為什麼土木工程專業要學力學？

01-06

大學學的專業是土木工程。最近學習結構力學時發現有很多知識不能理解的。相對於力學，我個人更喜歡CAD和測量。我想求教知乎大神，學習力學的作用究竟是什麼？

力學是最古老的學科之一。「力學」一詞譯自英語mechanics(源於希臘語機械, 因為機械運動是由力引起的)。mechanics 在19 世紀50 年代作為研究力的作用的學科名詞傳入中國後沿用至今。力學是一門基礎科學, 它所闡明的規律帶有普遍的性質；力學又是一門技術科學, 它是許多工程技術的理論基礎，力學和工程學的結合促使工程力學各個分支的形成和發展。

而土木，是力學應用最早的工程領域之一。土木工程專業本科教學中涉及到的力學包括理論力學、材料力學、結構力學、彈性力學、土力學、岩石力學等幾大固體力學學科。

說這麼多概念，沒什麼意思對吧，我們先從一個生活中可能遇到的一個問題談起——十七拱橋是幾何不變的嗎？

去過北京頤和園的人，肯定都會對上圖中昆明湖上的十七孔橋印象深刻。那這樣的一個結構，是幾何不變體系嗎？單建老師循序漸進地對這個問題進行了闡釋。我們來看下面幾張圖：

圖（a）是常見的三鉸拱，眾所周知，它是幾何不變體系，且沒有多餘約束。

圖（b）是「兩跨五鉸拱」，學過結構力學的同學當然都知道，這是瞬變體系，即在很小的荷載下就有可能產生很大的內力，從而導致結構破壞。因此這樣的結構不能應用於實際工程之中。

圖（c）我們可以稱之為「三跨七鉸拱」，將中間兩個剛片和地基視為約束對象，鏈桿1和2、3和4分別相當於兩個虛鉸，這兩個虛鉸與實鉸F不共線，因此它是一個幾何不變且沒有多餘約束的結構。

那麼，這時候我們就會思考，對於以這樣的規律形成的，如下圖所示的有2n+1個鉸的n跨拱式體系是不是幾何不變體系呢？

當n&>3時，相應連拱體系的幾何組成無法用基本規則進行分析。但是，無論拱跨n為多少，體系的計算自由度都是0，因而可以用零載法判斷判斷其是否為幾何不變。這裡只放結論，具體分析過程參見單建老師編著的《趣味結構力學》。

當n為奇數時，體系是幾何不變的；當n為偶數時，體系則是幾何可變的。這說明

在結構體系的設計中，將某些特殊情況下的結論簡單地加以推廣可能是危險的。

——單建

那我們再從橋樑的發展史來看看力學的發展對於土木工程的推動吧。

不知道題主在經過跨江跨海大橋時候有沒有想過，為什麼這些橋樑可以有這麼大的跨度？

在18世紀以前，橋樑大多以石材、鐵、木材等為建築材料，其中以趙州橋為典型代表，體現了古代中國橋樑技術的偉大成就。趙州橋又稱安濟橋，坐落在河北省趙縣洨河上，橫跨在37米多寬的河面上，因橋體全部用石料建成，俗稱「大石橋」。建於隋朝年間公元595年至605年間，由李春設計建造，距今已有1400多年的歷史，是當今世界上現存最早、保存最完整的古代單孔敞肩石拱橋。

拱是推力結構，受載時拱圈內主要承受壓應力。趙州橋的構造表明，古代工匠已經掌握了拱的這兩個主要力學性質。而石材的抗壓性能很好，建造石拱橋，就可以充分利用材料的優點從而使橋樑實線較大的跨度。同時，力學分析表明，趙州橋自重作用下橋台的基底應力與地基承載力十分接近，可以推測，李春等人對地基的承載能力曾做過周密的調查並得出了正確的結論。可以說，沒有這些力學知識，就沒有巍然挺立至今的趙州橋。

18世紀以後，歐洲進入工業社會，開始進行大規模的鐵路橋樑建設，這是現代橋樑的開端。19世紀，波特蘭水泥、現代鋼材在歐洲出現，土木工程實現了質的飛躍，橋樑結構形式及規模有了突破，混凝土橋和鋼橋的發展獲得了空前的發展。英國福斯鐵路橋便是其典型之一。

福斯鐵路橋建於1890年，是跨越福斯灣海峽上的第一座橋樑，結構體系新穎，採用「紡錘型」桁架形式，施工歷時七年。鐵路橋由一條中平衡懸臂橋和兩條懸跨組成，懸臂樑屬於桁架鋼樑，再由厚鋼管連接而成的。1917年以前，它一直是世界上最長的鋼桁架橋。相比於先前經常出現的拱橋或是普通梁橋，鋼桁梁橋可以說是一種新型的結構形式，可以看作是將實腹的鋼板梁橋按照一定規則空腹化的結構形式，結構整體上為梁的受力方式，即主要承受彎矩和剪力的結構。儘管整體上看橋樑以受彎和受剪為主，但具體到每一根構件，則主要承受軸向力。與實腹梁相比，用稀疏的腹桿代替整體腹板，可以有效減輕結構自重。正是由於其優異的力學性能，鋼桁梁橋可以實現更大的跨越。

20 世紀初，預應力混凝土研製成功，開始了預應力混凝土橋樑結構的時代，結構開始向大跨度結構發展。30 年代起世界上掀起了建設大跨懸索橋的高峰，50 年代斜拉橋結構得以初現光芒。

懸索橋指的是以通過索塔懸掛並錨固於兩岸（或橋兩端）的纜索（或鋼鏈）作為上部結構主要承重構件的橋樑。其纜索幾何形狀由力的平衡條件決定，一般接近拋物線。從纜索垂下許多吊杆，把橋面吊住，在橋面和吊杆之間常設置加勁梁，同纜索形成組合體系，以減小活載所引起的撓度變形。懸索橋的構造方式是19世紀初被發明的，許多橋樑使用這種結構方式。現代懸索橋，是由索橋演變而來。適用範圍以大跨度及特大跨度公路橋為主，當今大跨度橋樑全採用此結構。是大跨徑橋樑的主要形式。懸索橋中最大的力是懸索中的張力和塔架中的壓力。由於塔架基本上不受側向的力，它的結構可以做得相當纖細，所以懸索橋通常可以實現千米以上的跨度。目前，世界上最長的弔橋是坐落在日本神戶市與淡路島之間的明石海峽大橋。全長3911米，主橋墩跨度1991米。

比起這個，題主或許對金門大橋更為熟悉。金門大橋位於美國加利福尼亞州舊金山長1900多米的金門海峽之上，歷時4年，利用10萬多噸鋼材，耗資達3550萬美元建成，由橋樑工程師約瑟夫·施特勞斯設計。

斜拉橋作為一種拉索體系，比梁式橋的跨越能力更大，是大跨度橋樑的最主要橋型。斜拉橋由許多直接連接到塔上的鋼纜吊起橋面，斜拉橋主要由索塔、主梁、斜拉索組成。由於斜拉橋屬於多次超靜定結構，設計計算相對複雜，手工計算幾乎不可能，所以其出現時間也比懸索橋晚了很多。但相比於懸索橋，斜拉橋也有其自身的優點：梁體尺寸較小，橋樑的跨越能力較大；受橋下凈空和橋面標高的限制少；抗風穩定性比懸索橋好等。斜拉橋的話，就舉蘇通大橋的例子好了。蘇通長江公路大橋簡稱蘇通大橋，位於江蘇省東南部，連接南通和蘇州兩市，西距江陰長江公路大橋82公里，東距長江入海口108公里。全長34.2公里，其主跨跨徑達到1088米，是世界位居第二大跨徑的斜拉橋。

不經意間寫了這麼多。

力學是一切土木結構的基礎。「一橋飛架南北，天塹變通途」，「高軒臨碧渚，飛檐迥架空」，這些，都是需要力學來實現的。

你更喜歡CAD和測量的原因，恐怕是因為它們相比力學更簡單吧

土木工程之中各種結構必然是要進行力學分析的，有力學支撐的結構才有安全感，不是么？不然天馬行空畫烏龜，那會粗大事情的！力學，是結構的核，CAD作為一個工具，只對結構的形起作用，不過也很重要。至於測量，喜歡就好，如果不想在一個月內變身成African的話，請慎重！

親，看到這個問題我略蒙逼啊

因為土木工程的主體就是結構設計啊，當然施工也算是。CAD就是個畫平面圖的軟體，它是為結構服務的，測量也是。

沒學結構前，以為房子就是磚碼起來的，學了結構你還會這麼想么

沒有結構，土木工程學就是搬磚學

壯哉我大土木

個人淺見

我學的是工程造價，但是我們也在學力學、測量、工程項目管理。怎麼說呢，大家都學得是土木專業，這些東西都是不分家的。我現在大二，雖然說的有些東西不正確，但是也發表一下自己的觀點。我雖然作為一名女生，但是一直喜歡數學方面的東西，對力學的興趣也特別的大。在大學剛開始的時候，自己也不明白為什麼要學力學，但是最近自己加入了一個結構設計的工作室，在裡面自己有很大的感觸。在工作室中，雖然自己負責的只有其中的一小部分，有些東西插件會幫你完成，但是我作為一個初學者，非常懵逼，在計算書上，我感覺有很多東西是學過的，比如說什麼力學，在那個時候才體會到自己學其他課程的作用。或許有很多東西，我們現在覺得沒有什麼用處，但是當真正工作的時候，會感受到真的很有用。

因為土木工程的一切基礎就是力學，我們的實際工程無非是分析在風力，重力，地震力等的作用下，鋼筋水泥磚頭內部的力的變化情況

都學到結構力學了，居然不知道為啥要學力學？你到底是不是土木的？

土木工程是學的施工啊。舉個簡單的例子，一個雨蓬板，土木人都知道它是上部受拉下部受壓，和梁是反過來的，如果你沒有力學常識，縱筋放到板的下部去了。那這可就成了素混凝土板，住著不害怕嗎。

其實工作以後用不著這麼多計算，結構力學有力學求解器，我覺得學力學是培養一個力學的基本素養，至於走設計的話，那更需要了啊。

CAD只是工具，不是技能。

測量...只學測量，一輩子做測量員嗎…

雖然我不喜歡力學，但是會好好學，畢竟考試還是要過的！嗯！

這問題問的估計能把你們院長氣死

你喜歡可以轉專業搞測量。

樓主你大幾？趕緊轉系……

土木工程是修建建築物的。

不學力學的人建出來的東西會塌。

因為跟土木工程有關的工作方向可以搞設計啊，不會力學怎麼算梁板柱的配筋。

你應該去學測量，，，

。。。天哪，從你的答案來看你應該已經畢業了吧。。。

我想問什麼工科專業可以不學力學。。。力學是和數學連一起的，是自然科學的基礎之基礎。。。

沒有力學，你怎麼畫圖啊？提這種問題，也是沒sei了