建筑抗震中的物理應(yīng)用

張珺

【摘要】中國(guó)位于歐亞大陸的交界處，這條交界在造就舉世聞名的珠穆朗瑪峰的同時(shí)，也帶給了中國(guó)許多地震災(zāi)害。無(wú)論是唐山地震還是汶川地震，地震帶來(lái)的破壞是令人震撼的，也是令人悲痛的。其中，建筑的破壞最令人揪心，因?yàn)楝F(xiàn)代建筑的人口容納量遠(yuǎn)大于從前，建筑如何做到抗震設(shè)計(jì)是保護(hù)地震中人身安全的重要一環(huán)。本文就建筑抗震所用的物理環(huán)境和物理原理進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】建筑抗震；抗震節(jié)點(diǎn)；物理

1、建筑中的抗震節(jié)點(diǎn)

1.1抗震節(jié)點(diǎn)的作用

建筑抗震節(jié)點(diǎn)是建筑中受力構(gòu)件集中交匯的部位，它們承擔(dān)著建筑物在遭受物理沖擊的時(shí)候受到的主要力學(xué)沖突，調(diào)和建筑自身以及建筑與周邊的物理安全環(huán)境。當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，抗震節(jié)點(diǎn)發(fā)揮著保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)和形態(tài)的作用，達(dá)到小震不壞，中震可修，大震不倒的基本要求。

1.2節(jié)點(diǎn)的破壞類(lèi)型

建筑抗震節(jié)點(diǎn)有很多，但是由于某些部位抗震性能的不同而引起了節(jié)點(diǎn)耐久性的不同，這就使得我們可以很便捷的篩選出比較容易損壞的節(jié)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行修補(bǔ)和完善作業(yè)。節(jié)點(diǎn)主要的破壞類(lèi)型是錨固破壞、梁端破壞、核心區(qū)破壞、柱端破壞等。不同的破壞類(lèi)型代表著建筑物中不同的結(jié)構(gòu)位置，可以由此標(biāo)注出建筑物抗震性能以及抗震的薄弱點(diǎn)，然后再進(jìn)行后期的完善和補(bǔ)救措施。

2、建筑抗震的物理應(yīng)用

2.1古代木結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用

中國(guó)古代木結(jié)構(gòu)建筑就應(yīng)用的是材料力學(xué)抗震手段，木材本身就具有較好抗震性和耐用性。古代對(duì)于物理計(jì)算還不太發(fā)達(dá)，多是使用自然中物理性質(zhì)較好的材料直接使用，屬于材料力學(xué)的物理范疇。直接采用自然性材料的做法體現(xiàn)出的是較為明顯的地域特征的，這種使用手法也使得不同材料的物理特性得以展現(xiàn)，通過(guò)對(duì)不同物理特性材料的使用，來(lái)發(fā)揮它的物理性質(zhì)，同時(shí)也造成了由于自然材料的不同性而引起的建筑抗震性能的差異性。

2.2結(jié)構(gòu)力學(xué)的應(yīng)用

工業(yè)發(fā)展給這個(gè)世界帶來(lái)的是多種多樣的人工材料以及人定勝天的思維模式。新型材料就比如說(shuō)混凝土材料本身就具有較好的拉伸和剛性性能，優(yōu)于許多自然材料，讓建筑從地域特性中解放出來(lái)，使用新型材料建造并進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。在這種模式下，新型建筑材料有極好的可塑性，可以設(shè)計(jì)出多種多樣的建筑結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到建筑抗震。在計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)時(shí)，出來(lái)要滿(mǎn)足一些基本條件以外，還要通過(guò)公式

來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。然后在通過(guò)Mi≥1.3MOV進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，最后得到抗震節(jié)點(diǎn)的物理性能。

2.3多種物理學(xué)科綜合應(yīng)用

隨著時(shí)代的進(jìn)步，單單是材料本身的使用已經(jīng)不足以滿(mǎn)足日益發(fā)展的建筑需要，新時(shí)代多采用預(yù)計(jì)算結(jié)構(gòu)的方式解決建筑抗震問(wèn)題，預(yù)計(jì)算抗震節(jié)點(diǎn)的物理特性，并進(jìn)行加固式的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，是提前預(yù)防并改善建筑抗震環(huán)境的良好手段。土木工程的抗震設(shè)計(jì)一直在國(guó)內(nèi)外被不斷提及和研究，一般都是通過(guò)軟件模擬的手段來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如通過(guò)JDJG軟件建模后在通過(guò)PM CAD進(jìn)行抗震節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度模擬和深化。這種設(shè)計(jì)有較高的精度，也可以混合不同種類(lèi)物理學(xué)原理。這種方式的好處在于可以借助計(jì)算機(jī)等軟件，直接分析待建建筑的物理性能，囊括氣候，地理環(huán)境等對(duì)建筑的影響。其中涉及到風(fēng)能，熱能，勢(shì)能等，能做到提前預(yù)防未知風(fēng)險(xiǎn)，然后最大程度上考慮抗震現(xiàn)狀，完成建筑的抗震設(shè)計(jì)。

3、建筑的抗震設(shè)計(jì)

3.1建筑中的物理學(xué)

物理學(xué)作為一項(xiàng)基礎(chǔ)的自然研究課題，有其獨(dú)特性和普及性，無(wú)論是自然科學(xué)還是人文科學(xué)，物理學(xué)的因素都蘊(yùn)含其中。但物理學(xué)是一門(mén)大的概述性學(xué)科，分布到建筑領(lǐng)域主要還是力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等，其中力學(xué)對(duì)建筑的影響最為巨大，它可以說(shuō)是建筑的基石，無(wú)論是怎樣的建筑都離不開(kāi)力學(xué)基礎(chǔ)的鋪墊，建筑的結(jié)構(gòu)，材料，地基等，也都蘊(yùn)含著豐富的物理知識(shí)。建筑在結(jié)構(gòu)上主要運(yùn)用力學(xué)的知識(shí)，在表皮材料方面運(yùn)用聲學(xué)知識(shí)，在采光方面運(yùn)用光學(xué)知識(shí)等。物理學(xué)已經(jīng)深入投射進(jìn)建筑的方方面面。在抗震結(jié)構(gòu)方面，從之前的抗震設(shè)計(jì)到現(xiàn)在的物理補(bǔ)救手段，都體現(xiàn)物理知識(shí)對(duì)于建筑設(shè)計(jì)的不可忽視性。

3.2抗震建筑設(shè)計(jì)—板柱結(jié)構(gòu)抗震

抗震設(shè)計(jì)主要運(yùn)用力學(xué)知識(shí)，中間也夾雜一些熱工學(xué)的原理。在抗震設(shè)計(jì)中，如何考慮地球物理知識(shí)，以及如何應(yīng)對(duì)地球物理變化，是極為重要的一環(huán)，我們通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的物理預(yù)應(yīng)對(duì)來(lái)達(dá)到預(yù)防抗震作用。鋼筋混凝土板柱結(jié)構(gòu)體系由于其簡(jiǎn)潔性被廣泛應(yīng)用在建筑領(lǐng)域。在水平地震作用下，其板柱節(jié)點(diǎn)容易受到豎向剪力和不均勻彎矩共同造成的節(jié)點(diǎn)破壞。在通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)水平壓力的計(jì)算模擬分析后，可以合理完善板柱結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，達(dá)到結(jié)構(gòu)抗震要求。

3.3抗震設(shè)計(jì)方法及本質(zhì)

在抗震設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先要考慮對(duì)結(jié)構(gòu)的選擇，要選擇在質(zhì)量和剛度上都均勻分布的結(jié)構(gòu)，便于計(jì)算和設(shè)計(jì)；其次對(duì)于一些較為不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，要采用實(shí)時(shí)分析補(bǔ)充法則進(jìn)行設(shè)計(jì)；除此之外，不可忽視地基的重要性，增強(qiáng)地基的牢固性可以有效增大建筑的防風(fēng)防震能力。從抗震設(shè)計(jì)的步驟就可以看出來(lái)，物理法則就隱藏在這一個(gè)個(gè)建筑設(shè)計(jì)的背后，哪怕只是一個(gè)小小的建筑節(jié)點(diǎn)，都可能應(yīng)用到了關(guān)于力學(xué)，材料學(xué)的知識(shí)。不同力學(xué)知識(shí)綜合考慮設(shè)計(jì)，才是抗震設(shè)計(jì)的核心手法，同時(shí)也可以看出物理學(xué)知識(shí)對(duì)于建筑抗震的基石作用。通過(guò)對(duì)物理知識(shí)的深入研究，可以完善建筑節(jié)點(diǎn)知識(shí)，造就更加適宜，更加安全的現(xiàn)代建筑。

結(jié)語(yǔ)：

古人運(yùn)用木結(jié)構(gòu)技術(shù)來(lái)達(dá)到建筑抗震目的。其本質(zhì)就是木材質(zhì)在遇到地震波沖擊時(shí)還可以保證良好的完整性。這可能是最早在建筑抗震中運(yùn)用物理知識(shí)的實(shí)例。也體現(xiàn)了物理知識(shí)對(duì)于建筑領(lǐng)域的改變，建筑抗震的發(fā)展更是離不開(kāi)日新月異的物理學(xué)知識(shí)。通過(guò)物理應(yīng)用，現(xiàn)代建筑才有了更為廣闊的發(fā)展前景和更為安全的建筑居住環(huán)境。

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