工程结构的主要功能是承载和传递载荷(载荷是指结构或部件产生内力和变形的外力和其他因素)。要传递负荷，首先要承受负荷。什么是负荷？工程有三个基本标准。这三个基本标准是强度、刚性和稳定性。什么是强度？强度是指材料和结构能承受多少负荷而不破坏。简单的例子，就是给一根杆件施加力，这个力大到一定程度就把它掰断了，这个杆件在外力作用下发生破坏时出现的最大应力，就是极限强度，也可称为破坏强度（有些材料在达到极限强度前还有个屈服强度，这里不细说）。什么是刚度？刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力。建筑结构在使用上有变形极限的要求，如果变形大，可能还没有被破坏，但实际上失去了其使用功能。然而，也有一种情况:结构可能没有被破坏或变形，但它已经失去了作为结构的功能，这就是结构的稳定性。什么是结构的稳定性？结构的稳定性是指结构在外载的作用下，能够保持本来的平衡状态的能力。如果结构在外载作用下无法保持原有的平衡，则称为不稳定。例如住宅建筑结构的压杆稳定问题等。水工建筑中经常遇到的是防滑稳定和防倾斜稳定问题。例如，重力水库的功能是挡水，材料被破坏或变形是强度和刚性的问题，但是内部的材料可能没有被破坏或变形，但是被水平力推动或者被垄断的话，就不能发挥挡水功能，也可能会造成很大的灾害。这就是重力坝的抗滑稳定和抗倾斜稳定。本文主要讨论的仅为水工建筑物的稳定计算问题。另外正如文章标题所示的，本文只是浅谈和科普性质，并未深入探讨。

二，水工建筑物抗滑，抗倾稳定问题概述

水工建筑物的抗滑稳定和抗倾稳定问题，比如重力坝的稳定，水闸闸室的稳定，泵站泵房的稳定，挡土墙的稳定等等，基本上都可以归结为一个简单的模型，如下图所示：

上图中，水平方向的合力ΣP，铅直方向的合力ΣW，顺时针方向的合力矩ΣM顺时针，逆时针方向的合力矩ΣM逆时针。规范给出的稳定安全系数计算公式为：抗滑稳定安全系数Kc=ΣW/ΣP，须大于规范要求的值。抗倾斜稳定安全系数K0=σMV/σMH，必须大于规范要求的值。以下是具体的说明。

三、防滑问题的力学说明

上述防滑稳定安全系数的计算公式为Kc=σW/膦P，即铅直方向的合力和水平方向的合力比例大于一定值，该值大于1.0，一些工程设计规范要求的值大于(设计都是保守的倾向这个公式是什么意思？其实可以归纳为初中物理简单的摩擦力问题。上述模型的简单图对结构物的力量分析实际上并不完整。摩擦力问题的计算简单图大致如下:

最简单的情况下，物体在铅直方向受到重力g和支持反力n，G=N。水平方向受推力F和接触面摩擦力F。当推力小时，静摩擦力f随着f的增大而增大，物体可以保持静止状态。但是，推力f超过最大静摩擦力时，物体会滑动。最大静摩擦力的计算公式是f=uN。f是最大静摩擦力，N是正压力，u是最大静摩擦因数。而N=G。如果G足够大，则最大静摩擦力f也将足够大，大到足以抵抗推力F。规范的公式σW/σP只是简化了这个原理(工程师喜欢简洁，一目了然，操作参数方便，科学理论要求逻辑推理的严密性)。事实上，上述公式严格称为抗剪强度公式(有些规范在前乘F，即抗剪摩擦系数)。此外，还有一种公式称为抗剪公式。事实上，分子增加了凝聚力(考虑到坝体混凝土与基岩接触良好)，f改为f，即抗剪摩擦系数。实际上，是为了更接近力学摩擦力的实际情况。四、抗倾斜问题的力学说明抗倾斜稳定安全系数的计算公式是K0=MV/σMH，是什么意思？MV是指对基底前趾的抗倾覆力矩，MH是指对基底前趾的倾覆力矩。简而言之，就是说抗倾覆力矩要大于倾覆力矩，才能保证结构物不被倾覆。图1中，结构物受到逆时针的合力矩(主要由下铅直力和左侧水平力提供)和顺时针的合力矩(主要由右侧水平力和上铅直力提供)的作用。在这个例子中，顺时针矩是霸权矩，逆时针矩是霸权矩。以结构物的前端为旋转轴心时，顺时针的合力矩大于逆时针的合力矩时，结构必须向前倾斜。因此，在这个例子中，逆时针的合力矩和顺时针的合力矩的比例大于规范允许的值(这个值大于1，情况更大)。在某些情况下，顺时针矩是抗倾覆矩，逆时针矩是倾覆矩，具体问题应具体分析。

五、进一步讨论

在工程设计中，当然不可能有这么简单的情况。但而，基本原理仍然是上述非常简单的模型。主要困难只是寻求各种水平力、铅直力、扭矩复杂。另外，就是要分各种工况，要使得结构在最不利的荷载组合的作用下也能保证安全。比如重力坝的稳定，在水平方向，主要是静水压力，动水压力，浪压力，泥沙压力等，基本都是指向下游，对结构抗滑不利的，其合力就相当于图1的ΣP。在铅直方向，竖直向下的，主要是重力，这对结构抗滑是有利的，重力坝只所以叫重力坝，原因也是因为主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求。另外，垂直上升的主要是提高压力，不利于结构的防滑。提升压力实际上是上浮力和渗透压力的合称。上浮力其实是由坝体下游水深产生的浮托力。单位长度的上浮力等于水的容重乘下游水深。渗透压力是在上，下游水位差作用下，水流通过基岩节理，裂隙而产生的向上的静水压力。单位长度的渗透压力，在上游端最大，等于水的容重乘以上，下游水头差，在下游端减小为0。自重力和压力的合力相当于图1的σw。闸门室的稳定性与泵站泵室的稳定性受力分析基本相似，但由于身体复杂，如自重，需要分为几个部分计算，如闸门底板的自重、排架自重、闸门自重、开关自重等。水重也是自重的一部分，应该把闸门划分为两部分，不同的情况需要分开计算。挡土墙的稳定比较简单，有几种类型，最简单的类型也是重力式挡土墙，自重抵抗滑动。横力主要是土压，纵力主要是重力。作用在挡土墙上的土压有三个特定值，即静止土压、主动土压和被动土压。墙壁绝对不动的情况下，墙后土体作用于墙背的土压称为静止土压。当墙壁向前移动(离开土壤)或旋转时，最后墙壁后的土壤达到主动极限平衡，土壤压力达到最小值，称为主动土壤压力。墙壁在外力的作用下，产生向后的位移和旋转，最后墙壁后面的土体达到被动极限平衡状态，土体压力达到最大值，称为被动土体压力。主动土压力小于静止土压力小于被动土压力。静止土压力比较简单，其强度分布为三角形，墙高为h的总土压力P0=1/2*γHK0，γ为土容量，K0为静止土压力系数。计算主动土压和被动土压比较复杂，使用土压的两种计算理论，一种是库伦理论，另一种是朗肯理论。具体公式见《土力学》教材。对于混凝土垂直墙背，库伦理论计算的主动土压力合理，经济，被动土压力误差大的朗肯理论的主动土压力比库伦理论计算的大，但适用于悬臂式、扶墙式或l形挡土墙。我们水工挡土墙，重力式挡土墙一般用库伦式计算主动土压，悬臂式，扶墙式挡土墙一般用朗肯式计算主动土压。

六、边坡稳定分析

这里一般指土质边坡。土坡中的一部分土体对另一部分土体产生相对位移，或沿着一个滑动面旋转下滑，以至丧失原有稳定性的现象，就是边坡失稳或滑坡。需要分为无粘土边坡和无粘土边坡两种类型进行稳定性分析。无粘性土边坡的稳定性分析，其物理原理实际上可以追溯到图2中的斜坡状况，实际上土力学也从斜坡上取小块土体进行研究，相当于斜坡上物体的摩擦力问题。在稳定状态下，阻止土块滑动的抗滑动力必须大于土块的滑动力，因此以抗滑动力和滑动力的比例作为评价土块的稳定安全度。该比值称为土坡稳定的安全系数Fs，Fs=抗滑力Tf/滑动力Ts，经推导可得出它等于tanφ/tanβ，β为坡角，φ为无粘性土的内摩擦角，因此对于均质无粘性土而言，如果坡角小于土的内摩擦角，无论坡的高度，坡材的重量如何，土坡总是稳定的。这就是为什么我们边坡的坡度比一定值慢。当然，上面是全干或全淹没的土坡的情况，如果有渗透作用的边坡，也要考虑渗透力的影响，最后推导的公式也和上面相似，但是如果有渗透作用的话，坡度必须放缓。粘性土边坡的稳定性分析，不能取小块土体进行研究。滑坡发生时，滑动面的形状与圆弧面相似。土力学有整体圆弧滑动法，假设滑动面以上的滑动土为刚性体，将滑动面以上的土为脱离体，分析其在各种力作用下的稳定性。此时，安全系数的表现也是比值，但不是滑动力和滑动力，而是滑动力和滑动力的比值。当然，也要确定最危险的滑弧。在比较简单的情况下，可以采用费伦纽斯的方法。外形复杂，特别是土坡由多层土构成时，滑动土体的重量及其重心位置复杂。此时使用条分法，与费伦纽斯、太沙基、毕肖普例如，费伦纽斯、太沙基、毕肖普最后得到安全系数，与规范的许可值进行比较，看到安全不安全。具体的导游公式在此不予说明，参考土力学，而且有些计算还不能用手计算解决，需要计算机编程。另外，上面第五节提到的重力水库的防滑稳定，实际上正确地说，应该是沿水库基面的防滑稳定，还应该分析深层防滑稳定。也就是说，水库基础内存在不利缓倾角的弱结构面时，水库体在水荷载的作用下，水库体有可能沿弱结构面同步滑动，即所谓的深层滑动。这个深层滑动的稳定计算就有点类似边坡稳定问题。总而言之，对于此类稳定问题，我们水工设计规范的基本思想都是用安全系数来表示，它等于结构物抵抗破坏稳定或者说保持自身稳定的能力（如抗滑力，抗滑力矩，抗倾覆力矩等）和结构物所受到的外力破坏其稳定状态的作用（如滑动力，滑动力矩，倾覆力矩等）的比值。而其追根溯源，可以归结为中学物理的简单计算模型。

相信经过以上的介绍，大家对水工建筑物的强度，刚度和稳定性怎么计算也是有了一定的认识。欢迎登陆建材板材网，查询更多相关信息。