魏鹳举

（青海大学水利电力学院，青海 西宁，810016）

摘要：通过分析力学模型，并对水利工程设计施工中如何选择建筑材料进行分析说明，提出提高水利工程安全性与耐久性的方法；运用所学的材料力学知识对相关示例进行分析，说明材料力学在水利工程中的重要性。

关键词：材料力学，应力，建筑材料选取，水利水电工程

 

水利工程是国家经济建设与民生发展的支柱，水工建筑物的安全性与稳定性更是大家关注的问题，其强度是否合格，安全性是否有保障，如何选取更好的材料进行建设，等等，这些都是必须解决的问题。材料力学中的相关知识与理论则为解决这些问题提供了很好的工具与方法，尤其是在建筑材料的选择以及水工建筑物的应力分析方面有着突出的应用。

 

1 混凝土的变形

混凝土是现代水利工程上应用最广、用量极大的建筑材料，其具有较高的强度及耐久性，但也存在抗拉强度低，在温度、湿度变化的影响下，容易产生裂缝等缺点；因此，研究混凝土的变形条件对保证水利工程的安全性具有重要的意义。混凝土内一点的总应变包含两个部分：一部分是外力和内部约束力引起的应变，称为应力应变；另一部分是自由体积变形引起的应变，称非应力应变或自由体积变形。自由体积变形是不受外力作用的混凝土，其体积是由于温度和湿度的变化以及水泥的水化作用不断变化而产生的变形，它包括混凝土自生体积变形、混凝土干缩变形及混凝土自由温度变形。

1.1 混凝土自生体积变形

在恒温、绝湿条件下，由胶凝材料的水化作用所引起的混凝土的体积变形称为自生体积变形。它主要取决于水泥品种、水泥用量及掺用混合材料的种类。膨胀性自生体积变形对混凝土结构在降温过程中的拉应力能产生一定的补偿作用。由于自生体积变形在宏观上是均匀的，所以对于由内外温差引起的温度应力是没有补偿作用的，只对由外部约束作用而产生的温度应力具有一定的补偿作用。

1.2 混凝土的干湿变形

混凝土失去水分时会产生收缩，而吸入水分时又产生膨胀。这种由湿度变化而引起的体积变形就是干湿变形。混凝土内部的温度状态取决于它的导湿性能和环境温度。

1.3 混凝土的自由温度变形

在无约束条件下，单纯由温度变化引起的变形称为自由温度变形，其值如下:

 （1）

其中α为热膨胀系数。由于膨胀系数是直接影响温度应力数值的，因此对于混凝土温度应力而言，它是一个重要的参数。

1.4 混凝土的弹性变形和徐变

    理想弹性体在单向受力条件下，其应力和应变之间服从虎克定律：

 ┅┅ （2）

 

式中E为弹性模量。按照上式，当应力保持不变时，应变也保持不变，但实际情况并非如此。试验资料表明，当应力保持不变时，混凝土的应变将随着时间而有所增加，这种现象称为混凝土的徐变。

 

2 混凝土实际应力的计算

    理论分析中混凝土符合材料力学的基本假设及基本原理。

    在混凝土内的任意一点，取一个微小的单元体，它的六个面垂直于坐标轴，作用力通过单元的六个面进行传递，如图1所示：

 

图1   应力状态图

 

对于如图1的应力状态，可求得任一斜截面上的应力和剪应力，θ规定从x轴到外法线n逆时针转向的方位角θ为正，如图2所示：

 

图2  平面应力状态图

   

3  建筑材料的选取与设计

    水工建筑物中不同的部位会选取不同的构件进行设计，以提高建筑物的强度和稳定性，不同的材料和构件具有不同的强度，在施工选择时应引起注意。

3.1 预应力混凝土

    预应力混凝土结构，是在结构承受荷载之前，预先对其施加压力，使其在外荷载作用时的受拉区混凝土内产生压应力，用以抵消或减小外荷载产生的拉应力，使结构在正常使用的情况下不产生裂缝或者裂得比较晚。

 

图3  预应力混凝土结构示意图

 

3.2 建筑构件的构造设计 

    材料力学以固体为研究对象，主要研究构件在拉压、剪切、扭转、弯曲基本外力作用下材料的力学性能。不同的固体材料在拉压、剪切、扭转、弯曲作用下，均呈现出不同的力学性能。根据不同的力学性能去选择适宜的构件材料，对主体承重材料的选择尤其重要。

3.2.1  构件材料的选择

    选择承受拉压力的构件材料，特别要考虑构件内部因拉压引起的反向应力，钢材由于其抗拉压的能力接近，是较理想的现代建筑材料；而砖石的抗拉能力远小于抗压能力，因此长期以来人们将砖石作为基础或墙体材料；混凝土则属脆性材料，只能抗压，加入钢筋成为钢筋混凝土，才被广泛地用于现代建筑；木材也是传统的建筑材料，由于其纤维沿树木纵向平行排列，所以有较好的抗拉压性能，中国几千年都将其作为房屋的梁柱构架。综上可见，各种单一的材料均呈现出抗拉压的优缺点，现代建筑材料的开发就是将不同性能的材料复合作用在一起，使复合材料既有较好的力学性能，又具有较好的物理、化学性能，这是“复合材料力学”研究的任务。

    构件在弯曲变形的同时出现拉压应力，因此对于弯曲构件的材料选择，必须同时考虑材料的抗拉压性能。

    构件在受到剪切和扭转变形时，虽然都在构件的横截面上产生剪应力，但两者剪应力的产生及分布情况是大不相同的。在剪力作用处，构件的断面不仅要发生相对的错动，而且构件表现的局部还会受到挤压力的作用，断面上的剪应力和拉压应力对于这些工作时的建筑构件都会产生较大的扭转变形，从而导致构件强度与刚度的减弱。因此在建筑设计时，尽可能避免或减少扭转变形的出现。

    建筑构件的设计，根据构件的受力情况进行适宜的材料选择，不仅能充分发挥材料的力学性能，而且经济、合理。

3.2.2 构件形状的设计

    建筑物因自重、温度风力、雨雪、地震等自然因素的影响，其组成的构件均会产生不同程度的受力变形，变形过大将导致建筑物失效，控制建筑物的变形就是控制建筑构件的变形。理论上讲，构件的尺寸越大构件的刚度也越大，也越不易变形，但过大的构件尺寸是不经济的，同时也影响建筑的形体、空间。材料力学的任务就是要“以最经济的代价，为构件确定合理的形状和尺寸”。构件在拉压、剪切、扭转、弯曲外力的作用下，产生内部的正应力和剪应力，材料力学的应力计算均涉及到构件截面尺寸的参数，因此，应合理选取截面形状，尽可能增大横截面的弯曲截面系数W与其面积A之比值，使横截面面积分布在距中性轴较远的地方；选用较大Wz的材料，以提高构件的强度与刚度，增加耐用性。

4  结束语

     水利水电工程项目有其特殊性与重要性，事关国计民生，水利水电工程利国利民，因此，水利工程的安全性更应引起重视。随着科学技术的发展以及力学领域研究的不断深入，未来将会建设出更加安全、可靠、高性能的水利工程，加速经济发展。

参考文献：

[1]张晔.混凝土坝应力应变观测资料分析及软件研制[D].浙江:浙江大学，2010

[2]李军.材料力学法及ANSYS有限元法在金鼎寺水库重力坝应力分析中的应用[J].能源水利，2014（9）:116-117.

[3]林峰.建筑构件的构造设计-根据材料力学原理分析建筑构件的构造设计[J].华中建筑，2003，21（5）:67-68.

[4]杨强，吴浩，周维恒.大坝有限元分析应力取值的研究[J].工程力学，2006，23（1）:69-73.

[5]林皋，陈健云.混凝土大坝的抗震安全评价[J].水利学报，2001（2）:8-15.

[6]张楚汉.水电站工程中的关键科学问题[J].三峡大学学报，2004，26 （3）:193-197.

[7]龙文.黑河土石坝应力变形特性研究[D].西安：西安理工大学，2003.

[8]李亚杰，方坤河.建筑材料.北京：中国水利水电出版社，2009.

[9]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学.北京：高等教育出版社，2009.