近日，抖音上一則“火車壓橋抗洪”的短視頻足足火了一把，其點擊量超過140萬。各大媒體在報道四川抗洪的同時，也為公眾普及著“火車壓橋”中的力學知識。其實，火車壓橋中的知識，涉及混凝土材料、橋梁橋墩的連接以及力學等多方面。在此，我們通過材料力學的知識，可以很好地解釋其來龍去脈。

圖1 火爆抖音的火車壓橋抗洪視頻截圖

“火車壓橋抗洪”始末

7月10日，四川省氣象臺的數據顯示全省11個氣象監測站降雨量累計超過250毫米，其中，綿陽就占了6個，綿陽江油武都東坪村的降雨量更是達到343.8毫米，此次洪水預計將是綿陽建國以來遇到的最大一次洪水。

7月11日，持續暴雨導致涪江綿陽段水位暴漲，達到寶成鐵路涪江鐵路橋封鎖警戒線。于是中國鐵路成都局集團有限公司應急指揮中心臨時調度兩車共8000噸道砟，以增加大橋自重對抗洪水對大橋橋墩、橋樁的沖擊力。

為什么要使用“重載列車鎮橋”，在接受采訪時，綿陽工務段副段長張明表示，因為寶成鐵路涪江大橋是鋼梁大橋，自身重量不大。如果洪水繼續上漲超過大橋主體鋼梁，大橋可能被洪水沖走。

（以上內容摘自搜狐新聞）

從材料的力學性能說起

圖2 低碳鋼單向拉伸應力應變曲線圖

為了全面了解相關的力學知識，得從材料的力學性能說起。圖2為低碳鋼單向拉伸應力應變曲線，該圖線為各大高效工程類學生都或多或少接觸過的經典材料力學圖。借助該圖，我們能說理清一些曾經似懂非懂的概念。

強度：構件在外力作用下抵抗破壞的能力，與之相關的有抗拉強度、抗剪強度等各種概念。例如，在圖2中，低碳鋼材料在應力到達e點之后，將出現“頸縮”現象，此時，e點所對應的應力值，稱之為該種材料的抗拉強度。

彈性極限和屈服極限：oa段，應力應變呈線性關系，a點對應的應力值稱為彈性極限；b點開始發生材料的屈服現象，即應變增加而應力大小變化不大，以屈服應力的下屈服點對應的應力值作為屈服極限。

彈性變形和塑性變形：材料在變形的初期，應力與應變之間呈線性關系，此時，當外力撤出后，材料能夠恢復之前的狀態，于是我們稱材料發生的變形為彈性變形。對應圖2曲線中的oa段。但是隨著應力的增大，之后發生的變形均為塑性變形，即不可逆變形。

對于類似低碳鋼的材料，在外力作用下，有明顯塑性變形階段，稱為塑性材料。塑性材料的破壞形式為韌性斷裂，在斷裂破壞前的塑性變形可以使其在復雜應力狀態下具有優良的綜合力學性能。

圖3 鑄鐵單向拉伸應力應變曲線圖

圖3為鑄鐵單向拉伸時應力應變曲線，該曲線表明，隨著變形程度的增加，材料內質點的應力值顯著增大，但僅有彈性變形階段，彈性變形結束后便進入破壞階段，沒有明顯的塑性變形。

對于類似鑄鐵的材料，在外力作用下，沒有明顯塑性變形階段，稱為脆性材料。脆性材料的破壞形式為脆性斷裂，其斷裂破壞具有突然性，因此在工程應用中，往往作為特殊用途的結構件。

生活中，大多數的材料均為脆性材料，脆性材料和塑性材料沒有絕對的優劣之分。脆性材料抗壓強度遠高于其抗拉強度，因此可以作為承壓結構件，如建筑物的基礎、機器的底座；塑性材料雖然抗拉壓的性能均較為優異，但是其價格高，鑄造性能也較差?？梢哉f，兩類材料各有所長。

混凝土的性能

具備了對于材料力學性能的基本認識，面對屈服、塑性變形、強度這些名詞不再陌生的基礎上，我們再重新認識混凝土。

混凝土、磚、石這些建筑材料都屬于脆性材料，混凝土沒有屈服點，也沒有屈服強度，只有抗壓強度、抗彎強度和抗拉強度的標準?；炷两o我們所謂的“堅硬”印象，僅在其作為抗壓材料才能大展身手。

同樣地，如前所述，混凝土作為脆性材料，其抗拉強度不夠高，那怎么辦呢？1867年，法國人蒙尼亞發明“竹筋水泥”，最初是使用抗拉強度不錯的竹子作為“竹鋼筋”加入混凝土中，以增強其抗拉強度。竹子作為建筑材料，發揮了其韌性好、質量輕、易于運輸的特點。圖4為廣州市培正中學內，始建于1917年的王廣昌寄宿舍，為大銀行家王國璇捐贈，采用竹筋水泥建筑，歷經百年而不倒。

圖4 廣州市培正中學內的“竹筋水泥”房，始建于1917年

此后隨著鋼鐵行業的發展，才開始使用具有更強力學性能的鋼筋。鋼筋混凝土的結構保證了耐壓的同時，建筑物的抗拉性能也得到保證。

鋼結構的使用保證建筑在外力作用下保持完整性的能力，并且鋼結構材料良好的塑性韌性使得建筑在地震等自然災害中屹立不倒。聰明的你又會覺得那蓋房子、建大橋豈不是全用鋼結構，那樣抗拉抗壓強度不都很優秀嘛？成本問題當然是首要的。但鋼結構仍有不少隱患。例如911中，鋼結構世貿雙子星在熊熊烈火中，快速地坍塌，這充分說明高溫下鋼材料的強度隱患。

因此，基于成本以及其它諸多方面因素，目前主流的民用橋梁仍然使用混凝土作為主要的建筑材料。

積木般搭起的橋梁

混凝土的低廉價格以及抗壓、耐熱等特性決定了其在無機非金屬材料界重要地位。但是作為脆性材料，其塑性、韌性的劣勢困擾著橋梁工程的前輩們。為了使得橋梁能夠在復雜的應力狀態下仍能牢固，工程師們將橋墩建得足夠粗，以保證橋梁最為主要的承壓功能。其次，橋梁的端面面積足夠大，以保證橋梁具有足夠的抗彎能力。但是，當面對復雜的受力狀態，橋梁的力學性能再次受到考驗。

于是，就像搭積木一樣，將橋梁與橋墩分離，中間以支座“軟連接”之后，便能將橋梁上部結構的復雜的反力以及變形（位移和轉角）非常穩定的傳遞給橋梁下部結構，從而保證了橋梁結構的實際受力情況與計算的理論圖式相符合。

圖5 橋墩和橋梁的“軟連接”

不得不壓的橋梁

圖6 火車壓橋抗洪示意圖

在橋梁正常使用過程中，主要承受的是來自橋面的壓力，基本不存在著從下而上的托舉力或者側面的推力，因此能夠穩固在橋墩上。但是，洪水來了之后就完全不一樣了，隨著水位上漲，橋面的底面和側面都會受到洪水的沖擊，洪水中夾雜的樹木、泥沙等以較大的速度沖擊橋面，橋梁會產生一系列失穩、疲勞的失效現象，這就好像死死抓住了橋面的“軟肋”。如圖6所示，此時的洪水，就可以像一個大力士將整個橋面托舉起來。當重載的火車開上橋梁，使得橋梁與橋墩之間的連接充分穩固，有效地規避了洪水掀起橋梁的風險。

作者：火宣