多新的理论，同时也解决了工程技术中大量的关键性问题，如航空工程中的声障问题和航天工程中的热障问题等。　　这时的先导者是普朗特和卡门，他们在力学研究工作中善于从复杂的现象中洞察事物本质，又能寻找合适的解决问题的数学途径，逐渐形成一套特有的方法。从20世纪60年代起，计算机的应用日益广泛，力学无论在应用上或理论上都有了新的进展。到现在为止，工程力学已发展成一门具备完整的学科结构和体系的学科。工程力学是机械工程、土木工程、道路桥梁、航空航天工程、材料工程等的基础，在人类的实践活动中无处不在，并且深刻地影响着人类的实践活动。2 力学与土木工程 1 土木工程的发展历程 从新石器时代改善巢居穴处的条件开始，到17世纪中叶前，是土木工程从萌芽到发达的时期。随着古代文明的发展和社会进步，创造了无数伟大工程建设，成为灿烂古代文化的重要组成部分。但受到社会经济条件的限约，发展很不平衡。在中国，殷商西周之际已发展了独具风格的木结构和夯土技术。战国时期李冰父子修建的都江堰，是世界上最早的综合性大型水利工程。西周初期制造出瓦，战国时制造出砖（砖瓦的出现使土木工程技术得到飞速的发展，被称为土木工程的第一次飞跃），营建了规模宏大的阿房宫、未央宫。在地下墓室的修建中砖砌拱券的技术已很成熟，还建造了世界奇迹的军事防卫工程——长城。隋唐之际，开大运河、建赵州桥，也都位于当时世界土木工程技术的前列。建于辽代的佛宫寺释迦塔（应县木塔），标志着中国古代木结构技术达到出神入化的水平。正是在这些技术成就所提供的经验知识的基础上，北宋出现了总结性的著作《营造法式》。在世界，埃及人于公元前27～前26世纪创建了世界上最大的帝王陵墓建筑群——吉萨金字塔，计算准确，施工精细，规模宏大。罗马人在公元前4世纪用拱券技术砌筑下水道、隧道、渡槽。公元前2世纪，用火山灰和石灰的混合物制成的天然混凝土得到广泛应用，有力地推动了古罗马的拱券结构的大发展。如万神庙的圆形正殿屋顶，直径43米，是古代最大的圆顶庙。古罗马的公共建筑类型多，结构设计、施工水平高，已初步建立了土木建筑科学理论，如维特鲁威著《建筑十书》奠定了欧洲土木建筑科学的体系。并对欧洲土木建筑的发展有深远影响。古罗马时期的建筑物虽经常采用拱形，但因为当时还没有对拱这种结构的力学分析，所以他们并不知道如何合理选择尺寸，古罗马建筑中的拱都是跨度较小的半圆拱，而且各部分的尺寸都比现代的拱笨重。 从17世纪中叶到20世纪中叶的300年间，土木工程得到迅猛发展，脱离了经验阶段，形成了学科的理论体系。伽利略和牛顿所阐述的力学原理是近代土木工程发展的起点。土木工程作为一门学科逐步建立起来，法国是它的前驱。1716年法国成立道桥部队，1720年成立交通工程队，1747年创立巴黎桥路学校，培养建造道路、河渠和桥梁的工程师。但这时的工程师却和古罗马时代人一样，继续地凭借经验和臆断来决定构件的尺寸。18世纪下半叶，规模宏大的产业革命，为土木工程提供了性能优良的建筑材料和施工机具。1856年贝塞麦转炉炼钢法发明后，钢材越来越多地应用于土木工程，使土木工程有了第二次飞跃。19世纪20年代波特兰水泥制成后，混凝土的出现给建筑物带来了新的经济、美观的工程结构形式，使土木工程产生了新的施工技术和工程结构设计理论，是土木工程的第三次飞跃。 第二次世界大战后的40多年间，现代科学技术突飞猛进，社会生产力出现了新的飞跃，土木工程进入一个新时代。前20多年土木工程的特点是进一步大规模工业化，后20多年的特点则是现代科学技术对土木工程的进一步渗透。规模极大的工程成为这一时期的代表 ，如西尔斯大厦 （高443米，1974年；美国）、多伦多电视塔（高553米，1975年；加拿大）、亨伯桥（跨度1410米的悬索桥，1980年；英国）、青函海底隧道（长85千米，1988年 ；日本）、杨浦大桥（跨度602米的斜拉桥，1993年；中国）。这些工程适应了社会经济发展的需求，其特征是工程功能化、城市立体化、交通高速化，在这些特征的影响下 ，构成土木工程3要素的材料、施工和设计理论也出现了新趋势 ：材料轻质高强化、施工过程工业化、理论研究精密化。