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(xué)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(xué)等多方面。在此，我們通過材料力學(xué)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(shù)據(jù)顯示全省11個氣象監(jiān)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(dá)到343.8毫米，此次洪水預(yù)計將是綿陽建國以來遇到的最大一次洪水。

7月11日，持續(xù)暴雨導(dǎo)致涪江綿陽段水位暴漲，達(dá)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(tuán)有限公司應(yīng)急指揮中心臨時調(diào)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(zhèn)橋”，在接受采訪時，綿陽工務(wù)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(xù)上漲超過大橋主體鋼梁，大橋可能被洪水沖走。

（以上內(nèi)容摘自搜狐新聞）

從材料的力學(xué)性能說起

圖2 低碳鋼單向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

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

強(qiáng)度：構(gòu)件在外力作用下抵抗破壞的能力，與之相關(guān)的有抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等各種概念。例如，在圖2中，低碳鋼材料在應(yīng)力到達(dá)e點之后，將出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象，此時，e點所對應(yīng)的應(yīng)力值，稱之為該種材料的抗拉強(qiáng)度。

彈性極限和屈服極限：oa段，應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系，a點對應(yīng)的應(yīng)力值稱為彈性極限；b點開始發(fā)生材料的屈服現(xiàn)象，即應(yīng)變增加而應(yīng)力大小變化不大，以屈服應(yīng)力的下屈服點對應(yīng)的應(yīng)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(yīng)力與應(yīng)變之間呈線性關(guān)系，此時，當(dāng)外力撤出后，材料能夠恢復(fù)之前的狀態(tài)，于是我們稱材料發(fā)生的變形為彈性變形。對應(yīng)圖2曲線中的oa段。但是隨著應(yīng)力的增大，之后發(fā)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(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

圖3 鑄鐵單向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

圖3為鑄鐵單向拉伸時應(yīng)力應(yīng)變曲線，該曲線表明，隨著變形程度的增加，材料內(nèi)質(zhì)點的應(yīng)力值顯著增大，但僅有彈性變形階段，彈性變形結(jié)束后便進(jìn)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(yīng)用中，往往作為特殊用途的結(jié)構(gòu)件。

生活中，大多數(shù)的材料均為脆性材料，脆性材料和塑性材料沒有絕對的優(yōu)劣之分。脆性材料抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其抗拉強(qiáng)度，因此可以作為承壓結(jié)構(gòu)件，如建筑物的基礎(chǔ)、機(jī)器的底座；塑性材料雖然抗拉壓的性能均較為優(yōu)異，但是其價格高，鑄造性能也較差。可以說，兩類材料各有所長。

混凝土的性能

具備了對于材料力學(xué)性能的基本認(rèn)識，面對屈服、塑性變形、強(qiáng)度這些名詞不再陌生的基礎(chǔ)上，我們再重新認(rèn)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(qiáng)度，只有抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。混凝土給我們所謂的“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(qiáng)度不夠高，那怎么辦呢？1867年，法國人蒙尼亞發(fā)明“竹筋水泥”，最初是使用抗拉強(qiáng)度不錯的竹子作為“竹鋼筋”加入混凝土中，以增強(qiáng)其抗拉強(qiáng)度。竹子作為建筑材料，發(fā)揮了其韌性好、質(zhì)量輕、易于運(yùn)輸?shù)奶攸c。圖4為廣州市培正中學(xué)內(nèi)，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(jīng)百年而不倒。

圖4 廣州市培正中學(xué)內(nèi)的“竹筋水泥”房，始建于1917年

此后隨著鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，才開始使用具有更強(qiáng)力學(xué)性能的鋼筋。鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)保證了耐壓的同時，建筑物的抗拉性能也得到保證。

鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料良好的塑性韌性使得建筑在地震等自然災(zāi)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(jié)構(gòu)，那樣抗拉抗壓強(qiáng)度不都很優(yōu)秀嘛？成本問題當(dāng)然是首要的。但鋼結(jié)構(gòu)仍有不少隱患。例如911中，鋼結(jié)構(gòu)世貿(mào)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(qiáng)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(jī)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(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)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(dāng)面對復(fù)雜的受力狀態(tài)，橋梁的力學(xué)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜的反力以及變形（位移和轉(zhuǎn)角）非常穩(wěn)定的傳遞給橋梁下部結(jié)構(gòu)，從而保證了橋梁結(jié)構(gòu)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(cè)面的推力，因此能夠穩(wěn)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(cè)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(chǎn)生一系列失穩(wěn)、疲勞的失效現(xiàn)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(dāng)重載的火車開上橋梁，使得橋梁與橋墩之間的連接充分穩(wěn)固，有效地規(guī)避了洪水掀起橋梁的風(fēng)險。

作者：火宣