近日，抖音上一则“火车压桥抗洪”的短视频足足火了一把，其点击量超过140万。各大媒体在报道四川抗洪的同时，也为公众普及着“火车压桥”中的力学知识。其实，火车压桥中的知识，涉及混凝土材料、桥梁桥墩的连接以及力学等多方面。在此，我们通过材料力学的知识，可以很好地解释其来龙去脉。

图1 火爆抖音的火车压桥抗洪视频截图

“火车压桥抗洪”始末

7月10日，四川省气象台的数据显示全省11个气象监测站降雨量累计超过250毫米，其中，绵阳就占了6个，绵阳江油武都东坪村的降雨量更是达到343.8毫米，此次洪水预计将是绵阳建国以来遇到的最大一次洪水。

7月11日，持续暴雨导致涪江绵阳段水位暴涨，达到宝成铁路涪江铁路桥封锁警戒线。于是中国铁路成都局集团有限公司应急指挥中心临时调度两车共8000吨道砟，以增加大桥自重对抗洪水对大桥桥墩、桥桩的冲击力。

为什么要使用“重载列车镇桥”，在接受采访时，绵阳工务段副段长张明表示，因为宝成铁路涪江大桥是钢梁大桥，自身重量不大。如果洪水继续上涨超过大桥主体钢梁，大桥可能被洪水冲走。

（以上内容摘自搜狐新闻）

从材料的力学性能说起

图2 低碳钢单向拉伸应力应变曲线图

为了全面了解相关的力学知识，得从材料的力学性能说起。图2为低碳钢单向拉伸应力应变曲线，该图线为各大高效工程类学生都或多或少接触过的经典材料力学图。借助该图，我们能说理清一些曾经似懂非懂的概念。

强度：构件在外力作用下抵抗破坏的能力，与之相关的有抗拉强度、抗剪强度等各种概念。例如，在图2中，低碳钢材料在应力到达e点之后，将出现“颈缩”现象，此时，e点所对应的应力值，称之为该种材料的抗拉强度。

弹性极限和屈服极限：oa段，应力应变呈线性关系，a点对应的应力值称为弹性极限；b点开始发生材料的屈服现象，即应变增加而应力大小变化不大，以屈服应力的下屈服点对应的应力值作为屈服极限。

弹性变形和塑性变形：材料在变形的初期，应力与应变之间呈线性关系，此时，当外力撤出后，材料能够恢复之前的状态，于是我们称材料发生的变形为弹性变形。对应图2曲线中的oa段。但是随着应力的增大，之后发生的变形均为塑性变形，即不可逆变形。

对于类似低碳钢的材料，在外力作用下，有明显塑性变形阶段，称为塑性材料。塑性材料的破坏形式为韧性断裂，在断裂破坏前的塑性变形可以使其在复杂应力状态下具有优良的综合力学性能。

图3 铸铁单向拉伸应力应变曲线图

图3为铸铁单向拉伸时应力应变曲线，该曲线表明，随着变形程度的增加，材料内质点的应力值显著增大，但仅有弹性变形阶段，弹性变形结束后便进入破坏阶段，没有明显的塑性变形。

对于类似铸铁的材料，在外力作用下，没有明显塑性变形阶段，称为脆性材料。脆性材料的破坏形式为脆性断裂，其断裂破坏具有突然性，因此在工程应用中，往往作为特殊用途的结构件。

生活中，大多数的材料均为脆性材料，脆性材料和塑性材料没有绝对的优劣之分。脆性材料抗压强度远高于其抗拉强度，因此可以作为承压结构件，如建筑物的基础、机器的底座；塑性材料虽然抗拉压的性能均较为优异，但是其价格高，铸造性能也较差。可以说，两类材料各有所长。

混凝土的性能

具备了对于材料力学性能的基本认识，面对屈服、塑性变形、强度这些名词不再陌生的基础上，我们再重新认识混凝土。

混凝土、砖、石这些建筑材料都属于脆性材料，混凝土没有屈服点，也没有屈服强度，只有抗压强度、抗弯强度和抗拉强度的标准。混凝土给我们所谓的“坚硬”印象，仅在其作为抗压材料才能大展身手。

同样地，如前所述，混凝土作为脆性材料，其抗拉强度不够高，那怎么办呢？1867年，法国人蒙尼亚发明“竹筋水泥”，最初是使用抗拉强度不错的竹子作为“竹钢筋”加入混凝土中，以增强其抗拉强度。竹子作为建筑材料，发挥了其韧性好、质量轻、易于运输的特点。图4为广州市培正中学内，始建于1917年的王广昌寄宿舍，为大银行家王国璇捐赠，采用竹筋水泥建筑，历经百年而不倒。

图4 广州市培正中学内的“竹筋水泥”房，始建于1917年

此后随着钢铁行业的发展，才开始使用具有更强力学性能的钢筋。钢筋混凝土的结构保证了耐压的同时，建筑物的抗拉性能也得到保证。

钢结构的使用保证建筑在外力作用下保持完整性的能力，并且钢结构材料良好的塑性韧性使得建筑在地震等自然灾害中屹立不倒。聪明的你又会觉得那盖房子、建大桥岂不是全用钢结构，那样抗拉抗压强度不都很优秀嘛？成本问题当然是首要的。但钢结构仍有不少隐患。例如911中，钢结构世贸双子星在熊熊烈火中，快速地坍塌，这充分说明高温下钢材料的强度隐患。

因此，基于成本以及其它诸多方面因素，目前主流的民用桥梁仍然使用混凝土作为主要的建筑材料。

积木般搭起的桥梁

混凝土的低廉价格以及抗压、耐热等特性决定了其在无机非金属材料界重要地位。但是作为脆性材料，其塑性、韧性的劣势困扰着桥梁工程的前辈们。为了使得桥梁能够在复杂的应力状态下仍能牢固，工程师们将桥墩建得足够粗，以保证桥梁最为主要的承压功能。其次，桥梁的端面面积足够大，以保证桥梁具有足够的抗弯能力。但是，当面对复杂的受力状态，桥梁的力学性能再次受到考验。

于是，就像搭积木一样，将桥梁与桥墩分离，中间以支座“软连接”之后，便能将桥梁上部结构的复杂的反力以及变形（位移和转角）非常稳定的传递给桥梁下部结构，从而保证了桥梁结构的实际受力情况与计算的理论图式相符合。

图5 桥墩和桥梁的“软连接”

不得不压的桥梁

图6 火车压桥抗洪示意图

在桥梁正常使用过程中，主要承受的是来自桥面的压力，基本不存在着从下而上的托举力或者侧面的推力，因此能够稳固在桥墩上。但是，洪水来了之后就完全不一样了，随着水位上涨，桥面的底面和侧面都会受到洪水的冲击，洪水中夹杂的树木、泥沙等以较大的速度冲击桥面，桥梁会产生一系列失稳、疲劳的失效现象，这就好像死死抓住了桥面的“软肋”。如图6所示，此时的洪水，就可以像一个大力士将整个桥面托举起来。当重载的火车开上桥梁，使得桥梁与桥墩之间的连接充分稳固，有效地规避了洪水掀起桥梁的风险。

作者：火宣