淺析力學在建筑工程中的有效應用

劉昶

摘要：隨著人類社會的進步和發(fā)展，人類逐漸從建筑建構和實踐中總結經驗，發(fā)展成現代的力學理論與方法。這些理論和方法幾乎被應用到了所用領域。建筑的發(fā)展和力學是不可分的，可以說沒有可靠的力學與結構分析就沒有安全而又實用的優(yōu)秀建筑。尤其是對于現代建筑的意義更為重要，每一座好的建筑建造前都要通過很多次的實驗驗證。

關鍵詞：力學 土建工程 建筑力

1 力的概念

“力”作為物理學中一個十分重要的基本概念，是指物體之間的相互作用。當一個物體受到其他物體的作用后，物體獲得速度或者發(fā)生的變形我們都稱之為“力”。在力學的范圍內，我們將物體形狀以及體積的變化稱之為形變，而將物體的速度變化（包括速度大小以及方向的改變，即產生加速度）稱之為運動狀態(tài)的變化。力作為物體或物質之間的相互作用，當一個物體受到力的作用后，一定存在另一個對其施加這種作用的物體，我們將前者稱之為受力物體，而后者則成為施力物體。只要存在力的作用，就一定存在受力物體和施力物體，并且施力物體也是受力物體，而受力物體也是施力物體。力是看不見摸不著的，是由人們在長期的生活實踐中逐步建立起來的。

2 建筑力學的任務

建筑力學的任務就是：使所設計的建筑必須是一個結構，且其結構構件（主要是桿件）要既安全可靠（即滿足剛度、強度、穩(wěn)定性的要求）又盡可能地節(jié)約使用原材料，以達到最大經濟。

3 建筑力學的研究對象

建筑力學的研究對象為建筑（工程）結構和構件。結構：建筑物中承擔荷載的體系（承重骨架）。如：梁柱體系、板殼體系、網架體系、水塔、橋梁、土壩、擋土墻等。構件：組成結構的各單獨部分。如：基礎、柱、梁、屋面板等。

4 建筑力學在建筑設計中的作用

建筑師要設計出適用、經濟、美觀的建筑物，必須具備美學、藝術、生成等各方面的理論知識。其中包括建筑力學和結構方面的知識，以便在建筑設計工作中能夠選擇合理的結構形式。在安全和經濟的前提下，實現自己的建筑構思，體現力與美的完美結合。

建筑師要在各專業(yè)工程師之間做好協(xié)調工作，在初步設計階段作出選用何種承重結構的決定，向結構工程師提出合理的結構要求，在整個設計過程中與結構工程師共同研究和解決建筑和結構之間可能出現的矛盾。

例如：要建造一棟展覽館。當場地、層高、跨度等確定后，屋架選用什么形式、哪些位置放置梁等問題，都要用到結構的知識，而結構受力知識的基礎是力學。

5 建筑力學的發(fā)展過程及應用實例

一切研究對象受力和受力效應的規(guī)律和應用的學科總稱就是力學。所謂的七大自然科學是指力學、數學、天文學、物理學、化學以及地理學和生物學。

力學最早是起源于觀察自然現象以及在生產勞動中的經驗。從新時期時代開始改善巢居穴的條件開始，一直到17世紀中葉前是土木工程從萌芽到發(fā)達的時期，這個時期奠定了靜力學也就是平衡理論的基礎。古希臘的阿基米德系統(tǒng)研究了杠桿平衡、水中物體重心位置受到的浮力等，并且對他們的基本規(guī)律進行了進一步的確定。隨著古代文明的發(fā)展和社會進步不斷的創(chuàng)造的無數偉大的工程建設，已經成為燦爛古代文化的重要組成部分。

土木工程從17世紀中葉一直到20世紀的三百年間得到了迅速的發(fā)展，不僅脫離了經驗階段，同時還形成了學科的理論體系。在建筑以及灌溉的勞動過程中，人們通過使用杠桿、斜面以及汲水等器具逐漸積累了對物體平衡受力的認識，而伽利略和牛頓所闡述的力學原理是近代土木工程發(fā)展的起點。土木工程作為一門學科，也是逐步建立起來的，而其前驅是法國。為了培養(yǎng)建造道路、河渠以及橋梁的工程師，法國于1716年成立了道橋部隊，1720年成立了交通工程隊，并且在1747年創(chuàng)立了巴黎橋路學校。但是當時的工程師與古羅馬時代的人們一樣，對于構件的尺寸僅憑借經驗和臆斷進行決定。

1856年，發(fā)明貝塞麥轉爐煉鋼法后，土木工程中越來越多的應用到鋼材，這也成為土木工程的第二次飛躍。18世紀下半葉發(fā)生的規(guī)模宏大的產業(yè)革命，為土木工程提供了性能優(yōu)良的建筑材料以及施工機具。隨著波特蘭水泥的制成，形成美觀的工程結構以及混凝土給建筑物帶來的新的經濟，19世紀20年代土木工程迎來了第三次飛躍，這時的土木工程產生了新的施工技術以及工程結構的設計理論。

第二次世界大戰(zhàn)后的40多年間，隨著社會生產力的飛躍發(fā)展以及出現突飛猛進的科學技術，土木工程也進入了一個嶄新的時代。土木工程前20多年的最大特點就是進一步擴大工業(yè)化規(guī)模，而后20多年則是對土木工程進一步滲透現代科學技術。規(guī)模極大的工程成為這一時期的代表，如1974年美國建筑的西爾斯大廈（高443米）、1975年加拿大建筑的多倫多電視塔（高553米）、1980年英國建筑的亨伯橋（跨度1410米的懸索橋，）、1988年日本青建造的函海底隧道（長53.85千米）、1993年中國建造的楊浦大橋（跨度602米的斜拉橋，）。這些工程其特征是工程功能化、城市立體化、交通高速化，適應了社會經濟發(fā)展的需求，在這些特征的影響下，構成土木工程的材料、施工和設計理論3要素也出現了新趨勢，理論研究精密化、材料輕質高強、施工過程工業(yè)化。

6 結束語

土建工程力學應用是一門研究物體平衡規(guī)律以及構件及結構的強度、剛度和穩(wěn)定性的科學，它涵蓋了剛體靜力學、材料力學和結構力學的主要內容，土建工程力學應用所研究的問題主要有三類：第一類研究物體的平衡規(guī)律：第二類是研究力使物體變形的規(guī)律，即研究作用在物體上的力與變形之間的關系；第三類是研究結構的承載能力問題。建造建筑物前，依據學到的分析及計算方法對建筑構件進行受力分析從而確定構件具體尺寸大小、材料及排列，計算后制作的構件能滿足，能安全正常使用，不易破壞及產生過大形變，節(jié)約材料成本，降低工程造價（經濟）。

總結：建筑的發(fā)展和力學是不可分的，可以說沒有可靠的力學與結構分析就沒有安全而又實用的優(yōu)秀建筑。尤其是對于現代建筑的意義更為重要，每一座好的建筑建造前都要通過很多次的實驗驗證。如何用最少的材料建造最安全適用的房屋是有一套過程的，通過對建筑模型的力學分析，如它的抗彎能力，彈性性能等。尤其在一些大型橋梁建筑中使用的鋼筋結構和拉桿等，在長期的負荷作用下如何保持結構的受力均衡和穩(wěn)定，在做工程建造前必須有著嚴密的計算分析及準備方案。例如，在建設青藏鐵路時，為了保證鐵路地基的長年冷凍狀態(tài)，在鐵路兩旁的地基中插入了數千根散熱棒，否則地基會由于長期的工作解凍，坍塌裂縫，造成鐵軌受力不均，造成不可預計的損失，這些都是要在實際工程中考慮和解決的問題，只有正確地利用力學才能把一座座優(yōu)美堅固的建筑呈現在大地上。

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